Строение и свойства текстильных волокон

Все текстильные материалы нужно рассматривать как сложные конструкции, которые приходится изучать на разных уровнях (волокна–нити–полотна).

Почти все текстильные волокна состоят из полимеров – высокомолекулярных соединений (ВМС). Главными особенностями строения этих веществ являются:

1.Макромолекулы ВМС представляют собой длинные гибкие образования, состоящие из большого числа групп атомов (элементарных звеньев), соединенных между собой химическими связями.

2.Число звеньев, называемое степенью полимеризации (n), в макромолекулах колеблется в широких пределах – от нескольких сотен до десятков тысяч. Например, макромолекула целлюлозы (C₆H₁₀O₅)n, для хлопка n = 5–15 тысяч, льна n = 36тысяч, вискозы n = 500–800.

3.Длина макромолекул в сотни и тысячи раз превышает их поперечные размеры.

4.В пределах одного полимера макромолекулы имеют широкий диапазон колебаний по длине, т. е. ВМС обладают полидисперсностью, в результате свойства волокон неоднородны.

5.Деформация всех полимеров состоит из 3-х частей: упругой, эластической и пластической. 6.Растворы всех полимеров имеют большую вязкость, число растворителей ограничено.

У некоторых полимеров, образующих текстильные волокна, элементарные звенья имеют химические связи не только в продольном, но и в поперечном направлении. Известны три вида структур макромолекулы: линейная, разветвленная, сетчатая.

В линейной структуре каждое звено связано только с двумя соседними; в разветвленной – некоторые звенья связаны более чем с двумя другими звеньями, в результате от основной цепи образуются ответвления в виде небольших боковых цепей; в сетчатой – линейные цепи связаны между собой поперечными химическими связями.

Наряду с химическим строением полимера на его свойства влияет характер расположения макромолекул в структуре, т. е. его надмолекулярная структура. Волокнообразующие полимеры по своей надмолекулярной структуре относятся к фибриллярным соединениям. Развернутые макромолекулярные цепи, располагаясь относительно друг друга последовательно-параллельно, образуют простейшие структурные элементы полимеров – линейные пачки. Отдельные пачки образуют микрофибриллы, на основе которых формируются более крупные агрегаты – фибриллы.

Микрофибриллы по своему строению неоднородны и имеют чередующиеся кристаллические и аморфные участки, соотношение которых зависит от вида полимера. Длинные цепные макромолекулы могут последовательно проходить через несколько кристаллических и аморфных областей, переходить из одной микрофибриллы в другую, прочно соединяя их в структуре фибриллы. Такое строение волокнообразующих полимеров придает волокнам достаточную прочность, гибкость и эластичность. Структурные элементы не полностью заполняют объем волокна, между ними располагаются микропустоты, поры. От пористости зависит способность волокон к поглощению жидкостей, набуханию, окрашиванию и т. д.

Естественно, что сложные структуры текстильных волокон резко сказываются на их свойствах.

Характеристики свойств волокон Свойства – это основные отличительные особенности материалов, которыми они наделены: геометрические, механические, физические, химические. Свойства изучают с помощью различных приборов и методов и выражают величинами, называемыми характеристиками. Числовые выражения характеристик называются показателями.

Геометрические свойства – это размерные характеристики, к которым относятся длина и толщина.

Длина волокна L (мм) – расстояние между концами распрямленного, но не растянутого волокна. Толщина волокон изменяется от 2 до 60 мкм. Непосредственное измерение толщины волокон затруднено, т. к. форма их поперечного сечения весьма разнообразна, поэтому толщину волокон оценивают косвенными величинами.

Линейная плотность волокна Т (текс) показывает массу единицы длины и определяется как отношение массы волокон m (мг) к их длине L (м): Т = m / L (1.1)

Чем меньше линейная плотность, тем тоньше волокно и меньше его поперечное сечение. Линейная плотность волокон – текс (Т) принята в качестве международной единицы измерения.

Раньше для оценки тонины волокон (нитей) использовали метрический номер N, который определяется отношением длины волокна (нити) L (м) к его массе m (г): N = L / m. Чем тоньше волокно или нить, тем выше номер. Между N и Т существует соотношение: Т·N = 10³.

Извитость волокна – число витков на 1 см длины, подсчитанное при натяжение, соответствующем массе 10 метров волокна.

Механические свойства характеризуют способность волокон сопротивляться действию приложенных внешних сил.

Наибольшее значение имеют растягивающие и изгибающие силы. При приложении растягивающего усилия до полного разрушения волокна определяют следующие характеристики.

Разрывное усилие Рр (Н, сН, гс) – наибольшее усилие, выдерживаемое волокном в момент разрыва. Предел прочности (разрывное напряжение) σ_Р, Па – характеризует разрывное усилие, приходящееся на единицу площади поперечного сечения.

Относительное разрывное усилие Ро, сН/текс (гс/текс), характеризует разрывное усилие, приходящееся на единицу линейной плотности: Ро = Рр / Т. (1.6)

Абсолютное разрывное удлинение lр, мм, – увеличение длины волокна к моменту разрыва: lp = Lp - Lo, (1.7)

где Lo - начальная длина образца волокна, мм;

Lp - длина образца к моменту разрыва, мм.

Относительное разрывное удлинение ε_P, %, показывает, какую часть от первоначальной длины образца составляет его абсолютное удлинение к моменту разрыва: ε_Р = 100l_Р / L_О. (1.8)

При приложении растягивающих усилий меньше разрывных в цикле «нагрузка – разгрузка – отдых» определяют полную деформацию и ее составные части (компоненты).

Полная деформация, ε_ПОЛН, % – деформация, которую приобретает волокно к концу периода нагружения.

Упругая деформация ε_У, % – деформация, которая мгновенно исчезает после снятия нагрузки. Она является следствием небольших изменений расстояний между звеньями и атомами макромолекул при сохранении связей между ними.

Эластическая деформация ε_Э, % – часть полной деформации, которая возникает при нагружении и исчезает после снятия нагрузки через определенное время. Она связана с перегруппировкой макромолекул.

Пластическая деформация ε_ПЛ, % – неисчезающая часть полной деформации. Она обусловлена необратимым смещением структурных элементов, разрывом связей между макромолекулами.

ε _ПОЛН = lу + lэ + lпл. (1.9)

От соотношения упругой, эластической и пластической деформации зависит сминаемость текстильных материалов, их формоустойчивость.

Гибкость и цепкость волокон зависят от их химического состава, извитости, особенностей строения.

Физические свойства – гигроскопические, тепловые, оптические и др.

Гигроскопические свойства – характеризуют способность волокон к поглощению влаги; оцениваются фактической, нормальной, кондиционной и максимальной влажностью.

Фактическая влажность Wф, % показывает, какую часть от массы сухого волокна составляет влага, содержащаяся в нем при данных атмосферных условиях: Wф = 100 (m_Ф - m_С ) / m_С,, где m_Ф – масса волокон, соответствующая фактическим атмосферным условиям; m_С – масса абсолютно сухого волокна.

Нормальная влажность Wн, % – влажность волокна, выдержанного в течение 24 часов при нормальных атмосферных условиях (температура воздуха 20±2 °С, относительная влажность 65±5 %).

Кондиционная влажность Wк, % – влажность, условно установленная для данного вида волокон, близка к нормальной и используется при приемке и сдаче продукции.

Максимальная влажность (гигроскопичность) Wг, % – показывает влажность волокна, выдержанного при относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 °С.

Тепловые свойства волокон определяют их поведение в условиях повышенных или пониженных температур.

Морозостойкость характеризуется температурой, ниже которой происходит резкое ухудшение свойств волокон.

Теплостойкость характеризуется температурой, выше которой происходит резкое ухудшение основных свойств волокон.

Термостойкость характеризуется необратимыми изменениями основных свойств волокон, которые произошли после длительного нагревания.

Тепло- и термостойкость определяют условия эксплуатации и выбор режимов влажно-тепловой обработки (ВТО) волокнистых материалов.

Светостойкость характеризует способность волокон сопротивляться разрушающему действию света, кислорода воздуха, влаги и тепла.

Водостойкость характеризует изменение свойств волокон в мокром состоянии.

Химические свойства (хемостойкость) характеризуют устойчивость волокон к действию кислот, щелочей и различных химических реагентов, которые используются при производстве текстильных материалов (например, в процессе отделки) и при эксплуатации изделий (стирка, химчистка и др.)