Установочная лекция по дисциплине «Химико-технологические свойства материалов» (контрольная работа запрашивается на сайте библиотеки РГППУ) Основными структурными элементами всех текстильных материалов (тканей, трикотажных и нетканых полотен, лент, тесьм, кружев и др.) являются текстильные волокна и нити. Текстильное волокно, или просто волокно, — это протяженное, гибкое и прочное тело с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи и текстильных изделий. Текстильная нить отличается от волокна значительной длиной, насчитывающей несколько десятков и сотен метров. Элементарные волокна и нити не делятся в продольном направлении без разрушения. Комплексные волокна (нити) состоят из продольно скрепленных элементарных волокон (нитей). Общие сведения о строении волокнообразующих полимеров Большинство текстильных волокон и нитей состоит из высокомолекулярных соединений — полимеров. Полимеры – природные и синтетические соединения, структурным элементом которых является макромолекула, состоящая из большого числа повторяющихся элементарных звеньев, соединенных между собой химическими связями. Число звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации и колеблется от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. В связи с этим полимеры имеют большую молекулярную массу, превышающую 10 3 кислородных единиц и доходящую порой до 106-107 кислородных единиц. Таким образом ВОП являются смесями молекул с разной степенью полимеризации. Эта их особенность называется полидиспертностью. На свойства волокон и нитей влияют многие характеристики строения и свойств волокнообразующих полимеров: структура макромолекул, надмолекулярная структура и др. К характеристикам молекулярной структуры относятся химическое строение, молекулярная масса, полидисперстность и форма макромалекул. Макромолекулы волокнообразующих полимеров различаются не только по химическому составу, но и по строению (рис. 1). В большинстве случаев они сильно вытянуты по длине, которая во много раз превышает их поперечник. Структуры подобных макромолекул носят название линейных, или цепных. Некоторые виды полимеров имеют макромолекулы с боковыми ответвлениями различной длины и сложности. В составе макромолекул могут быть звенья различных полимеров, находящиеся в основной цепи или в боковых цепях. 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 обусловливается 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 макромолекул и межмолекулярных связей. Энергия межмолекулярных связей значительно слабее энергии внутримолекулярных химических связей, в результате чего основной особенностью строения полимерных соединений является наличие линейных цепных макромолекул с относительно слабым межмолекулярным взаимодействием. Суммарная величина энергии межмолекулярных связей зависит от химического состава, длины макромолекул, их взаимного расположения. Межмолекулярное взаимодействие тем больше, чем длиннее и распрямленное 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 области, чередующиеся вдоль оси микрофибриллы. Переход от кристаллической области к аморфной происходит постепенно через ряд промежуточных форм упорядоченности. Характер чередования, размеры и степень упорядоченности областей в микрофибриллах зависят от вида полимера и условий его получения. Длинные цепные макромолекулы могут проходить через несколько кристаллических и аморфных областей микрофибриллы и даже переходить из одной микрофибриллы в другую, соседнюю, прочно соединяя их в структуре фибриллы. В настоящее время известно несколько вариантов надмолекулярной структуры микрофибрилл, характерных для полимеров различной химической природы (рис. 2). Структурные элементы не полностью заполняют объем полимера, 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 пм (10-12 – пикаметр); радиусы пор, появившихся из-за неплотной упаковки микрофибрилл, колеблются в пределах 3—5 пм, а радиусы пор между крупными элементами структуры — фибриллами достигают 10—15 пм. Возможны и более крупные образования (пустоты, поры, трещины), связанные с морфологическими особенностями строения волокон. Пористостью структуры определяется ряд физико-механических свойств волокон, их прочность, способность к сорбированию влаги, набуханию, окрашиванию и т. д. Рис. 1. Схемы структур макромолекул: линейная с прямой цепью (1), линейная с зигзагообразной цепью (2), линейная циклоцепная (3), разветвленная с короткими ответвлениями (4), разветвленная с длинными ответвлениями (5), лестничная (6), плоская (7), блочная линейная (блоксополимер) (8), разветвленная с привитыми блоками (9), сетчатая (трехмерное «сшивание») (10). Рис. 2. Схемы структур микрофибрилл: 1 — модель Громова — Слуцкера идеально кристаллической структуры; 2 — модель Хоземана—Бонара для кристаллизующихся полимеров с гибкими цепями; 3 — модель для фибриллярных белков (макромолекулы в α-форме); 4 — то же (макромолекулы в β-форме); 5 — модель для аморфно-ориентированного волокна; 6 — модель бахромчатой фибриллы Хирла для жесткоцепных полимеров; 7 — модель Гесса. Для изготовления текстильных материалов используется большое количество волокон и нитей, различающихся по химическому составу, строению и свойствам. Вид текстильного волокна, его свойства — это важнейшие факторы, определяющие основные физико-механические свойства, внешний вид, износостойкость текстильных материалов и влияющие на параметры технологического процесса изготовления швейных изделий из этих материалов, а так же на качество готовых изделий. Основные характеристики свойств волокон и нитей Свойство — объективная особенность продукции, которая проявляется при её создании, эксплуатации или потреблении. Различают качественные и количественные характеристики (признаки) свойств продукции, имеющие размерность. Показатель (параметр) — это количественное (численное) выражение характеристики свойств продукции. Геометрическими свойствами волокон и нитей являются размеры и форма, которые имеют соответствующие характеристики. Длина волокна L, мм, — расстояние между концами распрямленного волокна. Непосредственное измерение толщины волокон и нитей затруднено, так как формы их поперечного сечения весьма разнообразны. Поэтому толщину волокон и нитей характеризуют косвенными величинами. Такими как линейная плотность Т, текс, выражается массой единицы длины волокна или нити и определяется по формуле: Т = m/L, где m — масса волокна или нити, г; L — длина волокна или нити, км. Линейная плотность — основная стандартная характеристика толщины волокон и нитей. Площадь поперечного сечения S, мм2, также является характеристикой толщины волокна или нити, она рассчитывается по формуле: S= 0,001*Т/γ, где γ — плотность вещества волокна, мг/мм3. Если принять поперечное сечение волокна или нити близким к круглой форме, можно определить их условный диаметр dycл, мм. dусл= 0,0357* Продольная форма волокна или нити характеризуется извитостью — числом извитков на 1 см их длины, подсчитанным при натяжении, соответствующем массе 10 м волокна или нити. Механические свойства волокон и нитей проявляются при приложении внешних сил, среди которых растягивающие и изгибающие силы имеют наибольшее значение. При приложении растягивающей нагрузки до полного разрушения волокон или нитей определяют их следующие характеристики. Разрывная нагрузка Pр, сН, — наибольшее усилие, испытываемое волокном или нитью к моменту их разрыва. Разрывное напряжение σр, МПа, характеризует разрывную нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения; оно определяется по формуле: σр = 0,01*Рр *1/S Относительная разрывная нагрузка Ро, сН/текс, характеризует разрывную нагрузку, приходящуюся на единицу толщины Ро = Рр / T При приложении растягивающей нагрузки волокно или нить деформируется, изменяя свои продольные размеры. Деформация оценивается следующими характеристиками: Абсолютное разрывное удлинение lр, мм, показывает увеличение длины волокна или нити к моменту разрыва. lр = Lp – L0 где Lp — длина образца к моменту разрыва, мм; L0 — начальная длина образца волокна или нити, мм. Относительное разрывное удлинение ε,%, показывает, какую часть от первоначальной длины образца составляет его абсолютное удлинение к моменту разрыва. εр = 100*lр /L0 При приложении растягивающих усилий меньше разрывных и последующей разгрузке и отдыхе определяют полную деформацию и её составные части (компоненты). Полная деформация ε, %, — деформация, которую приобретает волокно или нить к концу периода нагружения. Упругая деформация εу, %, представляет собой часть полной деформации, которая практически мгновенно (за десятитысячные доли секунды) исчезает при прекращении действия внешней силы. Она является следствием небольших изменений средних расстояний между звеньями и атомами макромолекул при сохранении связей между ними. Эластическая деформация εэ, %, — часть полной деформации, которая возникает при нагружении и исчезает после разгрузки постепенно.Она связана с перегруппировкой макромолекул, что, как известно, протекает во времени с различной скоростью. Пластическая деформация εп, %, — неисчезающая часть полной деформации; она обусловлена необратимыми смещениями структурных элементов волокон и нитей и отдельных макромолекул, а также возможным разрывом макромолекул при действии внешних сил. Упругая деформация и часть эластической деформации с очень высокой скоростью проявления составляют быстрообратимую компоненту полной деформации, пластическая деформация и часть эластической с очень малой скоростью исчезновения — остаточную деформацию, остальная часть эластической деформации образует медленнообратимую часть. Упругая и эластическая деформации образуют обратимую часть полной деформации, пластическая деформация — необратимую. Эластичность волокна или нити показывает, какую долю в полной деформации составляет ее обратимая часть; чаще всего она выражается в процентах. К основным физическим свойствам волокон и нитей относятся гигроскопические, термические, оптические, устойчивость к светопогоде и др. Гигроскопические свойства — это способность волокон и нитей к поглощению влаги — оцениваются фактической, кондиционной, максимальной влажностью и другими характеристиками. Фактическая влажность Wф, %, показывает, какую часть от массы сухого волокна составляет влага, содержащаяся в нем при данных атмосферных условиях. Wф = 100 (m - mc)/ mc где m и mc — соответственно масса волокна, г, до и после высушивания до постоянной массы. Кондиционная влажность Wк — это влажность волокна или нити при нормальных атмосферных условиях (температуре воздуха 20°С и относительной влажности воздуха 65 %). Максимальная влажность W100 — это влажность волокна или нити при относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 °С. Термические свойства волокон и нитей характеризуют их поведение при изменении температуры. Они оцениваются по изменению механических свойств волокон и нитей: их прочности и деформации. Теплостойкость — это максимальная температура нагрева, при которой наблюдаются обратимые изменения механических свойств волокон и нитей; с понижением температуры эти изменения исчезают. Термостойкость характеризует проявление необратимых изменений прочности и удлинения волокон и нитей при их нагревании. Устойчивость к светопогоде характеризует способность волокон и нитей сопротивляться разрушающему действию света, кислорода воздуха, влаги и тепла. Обычно она оценивается по изменению основных механических свойств (прочности, удлинения, выносливости при многократном изгибе и др.) после длительного воздействия всех факторов светопогоды. Химические свойства волокон и нитей определяются их устойчивостью к действию кислот, щелочей и различных химических реагентов, которые используются при производстве текстильных материалов (например, в процессе отделки) и при их эксплуатации (стирка, химчистка). Контрольные вопросы: 1. Что такое текстильное волокно? Текстильная нить? 2. Геометрические свойства волокон и нитей, их характеристики. 3. Механические свойства волокон и нитей, их характеристики. 4. Физические свойства волокон и нитей, их характеристики. 5. Строение волокнообразующих полимеров, схемы структур макромалекул. 6. Строение волокнообразующих полимеров, схемы структур микрофибрилл.