Общие сведения о волокнах

Волокнами называют протяженные, тонкие, гибкие и прочные тела с очень малыми поперечными размерами. Волокна, используемые для выработки пряжи, из которой могут быть изготовлены ткани, трикотаж, швейные ткани, другие текстильные изделия, называются текстильными волокнами.

Одиночное волокно, которое не делится на более мелкие волокна, называется элементарным (хлопковое, шерстяное и др.). Волокно, которое состоит из нескольких элементарных волокон и может делиться на более мелкие волокна, называется техническим (волокна льна, пеньки и др.). Волокна, протяженность которых измеряется сотнями метров, называются текстильными нитями. Нити могут быть одиночные или элементарные (монокапрон) и комплексные или филаментные, состоящие из нескольких элементарных нитей (нити натурального и искусственного шелка). Короткие отрезки искусственных или синтетических нитей (35—150 мм) называют штапельными волокнами.

Классификация волокон

Текстильные волокна (нити) многообразны по своему происхождению, способу производства и химическому составу.

По происхождению или способу производства все волокна делятся на натуральные и химические. Если химические волокна получены из природных полимеров (целлюлоза, белок), их называют искусственными (вискозное, ацетатное и др.).

Если химические волокна получены из полимеров (поликапролактам, полиакрилонитрил и др.), созданных в результате синтеза простых веществ, их называют синтетическими (капрон, нитрон и др.).

По химическому составу все волокна можно разделить на волокна органические (хлопок, шерсть, капрон, лавсан и др.) и неорганические или минеральные (асбестовые, стеклянные, металлические). Современная классификация текстильных волокон в упрощенном виде.

Структура волокон

Молекулярная структура. По строению волокна представляют собой комплекс молекул, расположенных хаотично или ориентировано вдоль волокна. В зависимости от того, какой длины молекулы, как они расположены в волокне, свойства волокна будут различны.

Молекулы волокон обладают большой длиной, поэтому их принято называть макромолекулами. Их молекулярный вес может быть от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов. Величина молекулярного веса оказывает влияние на механические свойства волокон и вязкость расплава (раствора), из которых получают химические волокна. Так, с увеличением молекулярного веса волокон возрастает их прочность и увеличивается вязкость расплава (раствора).

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

Макромолекулы могут быть природные (целлюлоза хлопка, белок шерсти или натурального шелка) и синтетические (поликапролактам, полиэтилентерефталат, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полигексаметиленадипамид 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 за счет выделения каких-либо простых веществ (воды, спирта, аммиака, хлористого водорода и др.).

Примером полимеризации может служить получение поликапролактама (капрон), полиакрилонитрила (нитрон), поливинилхлорида (хлорин), а примером поликонденсации может служить получение полигексаметиленадипамида (анид).

Структура полимеров может быть линейной, разветвленной и сетчатой.

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

Если в образовании полимера участвуют два или более разных мономера (А + В) или (А + В + С), полученные макромолекулы называют сополимерами (винилхлорид+винилацетат; винилхлорид+акрилонитрил и др.). Чередование мономеров в макромолекуле может быть различным.

Если второй полимер образует боковые цепи, такой сополимер называют привитым. Изменяя процентное содержание разных мономеров или полимеров, получают волокна, обладающие иными свойствами.

Молекулы натуральных волокон ориентированы вдоль оси волокна. Однако расположение их в разных волокнах может быть неодинаковым. В хлопке макромолекулы целлюлозы линейной структуры частично расположены параллельно оси волокна, а значительная часть их расположена под различными углами к ней. Такие молекулы удерживаются одна около другой благодаря межмолекулярным силам, действующим в поперечном направлении. В шерсти макромолекулы кератина менее ориентированы и более изогнуты, что свидетельствует о меньшей прочности и большей растяжимости волокна. Макромолекулы белка шерсти представляют собой сложную сетчатую структуру, образованную из изогнутых главных цепей в виде спиралей (модификация а-кератина) и соединенных между собой боковыми дисульфидными (=S—S—), солевыми (—NH3+ООС—) и водородными ( = О…Н—) связями. При растяжении шерсти цепи макромолекул кератина распрямляются, вследствие чего проявляется упругое удлинение. Если растяжение вести при повышенной температуре (90° С) и увлажнении, происходит разрыв боковых цепей, которые затем образуются в новом положении, фиксируя распрямленное положение макромолекул (модификация а-кератина). При охлаждении шерсти это препятствует обратному сокращению.

У химических волокон расположение молекул может быть хаотичное, частично ориентированное и полностью ориентированное в зависимости от величины вытяжки волокна в период формования. Молекулы в волокне могут быть в распрямленном состоянии, изогнутом, спиральном или скрученном. Однако если молекула распрямлена, все же отдельные ее звенья или атомы располагаются под определенными углами, называемыми валентными углами. Поэтому даже волокна с распрямленными молекулами обладают способностью к некоторому удлинению.

Волокна, в которых молекулы расположены хаотично, обладают большой растяжимостью. Если такое волокно вытягивать, 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 этом достигается максимальная прочность данного волокна.

Однако межмолекулярные силы достигают максимальных значений лишь для линейных ориентированных макромолекул, обладающих большим числом сильнополярных групп (ОН, COOH, CONH, NH₂). Наличие же неполярных или слабополярных групп (СН₂, СН₃, СОО) понижает величину межмолекулярных сил.

Чем больше распрямлены макромолекулы и ориентированы в одном направлении, тем больше плотность их упаковки, больше прочность и упругость волокна и меньше его растяжимость. Поэтому особо прочные волокна получают в результате повышенной вытяжки их. Обычно ориентация молекул происходит пучками (комплексами) и не на всем их протяжении. Ориентированные участки пучков молекул называют кристаллами. Кристаллы в волокне чередуются с аморф            ми участками, где молекулы расположены хаотично. Вследствие большой длины макромолекулы она может проходить одновременно через ряд кристаллов и аморфных участков. Целлюлозные волокна имеют аморфное строение, хотя ряд ученых придерживаются мнения об аморфно-кристаллическом строении целлюлозы. —

Пучки макромолекул соединяются в более крупные формирования, называемые микрофибриллами, которые в свою очередь группируются в макрофибриллы, называемые обычно фибриллами. Фибриллы располагаются в волокне вдоль оси волокна или под небольшими углами. Между фибриллами образуется большое количество продольных трещин и пор разных размеров. Чем больше размеры трещин и пор у волокон, тем лучше их намокаемость 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 (кольцами роста), 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. Степень сплюснутости, извитости и размер канала в волокне зависят от степени его зрелости. Благодаря извитости волокна имеют хорошую цепкость, что дает возможность получать прочную пряжу. Наличие канала, заполненного воздухом, обусловливает невысокую теплопроводность хлопкового волокна, что дает возможность вырабатывать из него изделия с хорошими теплозащитными свойствами.

Элементарное волокно льна представляет собой длинную, тонкую и гладкую клетку с заостренными концами. В поперечном срезе элементарное волокно имеет вид многоугольника с четырьмя— шестью гранями с узким каналом посередине. При рассмотрении волокна под микроскопом наблюдаются характерные сдвиги и утолщения, что является результатом механических воздействий на волокно при мятье.

Внутреннее строение стенок у льняного волокна, как и у хлопкового, отличается слоистостью, с наклонно-спиральным расположением комплексов молекул целлюлозы. Для молекул целлюлозы льна характерна большая степень полимеризации, чем хлопка, что обусловливает большую прочность волокна. Более толстые стенки льняного волокна также свидетельствуют о его большей прочности по сравнению с хлопком. Благодаря наличию в волокне льна более узкого канала, заполненного воздухом, оно имеет большую теплопроводность по сравнению с хлопком.

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

Волокно шерсти состоит из слоев: чешуйчатого, коркового и сердцевинного. Чешуйчатый слой шерсти состоит из тонких роговидных пластинок различных размеров и формы. Он защищает корковый слой от вредных химических и физических воздействий, обусловливает в значительной степени валкоспособность и блеск шерсти.

Корковый слой шерсти состоит из веретенообразных клеток и определяет основные свойства волокна: прочность, растяжимость, упругость, гибкость и мягкость. В клетках коркового слоя содержится пигмент, который обусловливает естественную окраску волокна.

Сердцевинный слой шерсти состоит из рыхлых клеток, промежутки между которыми заполнены 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 др.

Элементарные нити натурального шелка представляют собой гладкие тонкие шелковинки значительной длины, с неодинаковым поперечным сечением по всей длине — нить из округлой с одного конца становится постепенно Лентовидной на другом конце.

Внутреннее строение элементарных шелковинок характеризуется наличием цепеобразных макромолекул фиброина, ориентированных вдоль оси волокна.

Химические волокна в отличие от натуральных имеют более простое строение. Они представляют собой тонкие прутки с относительно гладкой поверхностью и разнообразным поперечным сечением.

Волокна капрона, анида, лавсана, полипропилена и полинозные имеют круглую форму поперечного сечения и гладкую поверхность. Вследствие этого они обладают малой сцепляемостью. При эксплуатации изделий, изготовленных из штапельных волокон, отдельные волокна при незначительных натяжениях вытягиваются из пряжи и образуют на поверхности изделия петлистый ворс. Благодаря высокой прочности и значительной устойчивости к истиранию вытянутые петельки ворса не обрываются, а под действием трения в процессе носки изделия скатываются на его поверхности в шарики — образуется так называемый пиллинг.

Ткани, изготовленные из волокон с гладкой поверхностью, имеют нежелательный блеск; нити в них раздвигаются и осыпаются. Однако такие ткани мягки и приятны на ощупь.

Чтобы уменьшить блеск, производят матирование волокон двуокисью титана, но этот процесс ухудшает некоторые их свойства (прочность, светостойкость и др.). Снижение блеска волокон может быть достигнуто также обработкой их горячими растворами мыла, фенола, уксусной кислоты и т. п. В последнее время большое применение нашел метод получения профилированных волокон с поперечным сечением в виде звезды, прямоугольника, треугольника и др. Профилированные волокна по сравнению с обычными обладают меньшим, блеском, большой цепкостью, меньшей способностью к пиллингу и смещению, но более жестки на ощупь. Такие волокна имеют лучшую кроющую способность, определяющую застилистость тканей.

Вискозное, ацетатное, триацетатное, хлориновое и поливинилхлоридное волокна имеют неправильную форму поперечного сечения с изрезанными краями. Они также обладают значительным блеском, вследствие чего их часто выпускают матированными. Эти волокна также способны вытягиваться из пряжи на поверхность ткани и образовывать ворс, однако вследствие более низкой устойчивости к истиранию они при эксплуатации изделия быстро перетираются и отпадают.

У нитрона форма поперечного сечения напоминает контуры земляного ореха. Поверхность волокна гладкая, с приятным блеском.

С целью получения легкого и менее теплопроводного волокна в последнее время стали вырабатывать пустотелые синтетические волокна, которые получают в результате применения фильер с профилированными отверстиями. Такие волокна имеют большую кроющую способность.

Источник: «Технология тканевязного производства»
Л.С. Смирнов, Ю.И. Масленников, В.Ю. Яворский

Опубликовано: 2008-12-23 15:12:25