Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

4 ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основным исходным сырьем для производства тканей, трикотажа, нетканых текстильных материалов являются текстильные волокна. По структуре текстильные волокна делят на элементарные, т.е. не д е- лящиеся в продольном направлении без разрушения, и комплексные, состоящие из продольно скрепленных элементарных волокон.

Свойства текстильных волокон зависят, прежде всего, от их х и- мического состава. Однако волокна одного и того же химического состава часто обладают разными свойствами. Это объясняется тем, что свойства волокон в конечном итоге зависят от двух факторов: химического строения материала волокна и относительного расположения макромолекул этого материала в волокне, или так называемого надмолекулярного строения его.

В основе всех волокнистых материалов природного и химического происхождения лежат высокомолекулярные соединения. Длина макромолекулы в несколько тысяч или десятков тысяч раз превышает ее поперечный размер. Одним из примечательных свойств макромолекул волокнообразующих полимеров является их гибкость, которая определяет все характерные особенности механических свойств полимеров.

Волокна имеют сложное строение, которое складывается из молекулярной, надмолекулярной и морфологической структуры.

Макромолекулы волокнообразующего полимера представляют собой длинные гибкие образования, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев, соединенных между собой химическими связями. В линейных или цепных полимерах звенья одного вида расположены по длине макромолекулы. Влинейных сополимерах имеет место регулярное, нерегулярное, блочное чередование 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. Волокна на основе таких полимеров обладают более высокими механическими свойствами, но меньшей гибкостью и эластичностью.

Отдельные группы и звенья макромолекул могут поворачиваться относительно друг друга, их подвижность определяется химическим составом, структурой, наличием функциональных групп и т.д.

21

Подвижность придает макромолекулам гибкость, способность принимать различную форму расположения в пространстве и определяет весь комплекс свойств полимера. Макромолекулы в полимере не с у- ществуют изолированно, они находятся во взаимодействии с соседними макромолекулами. Характерная особенность высокомолекулярных соединений – резкое различие в характере связей вдоль цепи макромолекулы и межмолекулярныхсвязей. Энергия межмолекулярных связей (водородных, солевых, химических, сил Ван-дер-Ваальса) значительно слабее энергии внутримолекулярных химических связей. В определенных условиях межмолекулярные связи могут ослабевать, даже разрушаться и восстанавливаться вновь. С увеличением длины макромолекулы межмолекулярное взаимодействие возрастает.

Большая часть текстильных волокон состоит из высокополимеров, имеющих нитевидную (линейную) структуру макромолекул. Однако среди природных волокон имеются волокна (шерстяные), состоящие из высокополимера сетчатого строения, структура макромолекул которого характеризуется наличием более или менее параллелизованных цепей, соединенных поперечными связями. Макромолекулы в текстильном волокне связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия в основном двух видов: силами Ван-дер-Ваальса и водородными связями. Силы Ван-дер-Ваальса, как известно, представляют собой силы притяжения, действующие между незаряженными атомами или группами атомов, принадлежащих к разным цепям. Водородная связь обычно возникает между атомом водорода, входящим в состав гидроксильной группы или аминогруппы одной макромолекулы, и атомом кислорода или азота другой макромолекулы. Эта связь имеет ионный характер [10].

Величина сил межмолекулярного взаимодействия зависит от многих факторов, и прежде всего от химической природы групп атомов, входящих в состав макромолекул, формы, длины и взаимного расположения макромолекул.

Макромолекулы волокнообразующих полимеров имеют разнообразную форму – от линейно вытянутой (у целлюлозы) и волнообразно извитой (у кератина шерсти) до свернутой в шарик, глобулярной (у казеина). При вытянутой форме макромолекул образуется большое число межмолекулярных связей, что обеспечивает высокую разрывную прочность волокон. При глобулярной форме поверхностная площадь взаимодействующих макромолекул очень мала, что препятствует

22

возникновению большого числа межмолекулярных связей. Поэтому прочность казеиновых волокон низкая.

Величина сил межмолекулярного взаимодействия находится в прямой зависимости от длины цепей макромолекул, т.е. от степени их полимеризации. При малой длине цепи силы взаимодействия макромолекул невелики, поэтому волокна, состоящие из полимера низкой степени полимеризации, малопрочны. С увеличением длины макромолекул силы их взаимодействия возрастают, что обусловливает увеличение разрывной прочности волокна. Степень полимеризации полимера имеет большое значение в процессе получения химических волокон. Волокна с хорошими физико-механическими свойствами обычно можно получить только при некоторой оптимальной (для данного полимера) величине молекулярного веса.

Макромолекулы располагаются в волокне так, что большие их оси направлены преимущественно вдоль оси волокна. Расположение макромолекул, при котором наблюдается полная параллелизация их больших осей относительно оси волокна, носит название полной ориентации. В реальных волокнах молекулы никогда не бывают полностью ориентированы. Однако большая или меньшая ориентация макромолекул является необходимым условием получения волокон с удовлетворительными физико-механическими свойствами. Степень, ориентации существенно влияет на физико-механические свойства текстильных волокон. Чем больше степень ориентации, тем макромолекулы большей степени распрямлены, ориентированы относительно продольной оси волокна и уплотнены (сближены). В результате уменьшения расстояния между макромолекулами Силы Ван-дер- Ваальса дополняются более прочными водородными связями, при этом увеличиваются суммарные силы межмолекулярного взаимодействия, а следовательно, повышается разрывная прочность волокна. При получении химических волокон с повышенной прочностью их подвергают при формовании и дополнительной вытяжке (одноили двукратной), в процессе которой достигается высокая степень, ориентации волокон. Но прочность волокна увеличивается только до тех пор, пока суммарные силы межмолекулярного воздействия слабее сил химических связей в самих макромолекулах. Как только эти силы сравняются, разрывная прочность волокна перестанет увеличиваться [10].

Однако волокна с высокоориентированной структурой обладают меньшей устойчивостью к истиранию. Это обусловливается парал-

23

лельным или почти параллельным расположением макромолекул волокна относительно подвергающейся истиранию поверхности волокна. Поэтому истирающие силы действуют разрушающе только на межмолекулярные связи. В волокне же с малоориентированной структурой многие макромолекулы расположены к подвергающейся истиранию поверхности волокна торцовой частью. В этом случае в процессе истирания необходимо разорвать не только межмолекулярные, но и химические (очень прочные) связи. Это и обеспечивает большую устойчивость к истиранию волокон с неориентированной или мало ориентированной структурой.

Число макромолекул, приходящихся на единицу площади поперечного сечения волокна, характеризует плотность упаковки макромолекул в волокне, от которой зависят размеры субмикроскопических пор. Это имеет существенное значение для набухаемости и окрашиваемости волокон. Результаты рентгеноскопических, акустических и других анализов дают основание полагать, что большинство текстильных волокон имеют двухфазную аморфно-кристаллическую структуру.

Кристаллические области образованы ориентированными, а аморфные – неориентированными частями макромолекул. Аморфные области образуют части молекул, расположенные между кристаллическими областями при переходе молекулы из одного кристаллического состояния в другое. С увеличением степени ориентации возрастает и кристаллическая фаза (совокупность кристаллических областей) волокна, которая вследствие более упорядоченного расположения макромолекул характеризуется и более плотной их упаковкой. Соотношение кристаллической и аморфной фаз в текстильных волокнах влияет не только на прочность и упругопластические свойства, но и на температуру плавления, степень набухания и некоторые другие свойства волокон.

Электронно-микроскопические и другие исследования показывают, что волокна, как правило, имеют надмолекулярную структуру в виде пачек (пучков) макромолекул. Минимальными структурными элементами волокна являются микрофибриллы толщиной от 30–60 до 1000 А. Кроме микрофибрилл, структура волокна включает крупные фибриллярные элементы – макрофибриллы диаметром около 1 мкм и длиной до нескольких десятков микрон. Между макрофибриллами находится прослойка (межфибриллярное вещество), которая, вероятно,

24

состоит из отдельных пачек макромолекул, выполняющих роль связующего и обладающих свойствами наполнителя [2].

Свойства волокон определяются их химическим строением, природой связей между макромолекулами, физическим состоянием в условиях применения, характером и размером структурных элементов и их взаимным расположением.

Структура натуральных волокон отличается большей многоступенчатостью, чем искусственных, и больше влияет на их свойства.

Натуральные целлюлозные волокна и натуральный шелк имеют большее напряжение при разрыве и меньшую растяжимость, чем шерсть. Напряжение при разрыве, а следовательно, и разрывная длина химических волокон колеблется в широких пределах, но обычно выше, чем у шерсти. Растяжимость их всегда выше, чем натуральных волокон. Большое значение в этих свойствах имеет вытяжка химических волокон в их производстве, которая приводит к увеличению напряжения при разрыве и уменьшению растяжимости волокон вследствие ориентации их структурных элементов.

Волокна отличаются разной гигроскопичностью, зависящей преимущественно от характера и количества полярных групп в макромолекулах волокон. Это явление выражается величиной нормальной влажности. Значения нормальной влажности ниже 6 – 7% приводят к недостаточной гигиеничности материалов, изготовленных из данных волокон [4].

Исходя из этой точки зрения, все натуральные и искусственные целлюлозные волокна являются гигиеничными, капрон же имеет недостаточную гигроскопичность, а гигроскопичность карбоцепных волокон равна нулю. Увлажнение гигроскопичных материалов приводит обычно к уменьшению прочности из-за нарушения межмолекулярных связей, что особенно сказывается в искусственных целлюлозных волокнах. В натуральных целлюлозных волокнах (хлопок, лен) прочность в увлажненном состоянии, наоборот, увеличивается, что обусловливается способностью к ориентации элементов их волокнистой структуры при увлажнении [10].

Для изделий широкого потребления имеет большое значение устойчивость волокна к воздействию светопогоды. Имеющиеся в этом отношении данные свидетельствуют о том, что волокна от воздействия светопогоды стареют: падает прочность и растяжимость, они становятся менее устойчивы к изгибу. Выявляется это изменение свойств в разных волокнах неодинаково. Натуральный шелк значительно ме-

25

нее устойчив к светопогоде, чем хлопок. Химические волокна подвержены действию светопогоды различно. Наиболее устойчив нитрон.

Устойчивость к действию микроорганизмов также имеет большое значение для волокон, используемых в текстильных материалах специального назначения. Природные и искусственные целлюлозные волокна малоустойчивы к действию микроорганизмов. Различные пропитки, применяемые для устранения этого недостатка, в большинстве случаев не дают длительного и устойчивого эффекта. Синтетические волокна значительно более устойчивы к действию микроорганизмов.

Контрольные вопросы

1.От чего зависят свойства текстильных волокон?

2.Что представляет собой молекулярная структура волокна?

3.Как взаимодействуют между собой макромолекулы волокнообразующего полимера?

4.Какими особенностями строения и свойств обладают нату-

ральные волокна?

5. Почему для текстильных материалов специального назначения большое значение имеет устойчивость к воздействию светопогоды и микроорганизмов?

Рекомендуемая литература

1.Карабасов, Ю.С. Новые материалы / Ю.С. Карабасов [и др.] // М: МИСИС. – 2002. - 736 с.

2.Перепелкин, К.Е. Настоящее и будущее химических волокон:

Взгляд в следующее столетие / К.Е. Перепелкин // Легпромбизнес. Директор. - СПб.: Торговля и промышленность. - 2000. - № 9- С. 26-31.

3. Фомченкова, Л.Н. Текстильные химические волокна и нити на отечественном рынке / Л.Н. Фомченкова // Текстильная промышленность. - 2006. - №12. - С. 16-22.

26

5 ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ТКАНЫЕ И НЕТКАНЫЕ ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Нетканые материалы – текстильные изделия из волокон или нитей, соединенных между собой без применения методов ткачества.

Нетканые материалы вырабатываются как из натуральных (хлопковых, льняных, шерстяных), так и из химических волокон (например, вискозных, полиэфирных, полиамидных, полиакрилонитрильных, полипропиленовых), а также вторичного волокнистого сырья (волокна, регенерированные из лоскута и тряпья) и коротковолокнистых отходов химической и других отраслей промышленности.

Нетканые материалы в зависимости от методов скрепления подразделяются следующим образом:

-скрепленные механическим способом;

-скрепленные физико-химическим способом;

-скрепленные комбинированным способом;

-скрепленные термическим способом (термоскрепление, термо-

скрепление).

Основные технологические операции получения нетканых материалов:

-Подготовка сырья (рыхление, очистка от примесей и смешивание волокон, перемотка пряжи и нитей, приготовление связующих, растворов химикатов и т.д.).

-Формирование волокнистой основы.

-Скрепление волокнистой основы (непосредственно получение нетканого материала).

-Отделка нетканого материала.

Способы получения нетканых материалов Основной стадией получения нетканых материалов является

стадия скрепления волокнистой основы, получаемой одним из способов: механическим, аэродинамическим, гидравлическим, электростатическим или волокнообразующим [11].

Способы скрепления нетканых материалов:

- Химическое или адгезионное скрепление (клеевой способ). Сформованное полотно пропитывается, покрывается или орошается

27

связующим компонентом, нанесение которого может быть сплошным или фрагментированным. Связующий компонент, как правило, применяются в виде водных растворов, в некоторых случаях используют органические растворители [8].

- Термическое скрепление. В этом способе используются термопластичные свойства некоторых синтетических волокон. Иногда используются волокна, из которых состоит нетканый материал, но в большинстве случаев в нетканый материал еще на стадии формования специально добавляют небольшое количество волокон с низкой температурой плавления («бикомпонет»).

- Механическое (фрикционное) скрепление: иглопробивной способ; гидроструйный способ (технология «Спанлейс»).

Технология «Спанлэйс» Технология «Спанлейс» появилась в 60-х годах прошлого

века, но впервые была официально представлена фирмой DuPont в 1973 году (материал Сонтара®) и была результатом напряженной работы, проделанной фирмами DuPont и Chicopee. В 90-х годах прошлого века струйная технология значительно шагнула вперед и стала более производительной и доступной для многих производителей нетканых материалов. Технология гидросплетения основана на переплетении волокон материала высокоскоростными струями воды под высоким давлением. Обычно полотно

Материалы, изготовленные по технологии Спанлейс, используются для хозяйственных нужд; для гигиенического применения – протирочные салфетки; для медицинских нужд, в частности хирургических, – одноразовая медицинская одежда, а также для технического применения в соответствии со строгими требованиями клиента.

Технология «Спанбонд» При данной технологии холст формируется из непрерывных ни-

тей (филаментов), полученных из расплава полимера. Нити формуются из полимера посредством фильерно-раздувного способа и практически одновременно укладываются в холст.

Впоследствии уложенный холст проходит процедуру скрепления механическим способом путем пробивки полотна иглами с двух

28

сторон, целью которой является уплотнение уложенных филаментов и спутывание их между собой.

На данном этапе технологического процесса полотно приобретает свои прочностные свойства, которые могут варьироваться в зависимости от характера, количества и рисунка набивки игл в иглопробивных досках. При необходимости пробитый холст проходит процедуру термоскрепления при помощи каландра.

Данная технология становится очень популярной, поскольку полученный по такому способу производства продукт имеет уникальные свойства, практичность и низкую себестоимость.

Материалы, изготовленные по технологии «Спанбонд», используются в автодорожном и железнодорожном строительстве в качестве распределяющего нагрузку основания, при строительстве шламоотвалов – в качестве дренирующего слоя, в промышленном и гражданском строительстве – в качестве тепло- и пароизоляции.

Технология «Спанджет» Технология, при которой окончательная фиксация происходит с

помощью водных струй под высоким давлением. Прочность готового материала несравнимо выше, чем у нетканого полотна, скрепленного любыми иными способами.

Технология «Струтто»

Технология пришла в Россию из Италии. «Strutto» обозначает вертикальную укладку волокон при производстве нетканых материалов. Впервые технология была применена в России компанией «Фабрика Нетканых Материалов «Весь Мир» для производства нетканого наполнителя для мягкой мебели СтруттоФайбер® («Нетканые независимые пружины»).

Тканые материалы (ткань) – текстильное полотно, изготовленное на ткацком станке переплетением взаимно перпендикулярных систем нитей.

Ткань состоит из двух переплетающихся систем нитей, расположенных взаимно перпендикулярно. Систему нитей, идущих вдоль ткани, называют основой, а систему нитей, расположенных поперек ткани, – утком. Соответствующие нити называют основными и уточными.

29

Переплетение нитей в ткани является одним из основных показателей строения ткани. Нити основы и утка последовательно переплетаются друг с другом в определенном порядке (в зависимости от минимального числа нитей – раппорта, – необходимого для законченного ткацкого рисунка). Это влияет на образованиеткани с хара к- терной для данного переплетения структурой, внешним видом, свойствами. Простые (гладкие или главные) ткацкие переплетения делятся на полотняные, саржевые, сатиновые (атласные) и комбинированные.

Процесс производства тканей называется ткачеством, которое заключается в выработке текстильных полотен путем переплетения двух взаимно перпендикулярных систем нитей. Процесс ткачества, как правило, является многопереходным и включает в себя: приготовление к ткачеству (перемотка нитей, снование и шлихтование основ, перемотка и шлихтование или замасливание (если надо) утка), проборка или привязка основы на станке, собственно ткачество и разбраковка тканей.

Заключительная обработка тканей называется отделкой и относится к области химической технологии. Включает в себя (опционально): промывку, расшлихтование, варку, отбелку, мерсеризацию, крашение (периодическим или непрерывным способом), печать, стрижку, ворсование, тиснение [9].

По структуре ткани, способу переплетения нитей все тканые полотна подразделяются на:

-ткани с простым (гладким или главным) переплетением – полотняные, саржевые, сатиновые (атласные);

-ткани со специальным переплетением – креповые, мелкозернистые ткани;

-ткани с составным (комбинированным) переплетением;

-ткани типа жаккардовых – с крупноузорчатым переплетением (простым и сложным);

-ткани с двухслойным переплетением – образуются два самостоятельных полотна ткани, расположенные одно над другим и связанные между собой одной из систем нитью, образующих эти полотна, или специальной нитью основы или утка (износостойкие и теплоза-

щитные ткани типа);

-ткани с ворсовыми переплетениями – с уточноворсовым переплетением, с основоворсовым переплетением;

-ткани со сложными переплетениями (3D-переплетения).

30