Лекция № 2-9 Тема № 7. Физические свойства текстильных материалов (12 часов)

Вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Поглощение. Сущность процессов поглощения. Процессы сорбции и десорбции, смачивания и капиллярного впитывания. Теплота сорбции.

2. Характеристики гигроскопических свойств.

1. Поглощение. Сущность процессов поглощения. Процессы сорбции и десорбции, смачивания и капиллярного впитывания. Теплота сорбции.

К физическим свойствам текстильных материалов относятся их способность к поглощению и проницаемости, теплофизические, электрические, оптические и акустические свойства.

Многие из этих свойств определяют способность одежды: защищать тело человека от воздействия окружающей среды (холода, жары, солнечных лучей, атмосферных осадков, пыли и т.д.); своевременно удалять из-под одежного слоя пары и газы (пот, углекислый газ и др.); сохранять в пододежном слое необходимый для жизнедеятельности организма микроклимат, т. е. обусловливают гигиеничность одежды.

Кроме того, физические свойства текстильных материалов имеют технологическое значение, так как их проявление при проведении операций изготовления швейных изделий определяет параметры и качество выполнения технологических процессов (влажно-тепловой обработки, стачивания, раскроя и др.).

1. Поглощение. Сущность процессов поглощения.

Текстильные материалы способны к поглощению различных веществ, находящихся в газообразном, парообразном или жидком состоянии.

В зависимости от внешних условий материалы могут удерживать поглощенные вещества или отдавать их в окружающую среду.

Как правило, поглощение сопровождается изменением физико-механических свойств, размеров и массы материалов.

Текстильные материалы относятся к капиллярно-пористым телам, имеющим сложную систему пор и капилляров, различающихся размерами и характером расположения. Поры в текстильных материалах образуются в результате неплотного расположения макромолекул, микрофибрилл, фибрилл в структуре волокон, между волокнами и нитями в структуре самого материала.

Различают микропоры, радиус которых меньше 10^-7 м, и макропоры, радиус которых больше 10^-7 м.

Поэтому, процесс поглощения веществ структурой текстильных материалов представляет собой весьма сложный процесс.

Гигроскопические свойства

Важным физических свойств текстильных материалов являются гигроскопические свойства — способность текстильных материалов поглощать и отдавать водяные пары и воду.

Поглощение паров влаги из окружающей среды текстильными материалами происходит путем сорбции водяных паров волокнами. Процесс сорбции водяных паров является обратимым, и в определенных условиях происходит отдача — десорбция, т.е. отдача водяных паров.

Сорбция состоит из нескольких процессов.

1). С первого же момента, когда текстильный материал попадает в среду с большой относительной влажностью воздуха, начинает протекать процесс адсорбции — то есть притягивания поверхностью волокон паров воды, которые образуют на ней плотную полимолекулярную пленку.

Силы, притягивающие молекулы воды, возникают в результате того, что у макромолекул, расположенных на поверхности волокна, не полностью уравновешены межмолекулярные связи с соседними макромолекулами. В связи с тем, что волокна имеют пористое строение, действительная поверхность сорбции волокон значительно больше их наружной поверхности. Адсорбция протекает очень быстро, и равновесное состояние достигается в течение нескольких секунд.

2). При насыщении поверхности волокон водяными парами происходит процесс проникновения (диффузии) молекул воды в межмолекулярное пространство, т. е. процесс абсорбции. В результате процесса абсорбции водяные пары поглощаются всем объемом волокон. В отличие от адсорбции диффузионный процесс проникания влаги в глубь волокна протекает медленно, и время достижения равновесного состояния составляет несколько часов.

Процесс сорбции водяных паров очень неравномерен (рис. 25). В первый период сорбции происходит интенсивное поглощение влаги волокнами, однако по мере насыщения их водяными парами скорость поглощения заметно падает и наступает сорбционное равновесие, при котором дальнейшее поглощение влаги прекращается.

Влажность материала, которая соответствует сорбционному равновесию, называется равновесной влажностью.

При изменении относительной влажности и температуры воздуха равновесная влажность материала также меняется. Об этом можно судить по кривым зависимости равновесной влажности волокон W_p от относительной влажности воздуха φ при постоянной температуре (25 °С), которые называются изотермами сорбции (рис. 25). С повышением относительной влажности воздуха равновесная влажность материала увеличивается.

Рис. 25. Изотермы сорбции водяных паров хлопковыми волокнами:

1 – сорбция; 2 - десорбция

При десорбции наиболее интенсивная отдача влаги происходит в первый момент процесса; по мере приближения к новому равновесному состоянию скорость десорбции снижается (рис. 25). Однако равновесная влажность материала при десорбции выше равновесной влажности при сорбции в одинаковых атмосферных условиях, т. е. изотермы сорбции и десорбции не совпадают, наблюдается гистерезис сорбции. Это связано с тем, что при десорбции часть абсорбированной влаги, находящейся в межмолекулярном пространстве, может удерживаться в надмолекулярной структуре волокна вследствие ее неуравновешенности.

Кривые сорбции и десорбции текстильных материалов наглядно показывают, что волокна различных видов обладают разной способностью поглощать влагу. Это обусловлено, прежде всего, химическим составом и надмолекулярной структурой волокон.

Наличие в макромолекулах волокон сильнополярных гидрофильных групп (ОН, NH₂, COOH, CONH и т.п.) создает значительное силовое поле, которое притягивает и удерживает молекулы воды. Поэтому целлюлозные (хлопок, лен, вискоза) и белковые (шерсть, шелк) волокна обладают большой способностью поглощать водяные пары.

Большинство синтетических волокон и нитей (особенно полиэфирные, полиолефиновые, поливинилхлоридные) обладают малой способностью к поглощению влаги, так как в их составе почти отсутствуют гидрофильные группы.

При сорбции водяных паров в микрокапиллярах, имеющих радиус менее 10~⁷ м, и в замкнутых капиллярах текстильных материалов происходит капиллярная конденсация паров влаги, в результате чего капилляры заполняются жидкостью. Поэтому материалы из волокон с низкой гигроскопичностью, но имеющие большое количество мелких и замкнутых капилляров, могут хорошо сорбировать влагу, приближаясь по показателям влажности к хлопчатобумажным и шерстяным материалам (в частности, это относится к материалам из полых и профилированных волокон).

При непосредственном соприкосновении текстильного материала с водой вода поглощается как путем диффузии ее молекул в полимер, так и путем механического захвата ее частиц структурой материала. В последнем случае существенную роль играют процессы смачивания и капиллярного впитывания.

Смачивание может происходить при полном погружении материала в воду (иммерсионное смачивание) или при частичном соприкосновении воды и материала (контактное смачивание).

Контактное смачивание — это полное или частичное растекание жидкости по поверхности материала. Оно характеризуется краевым углом, или углом смачивания θ, который образуется между поверхностью материала и касательной к поверхности границы жидкость—воздух (рис. 26).

Краевой угол, определяемый в момент, когда система «воздух-вода-материал» находится в состоянии термодинамического равновесия, называется равновесным. Равновесный краевой угол для каждой системы при данных внешних условиях имеет определенную величину и является одной из важнейших характеристик смачивания. Тупой краевой угол > 90° свидетельствует о плохом смачивании, а острый краевой угол <90° - на хорошее смачивание.

Рис. 26. Краевой угол для волокон: а — гидрофобных; б — гидрофильных

Величина равновесного краевого угла зависит от поверхностных натяжений σ на границах раздела фаз, участвующих в смачивании. При неполном контактном смачивании поверхности твердого тела каплей жидкости по периметру смачивания действуют три силы: поверхностное натяжение σ_т-г на границе раздела твердое тело — газ, способствующее растеканию капли; поверхностное натяжение σ_т-ж на границе твердое тело—жидкость, препятствующее растеканию капли; поверхностное натяжение σ_ж-г на границе жидкость—газ, которое стремится уменьшить поверхность капли. Зависимость равновесного краевого угла 0 от сил, действующих на границах раздела фаз, может быть выражена уравнением Юнга, которое описывает полное равновесие для идеально гладкой поверхности:

cos θ = (σ_т-г - σ_т-ж)/ σ_ж-г

Поверхность реальных материалов, в том числе и текстильных, отличается шероховатостью — совокупностью микронеровностей, образующих рельеф поверхности. Это увеличивает площадь фактического контакта жидкости с материалом по сравнению с номинальной площадью контакта (площадью проекции капли на гладкую поверхность). Поэтому для шероховатой поверхности

cos θ_ш = k(σ_т-г - σ_т-ж)/ σ_ж-г

где k — коэффициент шероховатости, равный отношению фактической площади поверхности контакта к номинальной площади.

Если вода хорошо смачивает данную поверхность, то увеличение шероховатости приводит к усилению смачивания и, наоборот, если вода плохо смачивает поверхность, то шероховатость повышает значение краевого угла.

Краевой угол чаще всего определяют экспериментально, используя проекцию бокового изображения капли на поверхности материала. На экране очерчивают контур капли и через точку соприкосновения всех трех фаз проводят касательную к контуру капли.

Капиллярное впитывание обусловлено подъемом жидкости по капиллярам материала при соприкосновении с ее поверхностью. Как известно, капиллярный подъем жидкости связан со смачиванием стенок капилляра, образованием вогнутого мениска и возникновением капиллярного давления, стремящегося поднять жидкость в капилляре до тех пор, пока масса столба жидкости не уравновесит это выталкивающее давление. Согласно формуле Жюрена высота h подъема жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению σ и косинусу краевого угла θ и обратно пропорциональна радиусу R капилляра:

h = 2 σ cos θ /(R γ g),

где γ — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.

Капиллярные процессы в текстильных материалах представляют собой суммарный эффект капиллярного проникновения жидкости в пространства между волокнами и нитями, т. е. в макрокапилляры. Поэтому на капиллярность тканей, трикотажа, нитепрошивных нетканых полотен оказывают существенное влияние структурные параметры нитей и материалов. Например, высота капиллярного подъема воды в трикотаже, выработанном из капроновых комплексных нитей, в три раза ниже, чем в трикотаже из текстурированных нитей эластик.

Капиллярное перемещение жидкости в трикотаже значительно меньше, чем в тканях, а вдоль основы ткани больше, чем вдоль утка.

Нетканые материалы на основе холстов обладают высокоразвитой капиллярно-пористой структурой и поэтому отличаются вы­сокой капиллярностью.

Влага может быть связана с материалом тремя вида связи: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

К химически связанной влаге относится гидратационная влага.

К физико-химически связанной влаге принадлежит сорбционная влага, влага поглощения водяных паров волокнами.

К физико-механически связанной влаге относится влага смачивания и капиллярного впитывания.

В процессе сушки в первую очередь удаляется физико-механически связанная влага, затем физико-химически связанная влага, а при длительном нагревании и высокой температуре может быть удалена и химически связанная влага.

Скорость удаления влаги зависит от вида связи и условий сушки. Наиболее быстро удаляется физико-механически связанная влага, поэтому материалы, изготовленные из волокон с низкими сорбционными свойствами (триацетатные, полиэфирные, полиакрилонитрильные и др.), способны к быстрому высыханию.

Поглощение волокнами влаги сопровождается выделением теплоты, называемым теплотой сорбции.

Различают интегральную теплоту сорбции, показывающую, какое количество теплоты выделяется при полном насыщении 1 г сухого волокнистого материала.

И дифференциальную теплоту сорбции, которая показывает, какое количество теплоты выделяется при поглощении 1 г воды текстильным материалом.

Показатели теплоты сорбции зависят от влажности волокна. Чем выше влажность волокна, тем меньшее количество теплоты выделяется при поглощении водяных паров. Волокна, обладающие высокой гигроскопичностью (шерстяное, вискозное, хлопковое), при сорбции влаги выделяют большее количество теплоты по сравнению с волокнами малой гигроскопичности (ацетатное волокно).

При поглощении влаги волокнами наблюдается увеличение их размеров, особенно поперечника, т.е. происходит набухание волокон. Значительное увеличение поперечных размеров волокон по сравнению с их длиной связано с продольной ориентацией макромолекул фибрилл в структуре волокон. Молекулы воды, проникая в глубь волокна, ослабляют связи между макромолекулами, увеличивают расстояние между ними, что являются причиной существенных различий в показателях физико-механических свойств одного и того же материала с разной степенью влажности. Поэтому для объективной оценки свойств текстильных материалов их исследования рекомендуется проводить при определенной, так называемой нормальной относительной влажности воздуха, равной 65 %.

Гигроскопические свойства текстильных материалов определяют назначение этих материалов в одежде. Так, для белья, платьев, блузок, сорочек и т.д. требуются материалы, обладающие высокими сорбционными свойствами, способностью к смачиванию и капиллярному впитыванию влаги. Для верхних изделий (пальто, плащи и т.п.), которые при носке подвергаются воздействию атмосферных осадков, необходимы материалы с пониженной способностью к смачиванию.