|
Глава I.
СТРОЕНИЕ ВОЛОКОН И НИТЕЙ
1. СТРОЕНИЕ ВОЛОКОН И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ НИТЕЙ
Текстильные волокна (элементарные нити) имеют сложное физическое строение и большинство из них — высокую молекулярную массу.
Для текстильных волокон типична фибриллярная структура. Фибриллы — это объединения микрофибрилл ориентированных надмолекулярных соединений. Микрофибриллы представляют собой молекулярные комплексы, поперечное сечение их меньше 10 нм. Удерживаются они друг около друга межмолекулярными силами, а также вследствие перехода отдельных молекул из комплекса в комплекс. Переход молекул из одной микрофибриллы в другую зависит от их длины. Полагают, что длина микрофибрилл на порядок выше поперечника [1]. Микрофибриллы и фибриллы некоторых волокон показаны па рис. I. 1.
Связи между фибриллами осуществляются в основном силами межмолекулярного взаимодействия, они значительно слабее микрофибриллярных. Между фибриллами имеется большое число продольных полостей, пор. Фибриллы располагаются в волокнах вдоль оси или под сравнительно небольшим углом. Лишь в некоторых волокнах расположение фибрилл имеет случайный, неправильный характер, однако и в этом случае их общая ориентация в направлении оси сохраняется. Фибриллы и микрофибриллы видны под микроскопом при увеличении 1500 раз и более.
Свойства волокон определяются не только надмолекулярной структурой, но и более низкими ее уровнями. Взаимосвязь структуры волокон па разных уровнях с их свойствами изучены еще недостаточно [1, 2]. Строение волокнообразующих полимеров, волокон и его взаимосвязь со свойствами рассмотрены в работе [3]. Дальнейшее накопление данных о взаимосвязи структуры и свойств позволит решить важнейшую проблему о рациональном использовании волокон и изменении их структуры с тем, чтобы добиться управления процессом получения волокон с необходимым комплексом свойств.
Характеристика строения некоторых основных волокнообразующих полимеров приведена в табл. I. 1.
Химический состав волокон и некоторые другие характеристики строения волокон приведены в учебнике [1]. Поэтому в данном учебнике сведения о строении волокон сокращены, описываются только его особенности (морфологические и др.).
Хлопковые волокна (рис. 1.2). Хлопковое волокно полое, имеет канал is месте отрыва от семени. Другой, заостренный, конец канала не имеет. Морфология различных волокон даже с одной летучки, существенно отличается. Например, канал зрелых и перезрелых волокон узкий, а форма поперечного среза изменяется от бобовидной у зрелых волокон до эллипсовидной и почти круглой у перезрелых волокон и сплющенной лентовидной у незрелых.
Волокно скручено вокруг своей продольной оси. Наибольшая извитость у зрелых волокон; у незрелых и перезрелых волокон она небольшая, малозаметная. Это связано с формой и взаимным расположением элементов надмолекулярной структуры волокна. Степка волокна имеет слоистое строение. Наружный слой толщиной менее 1 мкм называется первичной стенкой. Она состоит из сетки, образуемой редко расположенными и перекрещивающимися под большим углом целлюлозными фибриллами, пространство между которыми заполнено спутниками целлюлозы. Содержание целлюлозы в первичной стенке составляет, по имеющимся данным, несколько больше половины ее массы.
Наружная поверхность первичной стенки состоит из восковопектинового слоя.
В первичной стенке волокон некоторые исследователи различают два слоя, в которых фибриллы располагаются под разными углами. Вторичная основная стенка волокна достигает по толщине у зрелого волокна 6 — 8 мкм. Она состоит из пучков фибрилл, расположенных по винтовым линиям, поднимающимся под углом 20 — 45° к оси волокна. Направление винтовой липни меняется от Z до S.
Табл. I. 1. Характеристика строения волокнообразующих полимеров [3]
Различные волокна имеют различные углы наклона фибрилл. У топких волокон углы наклона фибрилл малы. Наполнителем между пучками фибрилл являются спутники целлюлозы.
Пучки фибрилл располагаются концентрическими слоями (рис. 1.3), которые хорошо видны в поперечном срезе волокна. Их число достигает сорока, что соответствует дням отложения целлюлозы. Отмечается также наличие третичной, соприкасающейся с каналом части вторичной стенки. Эта часть отличается большой уплотненностью. Кроме того, в этом слое промежутки между целлюлозными фибриллами заполнены белковыми веществами и протоплазмой, состоящей из белковых веществ, простых углеводов, из которых синтезируется целлюлоза и др.
Целлюлоза хлопковых волокон имеет аморфно-кристаллическое строение. Степень ее кристалличности составляет 0,6 — 0,8, а плотность кристаллитов достигает 1,56 — 1,64 г/см3 (табл. 1.2).
Лубяные волокна (рис. 1.4). Получаемые с лубяных растений технические волокна представляют собой комплексы склеенных пектиновыми веществами элементарных волокон. Отдельные элементарные волокна — растительные клетки трубчатого строения. Однако в отличие от хлопкового волокна у лубяного оба конца закрыты. Лубяные волокна имеют первичные, вторичные и третичные стенки.
Поперечное сечение льняного волокна — неправильный многоугольник с узким каналом. Капал грубых волокон близок к овальной форме, он шире и слегка сплюснут. Особенностью морфологии льняных волокон является наличие сдвигов продольных штрихов поперек волокна, представляющих собой следы изломов или изгибов волокон в период роста, при механической обработке. Канал имеет постоянную ширину. Первичная стенка льняных волокон состоит из фибрилл, расположенных по винтовой линии направления S с наклоном 8 — -12° к продольной оси. Фибриллы во вторичной стенке расположены по винтовой линии направления Z. Угол их подъема в наружных слоях такой же, как и в первичной стенке, по постепенно уменьшается, достигая иногда 0°, при этом направление спиралей меняется на противоположное. Пектиновые вещества между фибриллами располагаются неравномерно, их содержание увеличивается в направлении к каналу.
Элементарное волокно пеньки, получаемой из конопли, имеет тупые или раздвоенные концы, канал волокон сплюснут и значительно шире, чем у льна. Сдвиги на волокнах пеньки выражены более резко, чем на льняном волокне, и волокно в этом
месте имеет изгиб. Пучки фибрилл в первичной и вторичной стенках располагаются по винтовой линии направления Z, но угол наклона фибрилл уменьшается с 20 — 35° в наружном слое до 2 — 3° во внутреннем. Наибольшее количество пектиновых веществ содержится в первичной стенке и наружных слоях вторичной.
Элементарные волокна джута, кенафа имеют закругленный конец, толстые стенки, неправильную форму поперечного сечения: с отдельными гранями и каналом, который то сужается до нитевидного, то резко расширяется.
Технические волокна джута, кенафа — это жестко склеенные комплексы волокон с высоким содержанием лигнина.
Волокна рами в стеблях растений формируются как отдельные элементарные волокна без образования пучков технического волокна. На волокнах рами заметны резкие сдвиги, продольные трещины. Фибриллы целлюлозы в первичной и вторичной стенках рами располагаются но наклонной линии направления S. Угол наклона в первичной стенке доходит до 12°, во вторичной — изменяется с 10 — 9° в наружных до 0° во внутренних слоях.
Листовые волокна (абака, сизаль и формиум) — комплексные, в них короткие элементарные волокна жестко склеены в пучки. Строение элементарных волокон подобно грубостебельным лубяным волокнам. Форма сечения овальная, канал широкий, особенно у абаки — манильской пеньки.
Химическое строение лубяных волокон разных видов близко к химическому строению хлопкового волокна. Они состоят из а-целлюлозы, содержание которой колеблется от 80,5 % у льна до 71,5 % У джута и 70,4 % У абаки. В волокнах высокое содержание лигнина (более 5%), имеются также жиры, воски, зольные вещества. Лубяные волокна обладают самой высокой степенью полимеризации целлюлозы (для льна она достигает 30000 и более).
Шерстяные волокна. Шерстяными являются волокна волосяного покрова овец, коз, верблюдов и других животных. Основным волокном является овечья шерсть (ее доля составляет почти 98%). В овечьей шерсти встречаются пух, переходный волос, ость, грубая ость или мертвый волос (рис. 1.5).
Волокна пуха состоят из наружного слоя — чешуйчатого и внутреннего — коркового (кортекс). Сечение пуха круглое. У переходного волоса есть еще третий слой — сердцевинный (ме-дулла), прерывающийся по длине волокна. В ости и мертвом волосе этот слой располагается по всей длине волокна.
В мертвом волосе или грубой ости сердцевинный слой занимает большую часть площади поперечного сечения. Рыхлый сердцевинный слой заполнен пластинчатыми клетками, расположенными перпендикулярно к веретенообразным клеткам коркового слоя. Между клетками имеются промежутки, заполненные воздухом (вакуоли), жировыми веществами, пигментом. Поперечное сечение ости и мертвого волоса неправильной овальной формы.
Шерстяные волокна имеют волнообразную извитость, характеризуемую числом извитков на единицу длины (1 см) и формой извитости. Тонкая шерсть имеет 4 — 12 и более извитков на 1 см длины, грубая шерсть извита мало. По форме или характеру извитости различают шерсть слабой, нормальной извитости и сильно извитую. При слабой извитости волокна имеют гладкую, растянутую и плоскую форму извитков (рис. 1.6). При нормальной извитости волокон извитки имеют форму полуокружности. Волокна сильно извитой шерсти имеют сжатую, высокую и петлистую форму извитков.
Чешуйки ости и мертвого волоса напоминают черепицу. Их на окружности волокна несколько. Толщина чешуек около 1 мкм, длина различна — от 4 до 25 мкм в зависимости от вида шерсти (на 1 мм длины волокон от 40 до 250 чешуек). Установлено, что чешуйки имеют три слоя — эпикутикула, экзокутикула и эндокутикула. Эпикутикула тонка (5 — 25 нм), устойчива к хлору, концентрированным кислотам и другим реактивам. В пес входят хитин, воски и др. Экзокутикула состоит из белковых соединений и эндокутикула — основной слой чешуйки — из модифицированных белковых веществ, обладает высокой хемостойкостыо.
Корковый слой волокон состоит из веретенообразных кдеток — надмолекулярных образований из фибрилл белка
кератина, промежутки между которыми заполнены ну-клепротеидом, пигментом. Веретенообразные клетки (рис. 1.7, а) — крупные надмолекулярные образования с заостренными концами, их длина до 90 мкм, размер поперечного сечения до 4 — 6 мкм. В кератине коркового слоя могут встречаться паракортекс и ортокортекс. Паракортекс по сравнению с ортокортексом содержит больше цисгина, он тверже, более стоек к воздействию щелочи. В топком пуховом волокне паракортекс располагается с наружной стороны, а ортокортекс — с внутренней. Однако козий пух однодольный и состоит только из ор-токортекса, человеческий волос — только из паракортекса.
Фибриллы (рис. 1.7,6) состоят из микрофибрилл кератина, который относится к протеинам. Макромолекулы протеинов слагаются из остатков а-амипокислот. Макромолекулы кератина шерсти разветвленные, так как радикалы ряда аминокислот представляют небольшие боковые цени. Возможно содержание в цепи макромолекул циклических группировок [1].
Макромолекулы в волокнах в обычном состоянии сильно изогнуты и скручены (а-спираль), однако протяженность макромолекул значительно (в сотни и даже тысячи раз) превышает ее поперечные размеры, у которых они менее 1 нм.
Молекулы кератина из-за наличия в них остатков аминокислот, содержащих различные радикалы, взаимодействуют между собой благодаря различным силам: межмолекулярным (силам Ван-дер-Ваальса), водородным, солевым (ионным) и даже валентным химическим связям. Подробно об этом сказано в учебнике [1].
Шерсть других животных (рис. 1.8 и 1.9). Козья шерсть состоит из пуха и грубой ости. В верблюжьей шерсти также встречаются пух и ость. В шерсти кроликов встречаются тонкие пуховые волокна, по более грубые, типа переходных и остевых.
Оленья, конская и коровья шерсть состоит в основном из грубых остевых волокон.
Шелковые волокна. Первичным шелковым волокном является коконная нить (рис. I. 10), выделяемая гусеницей бабочки-шелкопряда при завивке кокона. Коконная нить--это две шелковины из белка фиброина, склеенные низкомолекулярным белком сериципа. Шелковины неравномерны по поперечному сечению. Фибриллы фиброина располагаются вдоль оси шелковины, их длина до 250 нм, ширина до 100 им. Микрофибриллы состоят из белка фиброина, их поперечное сечение порядка 10 нм. Конфигурация цепи фиброина шелка — пологая спираль (см. табл. I. 1).
Асбест (рис. 1.11). Волокна асбеста — кристаллы природных водосодержащих магниевых силикатов (солей кремниевых кислот). Иглоподобные тончайшие кристаллиты асбеста, объединенные в более крупные агрегаты силами межмолскулярного взаимодействия, имеют вытянутую форму и обладают свойствами волокон. Элементарные волокна асбеста объединены в комплексы (технические волокна).
Химические волокна (рис. I. 12). Химические волокна весьма разнообразны по своему химическому составу и строению (см. табл. I. 1).
Из природных полимеров наибольшее распространение получили вискозные, ацетатные, триацетатные волокна и нити.
Вискозные волокна — группа одинаковых по химическому составу (из гидратцеллюлозы) волокон и нитей, но существенно отличающихся по строению и свойствам. В обычных вискозных волокнах степень полимеризации целлюлозы (до 200) значительно меньше, чем в хлопковых волокнах. Отличие также состоит в пространственном расположении элементарного звена целлюлозы. В гидратцеллюлозе глюкозные остатки повернуты друг к другу на 90°, а не на 180°, как это имеет место в целлюлозе хлопка, что оказывает существенное влияние на свойства волокон. Например, гидратцеллюлозные волокна сильнее поглощают разные вещества и глубже окрашиваются. Структура вискозных волокон аморфно-кристаллическая. Обычные вискозные волокна отличаются также неоднородностью, заключающейся в разной степени ориентации фибрилл и микрофибрилл. Микрофибриллы в наружном слое ориентированы в продольном направлении, тогда как во внутреннем слое степень ориентации их очень низкая.
При получении (формовании) волокон происходит их неодновременное затвердевание по толщине. В начале затвердевает наружный слой, под действием атмосферного давления стенки стягиваются внутрь, отчего поперечное сечение становится извилистым. Эти извилины (полосы) заметны на продольном виде волокон. Могут быть получены полые волокна или С-образного строения; первые формуются при продувке воздуха через раствор, вторые — при применении специальных фильер.
Кроме того, вискозные волокна матируют двуокисью титана (ТЮ2), вследствие чего частицы порошка, оказавшиеся на поверхности волокон, рассеивают лучи света и блеск уменьшается.
Вискозные высокомодулыгые (ВВМ) и особенно полииозные волокна отличаются высокой степенью ориентации и однородностью структуры, повышенной степенью кристалличности. Благодаря высокой ориентации, однородности структуры изменяется и морфология волокон. Поперечное сечение этих волокон в отличие от поперечного сечения обычных вискозных нитей не имеет извилин, оно овальное, близкое к кругу.
Медпо-аммиачные волокна имеют более однородное строение по сравнению с вискозными волокнами. Поперечное сечение волокон представляет собой овал, приближающийся к кругу.
Ацетатные волокна по химическому составу представляют собой ацетилцеллюлозу. Они разделяются на диацетатпые (их обычно называют ацетатными) и триацетатные по числу замещенных гидроксильных групп в целлюлозе уксусным ангидридом. Характеристика структуры триацетатных волокон приведена в табл. I. 1. Структура волокон аморфно-кристаллическая, с небольшой степенью кристалличности (см. табл. 1.2).
Синтетические волокна получили широкое распространение, и их баланс в общем производстве текстильных волокон все более увеличивается. Особенности химического строения синтетических волокон и элементарных нитей, их получения описаны в учебнике [1].
Из синтетических волокон большую группу представляют полиамидные волокна (капрон, перлон, дедерон, нейлон и др.)-Структура волокон из поликапроамидов аморфпо-кристалли-ческая, степень кристалличности может достигать 70%- Кристаллиты включают несколько звеньев, ориентированных вдоль волокон. Форма сечений волокон может быть разной, обычно сечение круглое, но может быть и другой формы (рис. I. 13).
К этой группе относятся и волокна из полиэнантоами-да — энант, нейлон 6.6, отличающиеся от поликапроамидных волокон химическим строением элементарного звена — NH — (СН2) 6 — (СН2) 6 — CONH — (СН2) 6 — СО — . Конфигурация молекулярной цепи волокон этого вида, как и у капроамидных, вытянутая, зигзаг с несколько большей длиной элементарного звена.
Полиэфирные волокна (терилен, лавсан и др.) получают из полиэтилентерефталата. Волокна имеют аморфно-кристаллическую структуру. Конфигурация цепи близка к прямой. Особенностью химического строения волокон является соединение элементарных звеньев цепи сложноэфирной группой — С — . По морфологии волокна близки к полиамидным.
К полиакрилонитрильным волокнам относятся нитрон и многие другие разновидности, имеющие собственное наименование в разных странах, например акрилан, орлон (США), пре-лан (ГДР) и т. д. По внешнему виду поперечное сечение имеет овальную форму. Элементарное звено макромолекул волокон нитрона имеет следующий химический состав — СН2 — СН — CN
Структура полиакрилонитрильпых волокон аморфно-кристаллическая. Доля кристаллической фазы малая. Конфигурация макромолекул волокон вытянутая, трансзигзаг.
Полипропиленовые и полиэтиленовые волокна относятся к полиолефиновым волокнам. Элементарное звено макромолекул полипропиленовых волокон имеет вид — СН — СН2 — СН3
Форма поперечного сечения волокон овальная, фибриллы ориентированы вдоль оси.
Структура макромолекул стерсорегулярная. Степень полимеризации волокон может меняться в широких пределах (1900 — 5900). Структура надмолекулярных образований — аморфнокристаллическая. При этом кристаллическая фракция достигает 85 — 95 %.
Морфология полиэтиленовых волокон существенно не отличается от морфологии полипропиленовых волокон. Надмолекулярная структура их также фибриллярная. Макромолекулы с элементарными звеньями — СН2 — СН2 — образуют аморфнокристаллическую структуру с преобладанием кристаллической.
Полиуретановые волокна состоят из макромолекул, элементарные звенья которых содержат уретановую группу — NH — С — О — . Строение волокон аморфное, температура стеклования низкая. Гибкие сегменты макромолекул при обычной температуре находятся в высокоэластическом состоянии. Благодаря такому строению волокна обладают очень большой растяжимостью (до 500 — 700%) при нормальной температуре.
Волокна галогенсодержащих полимеров — это волокна из поливинилхлорида, поливинилидена, фторлона и др. Поливинилхлоридные волокна (хлорин, перхлорвинил) — волокна аморфные, с малой степенью кристалличности. Конфигурация макромолекул вытянутая. Элементарное звено макромолекул — СН2 — СНС1. Морфологическая особенность волокон — неравномерно стянутая поверхность.
Волокна из поливинилиденхлорида имеют аморфно-кристаллическое строение с высокой степенью кристалличности. Химическое строение волокон также отличается: в элементарном звене увеличивается содержание хлора ( — СН2 — СС12 — ), повышается плотность волокон.
В волокнах из фторсодержащих полимеров по сравнению с винилиденхлоридом водород и хлор замещаются фтором. Элементарные звенья волокон тефлон — CF2 — , волокон фторлон — СН2 — CHF — . Особенность структуры этих волокон — значительная энергия связи атомов углерода и фтора, ее полярность, определяющая высокую стойкость к действию агрессивных сред.
Углеродные волокна — жаропрочные волокна, конфигурация . цепи макромолекул слоистоленточная, степень полимеризации очень высокая.
2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ВОЛОКОН И НИТЕЙ
Сведения о структуре волокон, об особенностях ее изменений в результате воздействий технологических процессов, условий эксплуатации становятся все более необходимыми при повышении качества текстильных материалов, совершенствовании технологических процессов, определении условий рационального использования волокон. Бурное развитие и совершенствование методов экспериментальной физики создали фундаментальную базу для изучения структуры текстильных материалов.
Далее рассматриваются лишь некоторые, наиболее распространенные, методы структурного анализа — оптическая световая и электронная микроскопия, спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, диэлектрометрия и термический анализ.
СВЕТОВАЯ МИКРОСКОПИЯ
Световая микроскопия — один из самых распространенных методов изучения структуры текстильных волокон, нитей и изделий. Разрешающая способность оптического микроскопа, в котором используется свет видимой области спектра, может достигать 1 — 0,2 мкм.
Разрешающую способность объектива б0 и микроскопа бм определяют по приближенным формулам:
где X — длина волны света, мкм; А — апертура, числовая характеристика разрешающей силы, объектива (способность изображать мельчайшие детали объекта); А — апертура осветительной части — конденсора микроскопа.
где п — показатель преломления среды, находящейся между препаратом и первой фронтальной линзой объектива (для воздуха 1; для воды 1,33; для глицерина М7; для кедрового масла 1,51); а — угол отклонения крайнего луча, попадающего в объектив от точки, находящейся на оптической оси.
Разрешающая способность и апертура могут быть увеличены при иммерсии, т. е. замене воздушной среды жидкостью с большим коэффициентом преломления.
Микрообъективы разделяются по спектральным характеристикам (для видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра света), длине тубуса, среде между объективом и препаратом (сухие и иммерсионные), характеру наблюдения и типу препаратов (для препаратов с покровным стеклом и без стекла и др.).
Окуляры выбираются в зависимости от объектива, так как общее увеличение микроскопа равно произведению углового увеличения окуляра и объектива. Для фиксирования особенностей структуры и удобства в работе используют микрофотонасадки и микрофотоустановки, рисовальные аппараты, бинокулярные тубусы. Кроме биологических микроскопов, широко применяемых при изучении морфологии текстильных волокон и нитей, используются люминесцентные, ультрафиолетовые и инфракрасные, стереомикроскопы, микроскопы сравнения, измерительные микроскопы.
Люминесцентный микроскоп оснащен набором сменных светофильтров, с помощью которых можно выделить в излучении осветителя часть спектра, возбуждающую люминесценцию исследуемого объектива. При работе на этом микроскопе необходимо подбирать светофильтры, пропускающие от объекта только свет люминесценции.
Ультрафиолетовые, инфракрасные микроскопы позволяют проводить исследования в невидимых для глаза областях спектра. Линзы таких микроскопов изготовлены из материалов, прозрачных для ультрафиолетовых (кварц, флюорит) или инфракрасных (кремний, германий, флюорит, фтористый литий) лучей. Преобразователи превращают невидимое изображение в видимое.
Стереомикроскопы обеспечивают объемное восприятие микрообъекта, а микроскопы сравнения позволяют сравнивать одновременно два объекта.
Все большее распространение получают методы поляризационной, интерференционной микроскопии. При поляризационной микроскопии микроскоп дополняют специальным поляризационным приспособлением, включающим два поляроида: нижний неподвижный и верхний — анализатор, свободно вращающийся в оправе [4]. Поляризация света позволяет изучить такие свойства анизотропных структур волокон, как силу двойного лучепреломления, дихроизм и др. Свет от осветителя проходит через поляроид и поляризуется в одной плоскости. Однако при прохождении через препарат (волокна) поляризация изменяется и возникшие изменения изучаются с помощью анализатора и различных компенсаторов оптических систем. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
