Взаимосвязь структуры и свойств арамидных волокон

Структура и свойства химических волокон определяется методами и условиями их получения. Свойства волокон обусловлены двумя группами структурных факторов[4]:

– морфологией, т.е. геометрическими характеристиками и взаимным расположением элементов структуры;

– взаимодействием между структурными элементами, т.е. энергетическими и силовыми характеристиками структуры.

При рассмотрении морфологических особенностей структуры волокнообразующих полимеров и волокон обычно выделяют три уровня: молекулярный, надмолекулярный и микроскопический (микроуровень).

Для структуры волокон характерна периодичность строения, обусловленная закономерным расположением мономерных звеньев в молекулах и упорядоченным расположением последних в надмолекулярных образованиях – фибриллах, образованных чередованием ориентированных областей с трехмерной упорядоченностью – кристаллитов и аморфных прослоек. Важное значение имеют также гетерогенность и дефектность структуры волокон на всех ее уровнях, определяемые условиями синтеза полимера, последующим протеканием полимераналогичных превращений и деструктивных процессов.

Энергетические характеристики структуры определяются внутри- и межмолекулярными взаимодействиями в структурных элементах:

Полиамидные волокна
Молекулярная структура	Линейная
Межатомные связи (энергия, кДж/моль)	С—С; С—N; С—О (200-500)
Полярные функциональ­ные группы	—NHCO—; —NH2; — СООН
Жесткость макромоле­кул	Малая (сегмент Куна 1,7 нм)
Надмолекулярная структура	Аморфно-кристаллическая
Молекулярная ориентация	Большая

Волокнообразующие полимеры и волокна являются типичными представителями гетеродинамических структур, имею­щих два вида связей с различной энергией: межатомные — по­рядка 200—500 и межмолекулярные — порядка 4—40 кДж/моль. Степень гетеродинамичности зависит от структуры макромоле­кул и их упаковки в элементах надмолекулярной структуры. Она существенно различается в кристаллических и аморфных областях.

Важнейшими показателями волокнообразующих полимеров и волокон являются температуры основных фазовых и релакса­ционных переходов, зависящие от гибкости макромолекул и интенсивности межмолекулярных взаимодействий. Они опре­деляются уровнем молекулярной подвижности в различных областях надмолекулярной структуры и зависят в свою очередь от соотношения между их энергетическими характеристиками и интенсивностью теплового движения (величиной теплового запаса) в полимере.

Взаимосвязь структуры волокнообразующих полимеров, усло­вий получения волокон и их эксплуатации, условий испытаний и свойств волокон сложна. В общем виде она может быть охарактеризована следующей схемой [4]:

Рассматривая взаимосвязь структуры и свойств волокон, необходимо подчеркнуть определяющую роль молекулярной структуры, от которой зависят возможные условия получения волокон, формирования надмолекулярной и микроструктуры и достижения заданных свойств.

Особенностью большинства волокон является высокая анизо­тропия их физико-механических свойств, обусловленная анизотропией морфологии (линейной структурой макромолекул и их преимущественной ориентацией в направлении оси волокон) и гетеродинамичностью, определяемой различной плотностью энергии межатомных связей в макромолекулах и межмолеку­лярных связей между ними.

Наряду с общей структурной организацией на всех уровнях в формировании тех или иных свойств волокон большой вклад вносят характеристики дефектности и гетерогенности их струк­туры. Это особенно характерно для таких механических свойств, как прочность и деформация при разрушении.

Важную роль при изучении структуры и свойств волокон играют такие факторы, как температура, наличие в волокнах низкомолекулярных веществ, величина и продолжительность механических воздействий.

Для характеристики поведения волокон очень большое зна­чение имеет кинетика изменения структуры и свойств под влия­нием изменения внешних условий: температуры, окружающей среды, механических напряжений и других факторов. К кинети­ческим характеристикам волокон относятся скорость процессов структурных перестроек (например, вторичной кристаллизации), релаксации (например, усадки), сорбции низкомолекулярных веществ и др. Все эти процессы имеют термофлуктуационную природу и обычно протекают изотермически при уменьшающейся во времени движущей силе — внутренних напряжениях, разности концентраций и т.д. В пределе новое состояние волокна прибли­жается к равновесному. Если эти процессы протекают по одному механизму и не осложнены протеканием других процессов, ско­рость изменения соответствующей характеристики определя­ется зависимостью, близкой к экспоненциальной. Температурная зависимость скорости таких процессов также имеет экспонен­циальный характер.