Вопрос 3. Волокна. Классификация волокон. Виды волокнообразующих полимеров
Волокна и нити. Классификация волокон и нитей.
Элементарное волокно и нити - не делятся в продольном направлении без разрушения.
Текстильное волокно - протяженное, гибкое и прочное тело с малым поперечным сечением, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи.
Текстильная нить - протяженное, гибкое и прочное тело с малым поперечным сечением, значительной длины, насчитывающей несколько десятков и сотен метров.
Из текстильных волокон изготавливают в процессе прядения пряжу, а из текстильной нити комплексные нити.
Классификация текстильных волокон и нитей. По происхождению текстильные волокна делятся на натуральные и химические.
К натуральным относятся волокна, формируемые в природе без участия человека, и состоящие из (гетероцепных) природных высокомолекулярных. Делятся на растительные волокна и волокна животного происхождения.
Химические волокна и нити делятся на искусственные и синтетические.
Искусственные волокна и нити получают из высокомолекулярных соединений растительного и животного происхождения, путем их химической переработки.
Синтетические волокна изготавливают из высокомолекулярных соединений, полученных реакций поликонденсации (гетероцепные) или полимеризации (карбоцепные).
Текстильные волокна имеют сложное строение, которое складывается из молекулярной, надмолекулярной и морфологической структуры. Большинство текстильных волокон состоит из ВМС — полимеров.Волокнообразующие полимеры, пригодные для создания текстильных волокон, имеют определенные особенности строения и свойств.
Макромолекулы волокнообразующего полимера представляют собой длинные гибкие образования, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев, соединенных между собой химическими связями. Число звеньев, называемое степенью полимеризации, в макромолекулах колеблется в широких пределах — от нескольких сотен до десятков тысяч. Длина макромолекул в сотни и тысячи раз превышает их поперечные размеры. В пределах одного полимера макромолекулы имеют довольно широкий диапазон колебаний по длине.
Макромолекулы волокнообразующих полимеров различаются не только по химическому составу, но и по строению. Структура макромолекул отличается по виду звеньев и порядку их расположения. В линейных или цепных полимерах звенья одного вида расположены по длине макромолекулы. В линейных сополимерах имеет место регулярное, нерегулярное, блочное чередования звеньев двух или более видов. Некоторые виды полимеров имеют макромолекулы с боковыми ответвлениями различной длины и сложности. Если между соседними макромолекулами возникают химические связи, образуется трехмерная сетчатая структура.
Отдельные группы и звенья макромолекул могут поворачиваться относительно друг друга. Степень подвижности звеньев макромолекул определяется их химическим составом, структурой, наличием функциональных групп и т.д. Подвижность придает макромолекулам гибкость, способность принимать различную форму расположения в пространстве. В зависимости от внешних воздействий, например тепловых, силовых, форма расположения макромолекул может меняться. Гибкостью макромолекул во многом определяется весь комплекс свойств полимера.
Макромолекулы в полимере не существуют изолированно, они находятся во взаимодействии с соседними макромолекулами. Характерная особенность высокомолекулярных соединений — резкое различие в характере связей вдоль цепи макромолекулы и межмолекулярных связей. Энергия межмолекулярных связей (водородных, солевых, химических, сил Ван-дер-Ваальса) значительно слабее энергии внутримолекулярных химических связей. В определенных условиях при воздействии влаги, тепла, усилий межмолекулярные связи могут ослабевать, даже разрушаться и восстанавливаться вновь. Их вид, количество, суммарная энергия зависят от химического состава, длины и взаимного расположения макромолекул. Межмолекулярное взаимодействие тем больше, чем длиннее и распрямленнее макромолекулы.
Волокнообразующие полимеры по своей надмолекулярной структуре относятся к фибриллярным соединениям. Согласно современным представлениям развернутые макромолекулы благодаря действию межмолекулярных сил объединяются в линейные пачки, в которых они располагаются последовательно-параллельно относительно друг друга. Отдельные пачки и пучки макромолекул образуют микрофибриллы, на основе которых формируются более крупные агрегаты надмолекулярной структуры — фибриллы. Для микрофибрилл характерны небольшие поперечные размеры, равные нескольким межмолекулярным расстояниям, и длина, превышающая длину макромолекул. Микрофибриллы по своему строению неоднородны и имеют кристаллические и аморфные участки, чередующиеся вдоль оси микрофибриллы. Переход от кристаллической области к аморфной происходит постепенно через ряд промежуточных форм упорядоченности. Соотношение кристаллических и аморфных областей в полимере характеризуется степенью кристалличности. Характер чередования, размеры и степень упорядоченности областей в микрофибриллах зависят от вида полимера и условий его получения. Длинные цепные макромолекулы могут проходить через ряд кристаллических и аморфных областей и даже переходить из одной микрофибриллы в другую, соседнюю, прочно соединяя их в структуре фибриллы. Известно несколько вариантов надмолекулярной структуры микрофибрилл, характерных для полимеров различной химической природы.
Морфологическая структура, или микроструктура, текстильных волокон представляет собой более низкий уровень и включает в себя внешнюю и внутреннюю структуру. К внешней структуре относятся толщина, длина, форма поперечного сечения, извитость, характер поверхности; к внутренней структуре — слоистость, пористость, наличие каналов или сердцевины, комбинация различных полимеров. Наиболее сложной морфологической структурой обладают природные волокна, например шерсть. В последние годы среди химических волокон все чаще появляются волокна со сложной морфологической структурой (полые, слоистые, комбинированные).
Структурные элементы не полностью заполняют объем волокна, между ними располагаются микропустоты, поры. Причины возникновения и размеры пор могут быть различными. Поры, возникшие из-за неплотного расположения макромолекул, имеют радиусы порядка 1 — 2 нм; радиусы пор, появившиеся из-за неплотной упаковки микрофибрилл, колеблются в пределах 3 — 5 нм, а радиусы пор между крупными элементами структуры — фибриллами — достигают 10—15 нм. Возможны и более крупные образования (пустоты, поры, трещины, каналы), связанные с морфологическими особенностями строения волокон. Пористостью структуры определяется ряд физико-механических свойств волокон, их прочность, способность к поглощению жидкостей, набуханию, окрашиванию и т. д.