Металлические волокна — это искусственные волокна, состоящие из металла, металлических сплавов, металла с пластиковым покрытием, пластика с металлическим покрытием или сердцевины, полностью покрытой металлом.
Золотые и серебряные волокна, возникшие в текстильной и швейной промышленности, с древних времен использовались в качестве нитей для украшения тканей. В последнее время алюминиевые нити, алюминизированные пластиковые нити и алюминизированные нейлоновые нити заменили золото и серебро.
Сегодняшняя металлическая фибровая промышленность в основном предлагает волокна из нержавеющей стали, никеля, титана, меди и алюминия для различных применений. Металлические нити могут быть покрыты прозрачными пленками для минимизации потускнения.
Существует множество методов производства металлических волокон, и каждый из них имеет свои преимущества и ограничения. Наиболее распространенные методы включают в себя стружка из более крупного материала, литье непосредственно из расплавленного металла и выращивание вокруг семени. Несколько волокон также могут быть сплетены или переплетены для формирования более крупных прядей.
История
Золото и серебро использовались с древних времен в качестве украшения одежды и тканей королей, лидеров, знати и людей со статусом. Многие из этих элегантных тканей можно найти в музеях по всему миру. Исторически металлическая нить создавалась путем обмотки металлической полоски вокруг волоконного сердечника (хлопка или шелка), часто таким образом, чтобы раскрыть цвет волоконного сердечника для улучшения визуального качества украшения. Древние ткани и одежда, сотканные полностью или частично из золотых нитей, иногда называют золотой тканью. Их ткали на византийских ткацких станках с 7 по 9 век, а затем на Сицилии, Кипре, в Лукке и Венеции. Ткачество также процветало в 12 веке во времена Чингисхана, когда искусство и торговля процветали под монгольским владычеством в Китае и некоторых регионах Ближнего Востока. Компания Dobeckmum выпустила первое современное металлическое волокно в 1946 году.
В начале 1960-х годов Brunswick Corp. провела исследовательскую программу по разработке экономически выгодного процесса формирования металлических нитей. Они начали производить металлические нити на лабораторной пилотной установке. К 1964 году Brunswick производила тонкие металлические волокна размером до 1 мкм из нержавеющей стали марки 304. Их первое крупномасштабное производство, расположенное в США, было запущено в эксплуатацию в 1966 году. Металлические волокна в настоящее время широко производятся и используются во всех видах технологий. С широким спектром применения это зрелый сектор.
В прошлом алюминий часто был основой металлического волокна. В последнее время нержавеющая сталь стала доминирующим металлом для металлических волокон. В зависимости от сплава металлические волокна придают пряже свойства, которые позволяют использовать ее в более высокотехнологичных [требуется разъяснение] приложениях.
Свойства волокна
Металлические волокна существуют в разных формах и диаметрах. Как правило, этот сектор предлагает металлическое волокно диаметром от 100 мкм до 1 мкм.
Металлические волокна существуют как в виде длинных, непрерывных волокон, так и в виде коротких волокон (с отношением длины к диаметру менее 100).
По сравнению с другими типами волокон, такими как углеродные, стеклянные, арамидные или натуральные волокна, металлические волокна имеют низкое электрическое сопротивление. Это делает их пригодными для любого применения, требующего электропроводности. Их превосходная термостойкость позволяет им выдерживать экстремальные температуры. Коррозионная стойкость достигается за счет использования высококачественных сплавов нержавеющей стали или других металлов. Другие выгодные механические свойства металлических волокон включают высокую деформацию при разрушении, пластичность, ударопрочность, огнестойкость и звукоизоляцию.
Спеченные металлические волокнистые структуры и изделия демонстрируют высокие пористые свойства, оставаясь при этом структурно прочными и долговечными. Это приносит пользу функции и структуре определенных применений, таких как фильтрация или электроды.
Покрытые металлические нити помогают минимизировать потускнение. При использовании подходящих клеев и пленок они не подвержены воздействию соленой воды, хлорированной воды в бассейнах или климатических условий. По возможности все, что сделано из металлических волокон, следует подвергать химчистке, если нет этикетки с рекомендациями по уходу. Глажка может быть проблематичной, поскольку тепло от утюга, особенно при высоких температурах, может расплавить волокна.
Метод производства
Существует несколько процессов, которые можно использовать для производства металлических волокон.
Наиболее распространенная технология известна как вытяжка пучка. Несколько тысяч нитей связываются вместе в так называемую композитную проволоку, трубку, которая протягивается через фильеру для дальнейшего уменьшения ее диаметра. Покрывающая трубка затем растворяется в кислоте, в результате чего получаются отдельные непрерывные металлические волокна. Эта композитная проволока вытягивается дальше, пока не будет получен желаемый диаметр отдельных нитей в пучке. Технология вытяжки пучка позволяет производить непрерывные пучки металлических волокон длиной до нескольких километров. Из-за характера процесса поперечное сечение волокон является восьмиугольным. Для получения высококачественных волокон эта технология может быть точно настроена, в результате чего получаются однородные, очень тонкие волокна с очень узким эквивалентным разбросом диаметров. Специальные разработки за последние пару лет позволили использовать эту технологию для производства волокон с диаметром всего 200 нм и ниже.
В процессе ламинирования слой алюминия запечатывается между двумя слоями ацетатной или полиэфирной пленки. Затем эти волокна разрезаются на продольные полосы для нитей и наматываются на бобины. Металл может быть окрашен и запечатан в прозрачную пленку, клей может быть окрашен, или пленка может быть окрашена перед ламинированием. Существует множество различных вариаций цвета и эффекта, которые можно получить с помощью металлических волокон, создавая широкий спектр образов.
С технологией фольгирования возможны волокна диаметром до 14 мкм и более прямоугольным поперечным сечением. Это позволяет получать полунепрерывные пучки волокон или штапельные волокна.
Обработка штапельных волокон может производить полунепрерывные пучки волокон до 10 мкм. Улучшение производства штапельных волокон позволяет использовать узкий разброс диаметров на этих типах волокон, а также настраивать геометрию волокна. Эта технология уникальна по сравнению со стружкой фольги или волокнами из расплава, благодаря малым диаметрам, которые могут быть достигнуты, и относительно небольшому разбросу диаметров
Металлические волокна также можно изготавливать с помощью процесса металлизации. Этот процесс включает нагрев металла до его испарения, а затем нанесение его под высоким давлением на полиэфирную пленку. В результате этого процесса получаются более тонкие, более гибкие, более прочные и удобные волокна.
Металлическое волокно также можно нарезать из проволоки (стальная вата), нарезать из фольги или скрутить в жгуты для формирования проволоки большего диаметра.
Виды изделий из металлического волокна
Спеченные металлические волокна
Металлические волокна преобразуются в волокнистые среды либо в виде нетканого флиса, либо в спеченные структуры, состоящие из волокон диаметром от 1,5 до 80 мкм. Эти пористые металлические волокнистые среды используются из-за своей уникальности в высокотребовательных приложениях. Преимущество сочетания выдающегося проницаемого материала (пористость до 90% для спеченных и до 99% для нетканых структур) в сочетании с высокой коррозионной и температурной стойкостью высоко ценится. Спеченная пористая структура не имеет связующего вещества, поскольку отдельные волокна прочно связаны между собой посредством интерметаллической диффузионной связи. 3D спеченные структуры также стали стандартным продуктом. Последние разработки включают фильтрующие среды, использующие комбинации как металлических, так и неметаллических волокон.
Короткие волокна
Специально разработанный процесс позволяет производить отдельные порошкообразные металлические волокна, известные как короткие волокна, с отношением длины к диаметру (L/D) в диапазоне 100. Эти короткие волокна могут использоваться как таковые или в сочетании с металлическими порошками для производства спеченных фильтрующих структур со сверхвысоким уровнем фильтрации, обеспечивая при этом уникальные уровни проницаемости.
Полимерные гранулы
Другие продукты из металлического волокна представляют собой полимерные гранулы или зерна, состоящие из металлических волокон. Несколько пучков волокон склеиваются вместе с различными размерами, и наносится соответствующее совместимое экструзионное покрытие. После измельчения этих покрытых пучков в гранулы их можно использовать в качестве добавок при производстве конструкционных проводящих/экранирующих пластиковых деталей методом литья под давлением и экструзии. Уникальным преимуществом металлических волокон является образование проводящей сети с относительно ограниченным объемом проводящих добавок.
Нетканые волокна
Нетканые материалы или войлок можно производить из металлических волокон, как и из традиционных текстильных волокон. В очень ограниченном числе случаев можно применить иглопробивание для перепутывания волокон и получения иглопробивного войлока.
Металлическая пряжа
Связки волокон нержавеющей стали могут быть преобразованы в пряжу с помощью текстильных процессов прядения. Существует два вида пряжи: одна с малым количеством волокон и одна с большим количеством волокон. Первая, с количеством нитей около 275, может быть преобразована в нить, добавляя крутку к пучку. Связки с несколькими тысячами волокон обычно используются для преобразования волокон в пряжу. Это может быть сделано путем разрыва растяжением и последующих традиционных технологий прядения пряжи. Это приводит к 100% металлической пряже. В процессе прядения можно смешивать жгуты и также можно производить смешанную пряжу. Возможны смеси с хлопком, полиэстером и шерстью. Впоследствии металлические пряжи могут быть дополнительно преобразованы в различные текстильные изделия с помощью текстильных процессов. Возможны вязание (круглое, плоское, основовязальное) и ткачество, а также плетение. Смесовые текстильные изделия можно получить путем комбинирования металлических нитей с другими нитями или путем использования нитей, которые содержат два вида волокон и, следовательно, сами по себе являются смесями.
Электрические кабели
Для изготовления кабелей две или более нитей скручиваются вместе несколько раз. В ходе процесса контролируются скручивание и прямолинейность кабеля. Кабель можно точно настроить для определенного применения, комбинируя различные прочности нитей, диаметры или количество скручиваний, или предварительно формовать.
Композиты, армированные волокном
Металлическое волокно можно использовать в качестве армирующего волокна для композитных материалов, улучшая его разрушающую способность при ударе и улучшая электропроводность. Традиционные армирующие волокна из углеродного или стекловолокна имеют очень ограниченную возможность удлинения, что приводит к хрупкому и взрывному разрушению. Металлические волокна прекрасно дополняют это и могут поглотить гораздо больше энергии, прежде чем сломаться. Обработка ничем не отличается от любого другого армирующего волокна для композитного материала. Можно даже объединить металлические волокна с другими волокнами в «гибридную» композитную структуру, сочетающую в себе все преимущества углерода, стекла и стали.
Производители
В настоящее время металлические волокна производятся в основном в Европе. Крупнейшим и наиболее интегрированным производителем металлических волокон в мире является многонациональная компания Bekaert со штаб-квартирой в Бельгии, но с производственными мощностями в Европе, Азии и Америке. Три производителя по-прежнему производят металлическую пряжу в Соединенных Штатах. Metlon Corporation является одним из оставшихся производителей в США, который имеет широкий ассортимент ламинированных и неламинированных металлических нитей, а Brightex Corporation, Reiko. Co из Японии и Южной Кореи, такие как Hwa Young, также производят металлические волокна.
Китай также производит металлические нити; в городе Донъян находится более 100 фабрик, хотя некоторые из них являются домашними производственными площадками, а не обычными фабриками. Две из наиболее популярных фабрик — Salu Metallic Yarn и Aoqi Textile.
В 2020 году немецкий стартап из Аахена Fibrecoat начал производство базальтовых волокон с алюминиевым покрытием в Германии. Запатентованная технология нанесения покрытия позволяет экспоненциально увеличить скорость производства, а также сократить количество технологических этапов, потребление энергии и цену.
Товарные знаки
Bekaert производит металлические волокна и множество производных продуктов, таких как непрерывное волокно, спеченные среды, нетканые структуры, полимерные гранулы, оплетки, тканые материалы, кабели, пряжу и короткие волокна. Известные торговые марки: Bekipor, Beki-shield и Bekinox.
Компания Lurex Company производит металлические волокна в Европе уже более пятидесяти лет. Они производят широкий ассортимент продукции из металлических волокон, включая волокна, используемые в тканях одежды, вышивке, тесьме, вязании, военных регалиях, отделке, веревках, шнурах и отделке поверхности кружева. Большинство волокон Lurex имеют полиамидную пленку, покрывающую металлическую прядь, но также используются полиэстер и вискоза. Волокна также обрабатываются смазкой под названием P.W., маслом на минеральной основе, что помогает [требуется разъяснение] обеспечить простоту использования.
Metlon Corporation — торговая марка Metallic Yarns в США, которая производит металлическую пряжу уже более шестидесяти лет. Metlon производит металлическую пряжу, обматывая одинарные щелевые нити двумя концами нейлона. Один конец нейлона обматывается по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки вокруг металлической пряжи. Чаще всего используется нейлон плотностью 15 денье или 20 денье, но для специальных целей используются более тяжелые денье.
Использует
Металлические волокна используются в самых разных секторах и сегментах.
Автомобильная промышленность
Листы из спеченного металлического волокна используются для фильтрации твердых частиц дизельного и бензинового топлива, а также для фильтров вентиляции картера.
Термостойкие текстильные материалы изготавливаются из металлических волокон для процессов гибки автомобильного стекла. Эти ткани из металлических волокон защищают стекло во время процесса гибки при очень высоких температурах и высоком давлении.
Также нагревательные кабели для подогрева автомобильных сидений и трубок селективной каталитической нейтрализации, баков AdBlue. Металловолоконные нагревательные кабели показывают чрезвычайно высокую гибкость и долговечность по сравнению с медной проволокой.
Авиационно-космическая промышленность
Фильтры из металлического волокна используются для фильтрации гидравлической жидкости в гидравлических системах самолетов. По сравнению с фильтрующими материалами из стекловолокна металлические волокна демонстрируют превосходную долговечность, поскольку волокна металлически связаны друг с другом путем спекания, а не удерживаются вместе связующим материалом.
Спеченные пористые листы из металлического волокна используются в качестве звукопоглощающей среды в салоне самолета, снижая шум систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также шум вспомогательной силовой установки.
Технический текстиль
Металлические волокна могут использоваться в качестве антистатических волокон для текстиля, которые можно использовать, в частности, в электрозащитной одежде или антистатических биг-бэгах.
Металловолокнистые ткани могут обеспечить не только антистатичность, но и защиту от электромагнитных помех (ЭМП).
Текстильные волокна из нержавеющей стали можно нагревать с помощью электрического тока, а также использовать для изготовления устойчивой к порезам одежды (перчаток).
Мощность
Фильтры из металлического волокна могут достигать очень высокой пористости при очень малых размерах пор, что делает их пригодными для фильтрации HEPA и ULPA. Эти фильтры используются, в частности, на атомных электростанциях в качестве меры безопасности для предотвращения возможного выброса радиоактивного пара.
Морской
Металловолоконные фильтры используются для очистки судового топлива и смазочного масла.
Другие применения металлических волокон
Другое распространенное применение металлических волокон — обивочные ткани и текстильные изделия, такие как ламе и парча. Многие люди также используют металлические волокна в ткачестве и вышивке. Сегодня все более распространенными являются металлические волокна в одежде, от вечерних и праздничных нарядов до клубной одежды, одежды для холодной погоды и выживания, а также повседневной одежды. Металлические нити ткут, плетут и вяжут во многие модные ткани и отделки. Для дополнительного разнообразия металлические нити скручивают с другими волокнами, такими как шерсть, нейлон, хлопок и синтетические смеси, чтобы получить нити, которые добавляют эффект новизны к готовой ткани или отделке.
Волокна из нержавеющей стали и других металлов используются в линиях связи, таких как телефонные линии и линии кабельного телевидения.
Волокна нержавеющей стали также используются в коврах. Они распределены по всему ковру вместе с другими волокнами, поэтому их невозможно обнаружить. Наличие волокон помогает проводить электричество, что снижает статический удар. Такие типы ковров часто используются в компьютерных зонах или других зонах, где накопление статического электричества может повредить оборудование. Другие области применения включают шинный корд, носовые обтекатели ракет, рабочую одежду, такую как защитные костюмы, скафандры и стойкие к порезам перчатки для мясников и других людей, работающих рядом с лезвиями или опасными машинами.
Металлические волокна можно использовать в качестве армирующего волокна или волокна электропроводности для армированных волокном композитов.
