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.