§ 2. Структура волокон

Молекулярная структура. Волокна представляют собой ком­плекс молекул, расположенных хаотично или ориентированно вдоль волокна. Свойства волокна зависят от того, какова длина молекул и как они расположены в волокне.

Молекулы волокон обладают большой длиной, поэтому их принято называть макромолекулами. Их молекулярная масса может находиться в пределах от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов. Молекулярная масса оказывает влия­ние на механические свойства волокон и вязкость расплава (раствора), из которых получают химические волокна. Так, с увеличением молекулярной массы волокон возрастают их прочность и вязкость расплава.

Макромолекулы (полимеры) образуются из отдельных звеньев повторяющихся групп атомов (мономеров), число ко­торых называется степенью полимеризации (поликонденса­ции). Степень полимеризации может составлять величину от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч.

Макромолекулы бывают природные (целлюлоза хлопка, белок шерсти или натурального шелка) и синтетические (по- ликапролактам, полиэтилентерефталат, полиакрилонитрил, по- ливинилхлорид и др.).

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

Структура полимеров может быть линейной, разветвленной и сетчатой. Обозначив мономер буквой А, структуру макромо­лекулы можно изобразить в следующем виде:

Линейная структура —А—А—А—А—А—А—А—

Д-А-А- А—А—А-

I I

Разветвленная структура —А—А—А—А—-А—А—А—А—А—А—

I

А—А—А—Сетчатая структура : |

—А—А—А—А—А — А—А—

I I I I -А—А—А- А—А—А- А -

I I I —А—А—А—А—А—А—А—

I I I I

Полимеры с сетчатой структурой не растворяются и не пла­вятся, поэтому для производства волокон их не используют.

Если в образовании полимера участвуют два или более раз­ных мономера (А + В) или (A-fB+C), то полученные макро­молекулы называют сополимерами (випилхлорид-Ьвинилаце- тат; винилхлорид + акрилонитрил и др.). Чередование мономе­ров в макромолекуле может быть различным: —Л—В—А—В—А—В—А-В—А—В— -А-А-В-В-В—А-В-В— В-В-В-

_ А—А—А—А—А—А—А—Л— — Л-А-В—С—А—С—С—В—В—А-

I

В-В-В—

Если второй полимер сополимера образует боковые цепи, то такой сополимер называется привитым. Изменяя содержа­ние разных мономеров или полимеров, получают волокна, об­ладающие теми или иными свойствами.

Молекулы натуральных волокон ориентируются вдоль оси волокна, однако расположение их в разных. волокнах может быть различным. В хлопке макромолекулы целлюлозы линей­ной структуры частично расположены параллельно оси во­локна, а значительная часть их лежит под различными углами к этой оси. Такие молекулы удерживаются одна около другой благодаря межмолекулярным силам, действующим в попереч­ном направлении. В шерсти макромолекулы кератина менее ориентированы и более изогнуты, что обусловливает меньшую прочность и большую растяжимость волокна. Макромолекулы белка шерсти представляют собой сложную сетчатую струк­туру, образованную из изогнутых в виде спиралей главных це­пей (модификации а-кератипа) и соединенных между собой бо­ковыми дисульфидными (—S—S—), солевыми (—ЫНз+~ООС—) и водородными ( = 0.. .Н—) связями. При растяжении шерсти цепи макромолекул кератина распрямляются, вследствие чего боковые цепи разрываются, а затем при охлаждении образу­ются в новом положении, фиксируя распрямленное положение макромолекул (модификации p-кератина). Это препятствует обратному сокращению волокон после охлаждения шерсти.

На этом свойстве шерсти основан процесс оттягивания, по­средством которого швейному изделию придается определенная форма. Если первичная влажно-тепловая обработка ткани m шерстяного волокна была непродолжительной (не более

2 мин), то после такой же вторичной обработки в свободном состоянии волокно сокращается примерно до ²/з первоначаль­ной длины. Это явление называется сверхсокращепием шерсти.

У химических волокон расположение молекул может быть хаотичное, частично ориентированное и полностью ориентиро­ванное в зависимости от величины вытягивания волокна в пе­риод формования (рис. 2). Молекулы в волокне могут нахо­диться в распрямленном состоянии, изогнутом, спиральном,

скрученном. Однако если даже моле­кула и распрямлена, то все же отдель­ные ее звенья 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 большой растяжимостью. Если такое волокно вы­тягивать, то макромолекулы начнут сме­щаться и ориентироваться. При этом 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 такой структуре волокна достигается его мак­симальная прочность.

Однако межмолекулярные силы достигают максимальных значений лишь для линейных ориентированных макромолекул, обладающих большим числом сильиополярных групп (—ОН, —СООН, —CONH, —NH₂). Наличие же иеполярпых или сла­бополярных групп ( = 01-2, —СПз, —СОО—) снижает межмо- лекулярпые силы.

^ vf/Г/.

2. Расположение моле­кул в химическом во­локне:

а —■■ хаотичное; б — частично ориентированное; в — пол­ностью ориентированное

Чем в большей степени распрямлены макромолекулы и чем больше они ориентированы в одном направлении, тем больше плотность их упаковки, прочность и упругость волокна и тем меньше его растяжимость. Поэтому особо прочные волокна по­лучают путем их значительного вытягивания. Обычно ориен­тация молекул происходит пучками (комплексами) и не на всем их протяжении. Ориентированные участки пучков моле­кул имеют кристаллическое строение. Эти участки в волокне чередуются с аморфными участками, где молекулы располо­жены хаотично (рис. 3). Вследствие большой длины макромо­лекула может проходить одновременно через несколько кри­сталлических и аморфных участков. Целлюлозные волокна имеют аморфио-кристаллическое строение.

Пучки макромолекул соединяются в более крупные форми­рования, называемые микрофибриллами, которые в свою оче­редь группируются в макрофибриллы, называемые просто фиб­риллами. Фибриллы располагаются в волокне вдоль оси во­локна или под небольшими углами к ней. Между фибриллами образуется большое количество продольных трещин и пор раз­ных размеров. Чем больше размеры трещин и пор у волокон, тем выше их намокасмость и окрашиваемость (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, число которых достигает сорока.

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

Морфологическая структура. Волокно хлопка представляет собой сплюснутую извитую трубочку с каналом внутри. _{3< Схемы} расположения пучков мо- Степень сплюснутости, изви- лскул в волокне: ТОСТИ И размер канала в во- О —ориентированные пучки; б — цеориен- локне хлопка зависят ОТ сте- жированные пучки

пени его зрелости (рис. 4).

Извитость волокон обусловливает их хорошую цепкость, что дает возможность получения прочной пряжи. Наличие в хлопке канала, заполненного воздухом, обеспечивает его пониженную теплопроводность, что дает возможность выработать из него изделия с хорошими теплозащитными свойствами.

Элементарные волокна льна представляют собой длинную тонкую и гладкую клетку с заостренными концами. В попереч­ном срезе элементарные волокна имеют вид многоугольника с четырьмя—шестью гранями с узким каналом посередине (рис. 5). При рассмотрении волокон под микроскопом наблю­даются характерные сдвиги и утолщения, появляющиеся в ре­зультате механических воздействий на волокна при их пер­вичной обработке (мятье).

Внутреннее строение стенок льняного волокна, как и хлопка, характеризуется слоистостью, наклонно-спиральным располо­жением комплексов молекул целлюлозы. Строение молекул целлюлозы льна отличается большей степенью полимеризации,

чем хлопка, что обусловливает большую прочность волокна. Более толстые стенки волокна также свидетельствуют о его большей, чем у хлопка, прочности. Более узкий, чем у хлопка, канал объясняет его большую теплопроводность.

Замкнутое строение волокна препятствует прониканию внутрь красителя, что затрудняет окраску льняных тканей.

Волокно шерсти состоит из двух-трех слоев: чешуйчатого, коркового и сердцевинного (рис. 6). Чешуйчатый слой шерсти

4. Хлопковое волокно разных сте­пеней зрелости:

а — совершенно незрелое (мертвое); б —

недозрелое; в — зрелое; г — перезрелое

5. Строение элементарного волокна льна:

а — внешний вид: б — поперечное сечение; в — вид под микроскопом

состоит из тонких роговидных пластинок различных размеров и формы. Он защищает корковый слой от вредных химических и физических воздействий, в значительной степени обеспечи­вает валкоспособность и блеск шерсти.

Корковый слой шерсти состоит из веретенообразных клеток и определяет основные свойства волокна—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 свойства.

Элементарные нити натурального шелка представляют со­бой гладкие тонкие шелковинки значительной длины с неоди­наковым ио всей длине поперечным сечением — нить из округ-

6. Строение волокон шер­сти:

я — остевого; б — пухового; / — чешуйчатый слой; 2 — кор­ковый слой; 3 — сердцевинный слой

лой с одного конца становится постепенно лентовидной на дру­гом конце (рис. 7). Гладкой поверхностью нитей объясняются скольжение тканей, осыпаемость и раздвигаемость нитей в шелковых тканях, ослож­няющие их обработку в швей­ном производстве.

Внутреннее строение эле­ментарных шелковинок харак­теризуется наличием цепеоб- разных макромолекул фибро­ина, ориентированных вдоль оси волокна.

Химические волокна в от­личие от натуральных имеют более простое строение. Это тонкие прутки с относительно гладкой поверхностью и раз­нообразным поперечным сече­нием (рис. 8).

Волокна капрона, анида, лавсана, полипропилена и по- линозные имеют круглую

а

7. Строение шелка;

а — коконная нить; б — вареный шелк

волокон натурального

форму поперечного сечения и гладкую поверхность. Вследствие гладкой поверхности и малой цепкости волокон при эксплуата­ции изделий, выработанных из штапельных волокон, отдель­ные волокна при незначительных натяжениях вытягиваются из пряжи и образуют на поверхности изделия петлистый ворс.

Благодаря высокой прочности и значительной устойчивости во­локон к истиранию вытянутые петли ворса не обрываются, а под действием трения в процессе эксплуатации изделия ска­тываются на его поверхности в шарики, образуя т. н. пиллинг.

Гладкая поверхность синтетических волокон придает изде­лиям неприятный блеск, способствует раздвиганию и осыпае­мости нитей в тканях, но делает их приятными на ощупь.

8. Химические волок-на в продольном ви­де и в поперечном разрезе:

ш

F1

tea

№ д

оо

а

<ъ ^J ж

а — вискозное глянце­вое; б — вискозное ма­тированное; в — аце­татное и триацетатное; г — полииозиое, поли­амидное. полиэфирное, гюлнуретановое; д — нитрон; е — хлориновое и полнвинилхлоридное; ж — ни по

л

Для уменьшения блеска волокон производят их матирова­ние двуокисью титана, но это ухудшает прочность, светостой­кость и другие свойства. Снижение блеска волокон может быть достигнуто также обработкой горячими растворами мыла, фе­нола, уксусной кислоты и др. Все большее применение находит метод получения профилированных волокон с поперечным се­чением в виде звезды, прямоугольника, треугольника и др.

9. Формы профилированных отверстий фильер (а) и формы поперечного среза профилированных волокон (б)

о

V

0 ф ф О

#

S

(рис. 9). Профилированные волокна обладают пониженным по сравнению с обычными блеском, большей цепкостью, они уменьшают пиллинг и смещение нитей в ткани, но более жестки на ощупь. Такие волокна имеют лучшую кроющую способность, определяющую заетилистость тканей. Цепкость штапельных волокон может быть повышена также путем придания им из­витости.

Извитость волокон обусловливает также повышенную эла­стичность и объемность изделий.

Вискозное, ацетатное, триацетатное, хлориновое и поливи- нилхлоридное волокна имеют неправильную форму попереч­ного сечения с изрезанными в разной степени краями. Волокна, обладающие значительным блеском, часто выпускают матиро­ванными. Эти волокна также могут вытягиваться из пряжи на поверхность и образовывать ворс, но из-за более низкой устой

-

чивости к истиранию он при эксплуатации изделия перетира­ется и отпадает.

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

ф 0 ф о

Для получения легкого и малотеплопроводного волокна стали вырабатывать пустотелые синтетические волокна, кото-

10. Формы профилиро­ванных отверстий филь­ер (а) и формы попе­речного среза полых во- -о/ (QD) (о^ио) gg ⁵ локон (б)

рые получаются путем применения фильер с профилирован­ными отверстиями (рис. 10). Такие волокна имеют большую кроющую способность и лучшие упругие свойства.