Микрофибра от А до Я. Разбираемся с технологией. :-)

Уже много сказано и написано о таком продукте цивилизации, как микрофибра или микроволокно. Если искать информацию в русскоязычном интернете, то она, как оказывается, очень коммерциализована. То есть практически все поисковые выдачи дают ссылки на сайты, которые просто продают товары из микрофибры и познавательной информации можно найти очень мало. Кроме того информация эта очень противоречива, неполна и непрофессионально оформлена. Тем не менее, и из профессионального стремления, и просто интереса ради, мы решили сделать на сайте «Белый кот» подборку достоверной информации о том, что такое микрофибра, как она появилась, и какова технология её производства. Для полноты данных пришлось в том числе заниматься переводами англоязычных сайтов, а также обработать огромное количество информации в рунете и, кроме того, обратиться к таким авторитетным изданиям, как журнал "Наука и жизнь".

В этой статье мы немного коснёмся истории изобретения микроволокна (эта тема достойна отдельной статьи!), с непременным усердием разберём технологию производства и вкратце опишем преимущества микроволокна перед обычным волокном на нескольких простых примерах и цифрах.

История (кратко)

По разным источникам, микрофибра была изобретена где-то на границе 70-х и 80-х годов 20 века. Первенство изобретения, похоже (инф. с сайта ru.wikipedia.org*), принадлежит Стране Восходящего Солнца (Японии). Но сам факт появления микрофибры (микроволокна) был, можно сказать, предопределён всей историей открытий в текстильной сфере, чему мы посвятим на сайте отдельную статью.

Что касается истории, то хочется сказать, что развитие химической науки и химической технологии (конкретнее – органической химии) привело к появлению искусственных химических волокон. До конца 19-го века люди знали лишь природные волокна: лён, шёлк, шерсть, хлопок. Наука же дала человеку шанс соперничать с природой и в сфере производства (синтеза) тканей.

Так, первый патент на «искусственный шёлк» был выдан в Англии в 1855 году шведскому химику Аудемарсу. А в 1885 году сэр Джозеф В. Сван, английский химик и физик, представил на выставке в Лондоне некоторые текстильные изделия из созданной им ткани (инф. с сайта www.googalies.com*).

Движущим импульсом исследований была надежда создать такие нити и ткани, которые были бы, во-первых, прочнее природных аналогов, а во-вторых – тоньше и легче.

20-й век во всех сферах был временем постоянных открытий и технического прогресса. В 1935-м году был изобретён нейлон. В 1950-х годах были успешно синтезированы сверхтонкие волокна (около 0,7 денье /денье определяется как вес в граммах на 9000 метров нити/), а в 1976 году (источник – Википедия) в Японии было изобретено микроволокно или микрофибра.

Технология

Сама приставка "микро" означает одну миллионную долю (от стандартного эталона размерности - метра). То есть микроволокно в диаметре должно составлять миллионные доли метра, или, что тоже самое - тысячные доли миллиметра (принятое сокращение для таких величин - мкм, то есть микрометр). Самое толстое микроволокно в поперечном сечении не составляет и одной десятой миллиметра. Ясно, что для получения микроволокна (микрофибры) требуется высокоточное оборудование, которого просто не было у человечества в течение первых 70-ти лет 20-го века. Как только люди научились делать это оборудование, микроволокно стало реальностью.

Производство микрофибры – это предельно тонкий технологический процесс. Конечно, это не микроэлектроника, но всё же очень "продвинутое" производство. Для производства берётся исходное (уже довольно тонкое) волокно с линейной плотностью не более 1 денье. Центральную основу микроволокна составляет полиамид, а внешнюю – полиэстер. Важным моментом является то, что внутреннему волокну из полиамида уже придана форма многогранника (чаще – 8-гранника). Внешний диаметр восьмигранника должен соответствовать линейной плотности около 1 денье (желательно – не более 1 денье, а лучше всего - менее 0,7 денье). Другими словами, максимальный диаметр восьмигранника (если обощить косвенную информацию из разных источников) должен составлять максимум 0.1-0.2 миллиметра (100 - 200 мкм.). А для тонкого микроволокна это диаметр изначально может составлять всего около 10 мкм. О производстве микроволокна – см. статью в журнале «Наука и жизнь» от 01.2001 на сайте www.nkj.ru* (картинка, объясняющая действие экструдера взята из той статьи в НАУКЕ И ЖИЗНИ).

Для получения нити пластическую полимерную массу продавливают через специальное устройство – экструдер¹⁾ (см. рисунки 1 и 1а). Выходное отверстие экструдера выбирается равным диаметру восьмигранника. Таким образом «внешняя» нить разделяется на 8 микронитей практически треугольной формы. На выходе из экструдера нить орошается холодной водой, и в результате 8 внешних микронитей отделяются от восьмигранной сердцевины. На рисунке 1а представлена схема простого шнекового (червячного) экструдера для производства полимерного волокна. С помощью такого экструдера можно сформировать лишь центральное полиамидное ядро микроволокна. Для производства же самого микроволокна требуется экструдер более сложной конструкции. В такой конструкции необходимо под давлением запрессовывать полиэстер (подогретую пластическую массу так, чтобы она образовала внешний контур волокна (по отношению к полиамидному стержню). Кроме того необходимо выравнивать осевые давления на внутренний и внешний стержень, чтобы волокно получалось качественным и однородным. Некоторые линии производства микрофибры используют для создания давления не только шнек (или вообще не шнек), но и сжатый воздух, подаваемый в камеру экструдера по трубам.

Изначально именно восемь внешних микронитей (образованных отделением внешней полиэстерной оболочки от полиамидного восьмигранника) и считались микроволокном (микрофиброй). Сами по себе они уже обладают всеми преимуществами микроволокна. На рисунке 2 можно увидеть разницу в очистке поверхностей тканью из обычного волокна (верхняя часть рисунка) и тканью из микроволокна (нижняя часть рисунка), в которой микроволокна располагается в три слоя (эта микрофибровая ткань состоить исключительно из "внешних" полиэстеровых нитей примерно треугольного сечения). Если на обычное волокно грязь просто налипает, и то не очень эффективно (что приводит к эффекту «размазывания» грязи), то в случае микроволокна, грязь всасывается в зазоры между микроволокнами и остаётся там до кипячения или стирки. Сразу оговоримся, что нижняя картинка на рис. 2 - это идеализация. В мире микроразмеров настолько упорядоченно закрепить микроволокна просто невозможно. Чаще всего микронити скручиваются в небольшие жгуты и приведённая на рисунке идеальная чёткость (касание микрофибры по вершинам треугольников) очень сильно нарушается. Тем не менее, сами по себе зазоры между волокнами остаются очень маленькими, именно поэтому подобная ткань за счёт капиллярного эффекта способно очень эффективно засасывать грязь внутрь структуры ткани и удерживать её там. Объём грязи жидкости, который может впитать подобная ткань многократно выше, нежели впитывающая способность обычных тканей (не из микрофибры).

Однако если изучить информацию, представленную на многих сайтах, то и внутренний восьмигранник может использоваться (и успешно используется!) для усиления впитывающих эффектов микрофибры (см. рисунок). Дело в том, что эта внутренняя нить делается из полиамида, который гораздо лучше внешних полиэстеровых нитей абсорбирует, втягивает в себя воду. В то же время полиэстеровое, внешнее волокно, эффективно удаляет с поверхностей жир (информация с сайта www.viledapro.ru*). Именно такое волокно начала применять одной из первых Шведская компания "SMART Microfiber AB" (подробнее - на сайте www.smartmicrofiber.se), чью продукцию имеет честь представлять на Российском рынке компания "Белый кот". Свойства впитывания в данном случае не зависят от размеров зазоров (или зависят от них не в такой большой степени), а зависят от поверхностного натяжения и смачиваемости материалов. Полиамид в больше степени склонен к смачиваемости водой, а полиэстер смачивается жиром лучше, чем водой.

Можно сказать, что использование и внешних нитей и внутреннего восьмигранника (то есть всей «ромашки» сразу) создаёт определённый симбиоз, или синергию качеств, что делает такого рода ткань из микроволокна гораздо более эффективной, нежели просто ткань из ультратонких полиэстеровых волокон.

Фактически разные компании, производящие микроволокно и продукты из микрофибры (полотенца, салфетки, мопы и др.) патентуют собственную технологию, находя свои оптимальные геометрические, химические и физические параметры исходного материала (двойной нити из полиамида и полиэстера) и экструдера. То есть важными в технологическом процессе являются:

• геометрия внутреннего многогранника (чаще всего – 8-гранника)
• его диаметр
• изначальный диаметр двойной нити (до входа в конус сжатия экструдера)
• а также конусность канала сжатия (и в целом геометрия этого канала) экструдера

Кроме вышеперечисленных моментов на конечный эффект влияет:

• средняя температура двойной нити,
• градиент температур в нити,
• интенсивность охлаждающего процесса на выходе из экструдера
• другие параметры.

Часто все эти параметры (или большинство из них) составляют ноу-хау компании и держатся в секрете. В зависимости от соотношения этих параметров будет варьироваться конечное качество полученной нити микрофибры - её тонкость, прочность, долговечность, лёгкость и т.д.

Помимо всего перечисленного, вероятнее всего, в собственно ткани имеет значение присутствия как отдельных тонких волокон из полиэстера , так и комбинированных волокон, в которых используется и полиэстеровые и полиамидные нити (восьмигранная сердцевина). Процентное соотношение тех и других формирует свойства ткани и может составлять ноу-хау компании.

Ниже мы приводим рисунки вариантов сечений полиамидно-полиэстерового волокна, из которых можно примерно приобрести впечатление о том, как могут меняться свойства микроволокна в зависимости от изначальной геометрии исходного материала (двойного волокна).

Как видно из рисунка, если центральный восьмигранник имеет очень "острые" грани и тонкие "лепестки", то внешние полиамидные нити получаются в форме примерно равнобедренных треугольников в очень острым углом в вершине. В этом случае велика площать зазоров между нитями комбинированного микроволокна (полиэстеровые внешние треугольные нити и полиамидный стержень-звезда) и, соответственно, увеличивается впитывающая способность. Однако тонкость нитей приводит к снижению долговечности (они быстрее изнашиваются).

В случае очень "круглой" звёздочки получаются тоже довольно плоские внешние (полиэстеровые) нити, но угол равнобедренных треугольников получается тупым. В случае широкой и круглой звёздочки уменьшается впитывающая способность, высок износ внешних полиэстеровых нитей, но зато сама полиамидная звёздочка будет очень прочной и долговечной.

В идеале необходимо найти какую-то "золотую середину" в плане геометрии внутреннего волокна и внешних волокон. В этом и состоит тонкость работы инженеров-технологов по проектированию и производству микрофибры.

¹⁾Слово "Экструдер" происходит от латинского . "extrudo", что значит "выталкиваю".

Экструдер - это устройство (машина) для размягчения различнах материалов (часто - пластмасс и других полимеров) и последующего придания им определённой формы. Форма придаётся путём продавливания пластической массы через профилирующий инструмент (так называемую экструзионную головку), сечение которого соответствует форме сечения изделия. Технологический роцесс переработки материалов в экструдере называется экструзией. В экструдерах получают в основном изделия из термопластичных полимерных материалов. А также их используют для переработки резиновых смесей (в этом случае экструдер чаще всего называют шприц-машиной). При помощи различных экструдеров на производствах изготовляют нити, плёнки, листы, трубы, шланги, а также изделия очень сложного профиля и др. Наносят с помощью экструдеров и тонкослойные покрытия на такие поверхности, как бумага, картон, ткань, фольга. Кроме этого путём экструзии наносят изоляцию на провода и кабели. Экструдеры применяют и для получения гранул, подготовки композиций для каландрирования. Кроме всего прочего, путём экструзии производят и разные металлические изделия (об этом процессе см. в ст. "Прессование металлов" в журнале "Порошковая металлургия") и других целей.

Экструдер состоит из нескольких основных узлов:

• корпуса, который оснащён системой нагревательных элементов;
• рабочего органа (например, шнека, диска или поршня), размещенного в корпусе экструдера;
• узла загрузки перерабатываемого материала;
• силового привода, передающего усилие на рабочий орган;
• системы задания и поддержания температурного режима (которая может быть очень сложной и программируемой),
• других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

По типу основного рабочего органа (органов) экструдеры подразделяют на 1- или много-шнековые (иначе - червячные), дисковые, а также поршневые (иначе - плунжерные) и др.

На рисунке справа приведён общий вид технологической линии по производству микроволокна. Исходя из внешнего вида можно сказать, что здесь, возможно, производятся микроволокна различных характеристик (используется несколько экструдеров). Кроме того на этой линии и на других подобных может использоваться сжатый воздух для создания дополнительного давления на пластическую массу в экструдерах. Сжатый воздух может нагнетаться по трубам, а подготавливаться - в отдельном цехе.

Преимущества микрофибры

Преимущества товаров из микрофибры можно разделить на несколько категорий в зависимости от целевого использования микроволокнистой ткани.

1. Преимущества одежды из микрофибры (эксплуатационные, технические)

1. Поскольку нити микроволокна гораздо тоньше обычных, они создают более плотную материю. Вследствие этого ткань из микроволокна лучше сохраняет тепло и «не пропускает» ветер (рис. А).
2. Одежда из микроволокна в 2 и более раз легче одежды из обычного волокна.
3. Микроволокно для производства курток и плащей имеет водоотталкивающие свойства. Поскольку нити имеют очень малое сечение, то ткань из таких нитей практически не имеет зазоров и одежда лучше защищает от дождя и влажности воздуха (рис. B).
4. При этом, в отличие от плащевой ткани, одежда из микрофибры не «герметизирует» тело, а оставляет возможность «дышать», предотвращая повышенное потоотделение кожи (рис. С).

(информация с сайта www.fibersource.com*)

1. Преимущества тканей, очищающих загрязнения
1. Сам размер волокна микрофибры делает очистку поверхностей более эффективной, поскольку тонкие волокна проще «достают» загрязнения из неровностей очищаемой поверхности (а ни для кого не секрет, что любая поверхность не является идеально гладкой). Это хорошо проиллюстрировано на рисунке справа, где сравнивается возможность "доставать" до дна микронеровностей у обычных волокон и микрофибры.
2. Микроволокнистая ткань более эффективно абсорбирует загрязнения с поверхности в связи с мощным капиллярным эффектом, возникающим между микроволокнами и внутри микроволокна с восьмигранной «звездой»
1. К примеру, салфетки из микрофибры при вытирании стеклянной посуды, совсем не оставляют разводом, а при стирании жирных загрязнений с поверхности могут «за один проход» полностью удалить загрязнение безо всяких следов.
2. Благодаря эффективному всасыванию влаги и грязи, уборка с помощью микрофибры займёт гораздо меньше времени. Так, мытьё окон салфетками из микрофибры из рутины превращается в развлечение – на каждое окно вы будете тратить не более 5-10 минут.

3. Качественная ткань из микрофибры очень долговечна и износостойка (например, ткань, используемая компанией SMART), то позволяет пользоваться ей в течение нескольких лет, в то время как обычные тряпки стираются и рвутся в течение 2-3 месяцев интенсивного использования. Кроме того, прокипяченная или постиранная микрофибра и выглядит и «работает» как новая, то есть пользоваться ей приятнее с эстетической точки зрения.

2. Преимущества полирующих тканей
1. Микрофибра сама по  себе не полирует материал. Но микрофибра в сочетании с полирующей пастой полирует гораздо эффективнее, чем обычная ткань с полирующей пастой. Дело опять же в том, что благодаря и малому размеру волокна и хорошей впитывающей способности, микрофибра с одной стороны, эффективно «доставляет» полирующую пасту ко всем «ямкам» на поверхности, а с другой стороны легко впитывает сполированные микрочастицы, предотвращая образование повторной матовости.

3. Преимущества для здоровья человека
1. Одежда и полотенца из микрофибры гораздо лучше впитывают влагу и грязь с кожи, чем другая ткань.
2. При использовании микрофибры для очищения поверхностей, можно совсем отказаться от бытовой химии, что действительно полезно для здоровья!

Разные параметры

1. Основные параметры волокна микрофибры следующие:
   Диаметр (примерные границы разброса): от 0,0009 мм до 0,09 мм (или от 0,9 мкм до 90 мкм)
   Прочность на разрыв: от 300 МПа до 1200 МПа
   Линейная плотность: не более 0,7 денье

Сравнительные параметры шёлковой ткани:
Шёлк: диаметр нити: 5-15 мкм; прочность на разрыв 30-35 МПа; линейная плотность: 13-35 денье

Итак, при том, что шёлковая нить является одной из самых тонких и прочных, микрофибра имеет явные преимущества. Нить из микроволокна может быть в несколько раз тоньше шёлковой (но при желании можно сделать её и более толстой), также она в 10 раз более прочная и имеет в 10 раз более низкую линейную плотность!
Надеемся, что эта небольшая экскурсия в мир микрофибры докажет, что у человека ещё очень большой творческий потенциал и история развития технологии производства волокон это ещё раз доказывает!

Итак, желаем вам удивительного и воодушевляющего будущего с новыми материалами и новыми технологиями!

Сферы применения микроволокна (микрофибры)

Если в самом начале микрофибра была продуктом текстильного производства и использовалась для производства тканей для клининга, ухода за телом, а также для производства одежды, то с течением времени оказалось, что диапазон возможного применения микрофибры чрезвычайно широк и проникает во многие сферы жизни и технологий. Этой теме в будущем мы также посвятим отдельную статью. А пока перечислим вкратце основные области применения микрофибры:

• Клининг (ткани для клининга)
• Уход за телом (полотенца, тюрбаны, салфетки и др.)
• Товары для кухни (губки для посуды, полотенца и др.)
• Товары для ванны и ванной комнаты (коврики нескользящие в ванну и на пол)
• Одежда
• Строительство (микроволокно для армирования бетона и пр.)
• Медицина, биология⁹⁾
• Композиты, используемые в разных областях (напр., в спорте¹⁰⁾)

Источники информации*

1) www.fibersource.com (англ.) - Портал о микрофибре - история, технология, производители, товары, компании, варианты использования, уход за тканью и микроволокна и др. Страница по истории и технологии - www.fibersource.com/f-tutor/history.htm

2) www.viledapro.ru (рус.) - Сайт компании "Vileda Professional" с достаточно подробной информацией о производстве и структуре микроволокна и другой интересной информацией.

3) www.nkj.ru (рус.) - Журнал "Наука и жизнь", №1 за 2001 год. Статья - "Тряпка будущего"

4) www.googalies.com (англ.) - Сайт об изделиях из микрофибры для достаточно узкого применения: для полировки, для оптики, для очков, для гитар и музыкальных инструментов. На сайте довольно подробно рассказывается об истории появления микроволокна.

5) www.ru.wikipedia.org (рус.) - Открытая энциклопедия, статьи, посвящённые микроволокну (напр: http://ru.wikipedia.org/wiki/Микрофибра)

6) www.en.wikipedia.org (англ.) - Открытая энциклопедия на английском языке. Статьи, посвящённые микрофибре (напр.: http://en.wikipedia.org/wiki/Microfibre)

7) www.smartmicrofiber.se (англ.) - Сайт Шведской компании по производству товаров из микрофибры - SMART Microfiber AB

8) slovari.yandex.ru (рус) - Словарь Большой Советской Энциклопедии

9) www.sciam.ru (рус) - Журнал "В Мире Науки" (перевод "Scientific American"); например, статья www.sciam.ru/news/archive/2007/01/02/1373.html

10) www.smir.ru (рус) - Сайт сети магазинов "Спортивный мир"; в частности каталог www.smir.ru/catalog/stock_balls.php

Авторы статьи : Колупаев Иван, инженер, предприниматель и Соломатин Андрей, магистр химии, специалист по химической технологии

Опубликовано 18 января 2010 года. Администрация сайта "Белый кот" приносит благодарность авторам за разрешение на публикацию статьи

Другие интересные материалы к просмотру на нашем сайте :

• Посмотреть страницу доставки товаров марки Белый кот из микрофибры >>
• Энциклопедия Белого кота - другие разделы >>
• Обучение в Белом коте даёт возможность разобраться с тем, как работает микрофибра >>
• Периодически Белый кот даёт анонсы проводимых мероприятий и Дней Открытого Обучения >>