Структура макромолекул текстильних волокон
Елементарні ланки, що утворюють макромолекули, можуть з’єднуватись між собою
різними способами. Коли кожна ланка з’єднана з двома сусідніми ковалентними зв’язками, то утворюється макромолекула, що має лінійну структуру. Позначивши елементарну ланку через А, лінійну макромолекулу можна подати у вигляді довгого ланцюга –А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-. У випадку, коли елементарні ланки зв’язані більш ніж з двома елементарними ланками полімер має розгалужену структуру. Якщо у полімері окремі ланцюги зв’язані між собою хімічними зв’язками, то утворюється сітчаста структура. З лінійних і розгалужених макромолекул побудовані всі природні, штучні та синтетичні волокна (крім вовни). Кератин вовни має сітчасту структуру.
Високомолекулярні сполуки, утворені з однакових за хімічною будовою ланок, називають гомополімерами, а утворені з різних ланок – сополімерами.
Якщо у ланцюгу сополімеру простежується правильне чергування різних ланок ( -А-Б-А-Б-А-Б-), то таку структуру називають регулярною, якщо воно неправильне (-А-А-Б-А-Б-Б-), то таку структуру називають нерегулярною. Якщо у високомолекулярних сполуках групи ланок одного полімеру чергуються з групами ланок іншого полімеру, то такі сополімери називають блок-сополімерами. Для їх синтезу використовують олігомери – сполуки, що мають молекулярну масу від 500 до 5000 в.о. Привиті сополімери – це сполуки в яких до головного ланцюга, що складається з елементарних ланок одного полімеру приєднують ланцюг з ланок іншого мономеру. Застосовуючи різні молекули і змінюючи їх співвідношення, одержують сополімери різного складу, з яких утворюють волокна з різними наперед заданими властивостями.
Орієнтація макромолекул у волокнах
Макромолекули у текстильних волокнах можуть мати різне положення відносно осі волокна, тобто різну просторову орієнтацію. Орієнтація макромолекул у натуральних волокнах виникає у момент їх росту, а у хімічних волокнах – під час формування їх з розчину або з розплаву. У в цьому випадку вона безпосередньо зв’язана з величиною витягування волокна у момент його формування.
Залежно від розташування макромолекул стосовно осі волокна розрізняють малоорієнтовану, орієнтовану і високоорієнтовану структуру. Малоорієнтована структура характеризується тим, що більшість макромолекул розташовані у волокні хаотично. Прикладом таких волокон є штучні волокна (віскозні, мідноаміакові, ацетатні), які виготовляють фільєрним і малим (10-30%) орієнтацій ним витягуванням. Волокна з такою структурою мають невисоку міцність, але більш високу стійкість до тертя та багаторазових згинань, ніж волокна з високоорієнтованою структурою. За орієнтованої структури велика частина молекул випрямлені й орієнтовані відносно поздовжньої осі волокна, але частина розміщена хаотично, невпорядовано. Такими є зміцнені штучні та синтетичні волокна. Такі волокна виготовляють з подвійним витягуванням – з розчину або розплаву (80-120%) і додатково - орієнтаційним витягуванням свіжосформованих волокон. Такі волокна мають високу міцність до розриву, але меншу до тертя і багаторазових згинань.
Високоорієнтована структура волокна характеризується ще більш високим ступенем орієнтації макромолекул щодо поздовжньої осі. Ці волокна також виготовляють подвійним витягуванням, але орієнтаційне витягування тут більш високе. Таку структуру мають, в основному, синтетичні високоміцні волокна технічного призначення. Однак, такі волокна мають низьку стійкість до тертя і багаторазового стирання.
Як зазначалось, чим більшу орієнтацію мають макромолекули у волокні, тим більша міцність волокна. Це пояснюється тим, що в процесі орієнтаційного витягування макромолекули випрямляються, орієнтуються стосовно осі волокна і дуже зближуються та ущільнюються. В результаті зменшення відстані між макромолекулами вступають в дію сили Ван-дер-Ваальса та водневі зв’язки. При цьому збільшуються сумарні сили міжмолекулярної взаємодії, а тому й зростає міцність волокон. Однак, міцність волокон зростає лише до того часу, доки сили міжмолекулярної взаємодії є слабшими від сил хімічних зв’язків у самих макромолекулах. Коли ці сили вирівнюються, міцність волокон перестає збільшуватись.
Вирівнювання сил міжмолекулярної взаємодії із силами хімічних зв’язків є порогом міцності орієнтаційного витягування волокон, тому що при подальшому збільшенні сумарних сил міжмолекулярної взаємодії легше розриваються самі макромолекули, ніж ті міжмолекулярні зв’язки, за допомогою яких вони з’єднуються у волокна.