содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

СТРУКТУРА ВОЛОКОН

По строению волокна представляют собой комплекс молекул, расположенных хаотично или ориентированно вдоль волокна. В зависимости от того, какой длины молекулы, как они расположены в волокне, свойства волокна будут различны.

Молекулы волокон обладают большой длиной и поэтому их принято называть молекулами-гигантами, или макромолекулами. Их молекулярный вес может быть от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов. Величина молекулярного веса оказывает влияние на механические свойства волокон и вязкость расплава (раствора), из которых получают химические волокна. Так, с увеличением молекулярного веса волокон возрастает их прочность и увеличивается вязкость расплава.

Макромолекулы (полимеры) образуются из отдельных звеньев повторяющихся групп атомов (мономеров), число которых называется степенью полимеризации (поликонденсации). Величина степени полимеризации колеблется от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч.

Макромолекулы могут быть природные (целлюлоза хлопка, белок шерсти или натурального шелка) и синтетические (поликапролактам, полиэтилентерефталат, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полигексаметиленадипамид и др.).

Синтетические полимеры могут быть получены реакцией полимеризации, т. е. соединением одиночных молекул без изменения их элементарного состава, или поликонденсации, т. е. соединением одиночных молекул с изменением их элементарного состава за счет выделения каких-либо простых веществ (воды, спирта, аммиака, хлористого водорода и др.).

Примером реакции полимеризации может служить получение поликапролактама (капрона), полиакрилонитрила (нитрона), поливинилхлорида (хлорина), а примером реакции поликонденсации— получение полигексаметиленадипамида (анида).
 

Если второй полимер образует боковые цепи, то такой сополимер называют привитым..

Изменяя процентное содержание разных мономеров или полимеров, получают волокна, обладающие иными свойствами.

Молекулы натуральных волокон ориентированы вдоль оси волокна. Однако расположение их в разных волокнах может быть неодинаковым. В хлопке макромолекулы целлюлозы линейной структуры частично расположены параллельно оси волокна; значительное же количество лежит под различными углами к ней: одна около другой. Такие молекулы удерживаются благодаря межмолекулярным силам, действующим в поперечном направлении.

В шерсти макромолекулы кератина менее ориентированы и более изогнуты, что характеризует меньшую прочность и большую растяжимость волокна. Макромолекулы белка шерсти представляют собой сложную сетчатую структуру, образованную из изогнутых в виде спиралей главных цепей (модификация а-кератина), соединенных между собой боковыми дисульфид-ными (—S—S—), солевыми (—NH3-OOC) и водородными (=О....Н—) связями. При растяжении шерсти цепи макромолекул кератина распрямляются, вследствие чего происходит упругое удлинение. Если растяжение вести при повышенной температуре (90° С) и увлажнении, то происходит разрыв боковых цепей, которые затем соединяются в другом месте, фиксируя распрямленное положение макромолекул (модификация (3-кератина). Это препятствует при охлаждении шерсти обратному сокращению. На этом свойстве шерсти основан процесс (оттяжка), с помощью которого швейному изделию придается определенная форма. Если первичная влажно-тепловая обработка была непродолжительной (не более 2 мин), то после такой же вторичной обработки шерстяного волокна в свободном состоянии оно сокращается примерно до 2/3 от первоначальной длины. Это явление называется сверхсокращением шерсти.

В химических волокнах расположение молекул может быть хаотичным (рис. 2, а), частично ориентированным (рис. 2, б) и полностью ориентированным (рис. 2, в) в зависимости от величины вытяжки волокна в период формования. Молекулы в волокне могут быть в распрямленном состоянии (рис. 3, а), в изогнутом (рис. 3, б), в спиральном (рис. 3, в) или скрученном (рис. 3, г). Однако если молекула и распрямлена, то все же отдельные звенья ее или атомы располагаются под определенными углами, называемыми валентными. Поэтому даже волокна с распрямленными молекулами обладают способностью к некоторому удлинению.

Волокна, в которых молекулы расположены хаотично, обладают большей растяжимостью. Если такое волокно вытягивать, то макромолекулы начнут смещаться и ориентироваться. Притом возникают и растут силы межмолекулярного взаимодействия. В хорошо ориентированном волокне эти силы могут быть настолько велики, что легче разорвать макромолекулу, чем сдвинуть ее относительно других молекул. При этом достигается максимальная прочность данного волокна.

Однако межмолекулярные силы достигают максимальных значений лишь для линейных ориентированных макромолекул, обладающих большим числом сильнополярных групп (ОН, СООН, CONH, NH2). Наличие же неполярных или слабополярных групп (СН2, СНз, СОО) понижает величину межмолекулярных сил.
 

Чем больше распрямлены макромолекулы и ориентированы в одном направлении, тем больше плотность их упаковки, больше прочность и упругость волокна и меньше его растяжимость. Поэтому особо прочные волокна получают благодаря их повышенной вытяжке.

Обычно ориентация молекул в волокне происходит пучками (комплексами) и не на всем их протяжении (рис. 4, а, б). Ориентированные участки пучков молекул называют кристаллами. Кристаллы в волокне чередуются с аморфными участками. Вследствие большой длины макромолекула может проходить одновременно через ряд кристаллов и аморфных участков. Целлюлозные волокна (по представлению В. А. Каргина, Н. В. Михайлова и др.) имеют аморфное строение, хотя ряд ученых (3. А. Роговин, П. И. Никитин и др.) придерживаются мнения об аморфно-кристаллическом строении целлюлозы.

Пучки макромолекул соединяются в более крупные формирования, называемые микрофибриллами, которые в свою очередь группируются в макрофибриллы. Фибриллы располагаются в волокне вдоль оси волокна или под небольшими углами. Между фибриллами образуется большое количество продольных трещин и пор разных размеров. Чем больше размеры трещин и пор у волокон, тем лучше их намокаемость и окрашивае-мость (хлопок, вискозное волокно), и наоборот, волокна с порами меньших размеров труднее намокают и прокрашиваются (лавсан, нитрон). В природных волокнах между фибриллами залегают пигменты и другие спутники основного вещества.

Фибриллы в волокне хлопка располагаются кольцевыми слоями (кольцами роста), число которых достигает сорока.

Фибриллы в волокне шерсти образуют веретенообразные клетки, размещенные вдоль волокна и склеенные межклеточным веществом.
 

Рис. 4. Схема расположения пучков молекул в волокне:
а — ориентированные пучки; б — неориентированные

Волокно хлопка представляет собой сплюснутую, извитую трубочку с каналом внутри. Степень сплюснутости, извитости и размер канала в волокне хлопка зависят от степени его зрелости (рис. 5). Извитость волокон обусловливает их хорошую цепкость, что дает возможность получить прочную пряжу. Наличие в хлопке канала, заполненного воздухом, определяет его невысокую теплопроводность, что дает возможность вырабатывать из него изделия с хорошими теплозащитными свойствами.

Остевое волокно шерсти состоит из трех слоев: чешуйчатого, коркового и сердцевинного (рис. 6, а), а пуховое — из двух: чешуйчатого и коркового (рис. 6, б). Чешуйчатый слой шерсти представляет собой тонкие роговидные пластинки различных размеров и формы. Он защищает корковый слой от вредных химических и физических воздействий, обусловливает в значительной степени валкоспособ-ность и блеск шерсти.

Корковый слой шерсти состоит из веретенообразных клеток и определяет основные свойства волокна, т. е. его прочность, растяжимость, упругость, гибкость, мягкость. В клетках коркового слоя содержится пигмент, от которого зависит естественная окраска волокна.

Сердцевинный слой шерсти состоит из рыхлых клеток и промежутков, заполненных воздухом. Размеры сердцевинного слоя в зависимости от типа шерстяных волокон могут быть различными. Этот слой уменьшает теплопроводность шерстяных волокон, но в то же время снижает их прочность, растяжимость, гибкость, извитость и другие технические свойства.

Химические волокна в отличие от натуральных имеют более простое строение. Они представляют собой тонкие прутки с относительно гладкой поверхностью и разнообразным поперечным сечением (рис. 7, а—ж).

Рис. 5. Хлопковое волокно разных степеней
зрелости:0 — совершенно незрелое (мертвое); 1 и 2 — недозрелое; 3 и 4 — зрелое; 5 — перезрелое

Волокна капрона, анида, лавсана, полипропилена и полинозные имеют круглую форму поперечного среза с гладкой поверхностью. Вследствие гладкой поверхности и малой сцепляемости отдельные штапельные волокна при незначительных натяжениях в процессе эксплуатации изделий вытягиваются из пряжи и образуют на их поверхности петлистый ворс. Благодаря высокой прочности и значительной устойчивости волокон к истиранию вытянутые петельки ворса не обрываются, а под действием трения в процессе носки изделия скатываются на его поверхности в шарики; образуется так называемый пиллинг.

Гладкая поверхность указанных выше синтетических волокон придает изделиям неприятный блеск, способствует распускаемости петель в изделии, но обусловливает их мягкость.
 

Рис. 6. Строение остевого и пухового волокон шерсти:
1 — чешуйчатый слой; 2 — корковый слой; 3 — сердцевинный слой


Рис. 7. Химические волокна в продольном виде и поперечном разрезе:
а — вискозное; б—вискозное матированное; в — ацетатное и триацетатное; г — полиноз-ное, капрон, лавсан, полипропилен; д — нитрон; е - хлорин, ПВХ; ж — винол

Рис. 8. Формы поперечного сечения профилированных и пустотелых волокон и отверстий фильер для их получения

Чтобы уменьшить блеск, производят матирование волокон двуокисью титана, но этот процесс ухудшает некоторые их свойства (прочность, светостойкость и др.). Снижение блеска волокна может быть достигнут также обработкой горячими

растворами мыла, фенола, уксусной кислоты и др. В последнее время все большее применение находит метод получения профилированных волокон с поперечным сечением в виде звезды, прямоугольника, треугольника и т. д. (рис. 8, а), которое определяется формой отверстия фильеры (рис. 8, б). Профилированные волокна по сравнению с обычными обладают пониженным блеском, большей цепляемостью, уменьшают пиллинг,

придают изделию меньшую распускаемость, но более жестки на ощупь. Такие волокна имеют лучшую кроющую способность, определяющую застилистость трикотажного полотна. Цепляемость штапельных волокон может быть повышена также благодаря приданию им извитости.

Извитость волокон обусловливает также повышенную эластичность и объемность изделий.

Вискозное, ацетатное, триацетатное, хлориновое и поливинил- хлоридное волокна имеют неправильную форму поперечного сечения с изрезанными в разной степени краями. Однако они также обладают значительным блеском и часто выпускаются матированными. Эти волокна тоже способны вытягиваться из пряжи на поверхность и образовывать ворс. Однако вследствие более низкой устойчивости к истиранию ворс при эксплуатации изделия быстро перетирается и отпадает.

Волокно нитрон имеет форму поперечного сечения, напоминающую контуры земляного ореха. Поверхность волокна гладкая, с приятным блеском.

Чтобы получить более легкое и менее теплопроводное волокно, в последнее время стали вырабатывать пустотелые синтетические волокна (рис. 8, в), которые формуются с помощью фильер с профилированными отверстиями (рис. 8, г). Эти волокна обладают большой кроющей способностью.