Их классификация, строение и основные свойства

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 31Следующая ⇒

Все используемые в настоящее время в текстильной промышленности волокна подразделяются на две большие группы: природные (натуральные) и химические. В свою очередь природные волокна можно подразделять по их происхождению на растительные (хлопок, лен, пенька, джут, манила, рами), животные (шерсть, натуральный шелк) и минеральные (асбестовое волокно).

Из группы природных волокон наиболее существенный вклад в сырьевую базу текстильной промышленности вносят хлопок, шерсть, лен. Натуральный шелк производится в ограниченном количестве, а другие волокна преимущественно используются для технических целей.

К химическим волокнам относятся искусственные и синтетические волокна. Искусственные волокна получают на химических предприятиях, но из природного сырья как органического (в основном, древесная и хлопковая целлюлоза), так и неорганического (соединения кремния, металлы, их окислы и сплавы) происхождения. Синтетические волокна производят из волокнообразующих полимеров, получаемых синтетическим путем: полиамидов, полиэфиров, полиолефинов и др. Классификация основных видов текстильных волокон приведена в табл. 4. В связи с ростом потребностей человека в текстильных материалах и ограниченностью возможностей увеличения производства натуральных волокон доля химических волокон в сырьевой базе текстильной промышленности все время возрастает, о чем свидетельствуют сведения по выпуску основных видов текстильных волокон в мире (табл. 5).

Среди химических волокон в последние годы доминирующее положение занимают полиэфирные, полипропиленовые, полиамидные, полиакрилонитрильные и вискозные, причем наблюдается наиболее быстрый рост выпуска полиэфирных и полипропиленовых волокон.

Таблица 4

При этом производство полиамидных и полиакрилонитрильных волокон хотя и увеличивается, но их доля в общем выпуске постепенно снижается. Быстро развивается также производство эластомерных нитей, получаемых на основе полиуретановых волокон (спандекс, лайкра и др.), которые в последние годы приобрели важное значение.

Таблица 5

Мировое производство основных видов текстильных волокон

Виды волокон	Годы

Выпуск, млн. тонн
Хлопок	3, 2	6, 6	11, 8	19, 4	22, 7
Шерсть	0, 7	1, 1	1, 7	2, 0	1, 3
Искусственные (целлюлозные)		1, 6	3, 6	3, 2	3, 2
Синтетические		0, 1	4, 8	16, 2	34, 8
Всего	3, 9	9, 4	21, 9	40, 8	62, 0

В перспективе прогнозируется развитие как существующих волокон (в первую очередь полиэфирных, полипропиленовых, вискозных высокомодульных), так и создание принципиально новых волокон на базе новых видов сырья, новых технологий.

Первичным сырьем для многих видов химических волокон в настоящее время служат нефть, газ и каменный уголь, добыча и потребление которых ежегодно возрастают. По данным ученых уже к середине 21–го столетия эти виды сырьевых материалов будут близки к истощению. Поэтому на смену или в дополнение к традиционным должны придти новые сырьевые ресурсы для производства волокнообразующих полимеров, получение которых будет основано на воспроизводимых растительных ресурсах, продуктах биотехнологий и связывании углекислого газа и азота из атмосферы.

Важнейшим возобновляемым видом исходного сырья для волокон являются целлюлоза, крахмал и другие полисахариды растений. Химические волокна на основе возобновляемого растительного сырья, безусловно, имеют важнейшие перспективы развития, как в ближайшие годы, так и особенно в более далекой перспективе по мере истощения месторождений нефти, газа и угля. Из новых и весьма перспективных волокон на основе целлюлозы растений следует назвать волокна Lyocell, а на основе крахмалсодержащего растительного сырья ― полилактидные волокна.

Одним из перспективных направлений в создании новых технологий и волокон является применение принципов биомиметики и генной инженерии. Уже сделаны первые шаги в исследованиях по созданию процессов управляемого синтеза химически и пространственно регулярных блок–сополимеров и на их основе технологий получения новых волокон. В настоящее время на принципах генной инженерии разработаны методы биохимического получения белка типа фиброиноподобного блок–сополипептида и уже получены искусственные протеиновые волокна ― аналоги натурального шелка и паутины.

Текстильные волокна независимо от их происхождения состоят из высокомолекулярных соединений ― волокнообразующих полимеров. Молекулярная масса таких полимеров составляет от 100 ― 200 тыс. до 1 ― 2 млн. У химических волокон она колеблется от 15 ― 20 тыс. до 200 ― 300 тыс. Эти значения являются среднестатистическими, так как все высокомолекулярные соединения, как природные, так и синтетические, полидисперсны.

Волокнообразующие полимеры отличаются от других полимеров как размерами макромолекул, так и их формой. Макромолекулы обычно сильно вытянуты в длину, которая во много раз превосходит их диаметр. Макромолекулы состоят из отдельных многократно повторяющихся элементарных звеньев. На концах макромолекулярных цепей, а в ряде случаев и в самих элементарных звеньях, обычно имеются активные функциональные группировки. Некоторые макромолекулы имеют боковые ответвления различной сложности и длины. Наличие объемистых боковых ответвлений уменьшает гибкость макромолекулярных цепей, причем тем сильнее, чем больше размер ответвлений.

Свойства волокон и их взаимодействие с красителями зависят не только от химического строения макромолекул, образующих волокнистые материалы, но и от расположения этих макромолекул в волокне, т.е. тонкой или надмолекулярной структуры волокон. Это понятие включает представления о степени упорядоченности расположения макромолекул полимера, наличии в волокне кристаллических и амор-фных структур, соотношении между ними, возникновении и локализации сложных макромолекулярных ассоциатов ― микрофибрилл, фибрилл и других более сложных надмолекулярных образований.

По современным представлениям небольшие пучки макромолекул объединяются между собой благодаря действию межмолекулярных сил (силы Ван–дер–Ваальса, водородные связи, реже ковалентные связи, например в шерстяном волокне, ) и образуют микрофибриллы, из которых в свою очередь формируются более крупные молекулярные комплексы ― фибриллы.

Макромолекулы в микрофибриллах расположены преимущественно параллельно друг другу. Однако вследствие их большой длины и гибкости имеются и такие участки, где параллельное ориентированное расположение макромолекул нарушается, поэтому микрофибриллы являются анизотропными образованиями. Они включают различные по плотности упаковки и степени ориентации макромолекул участки и пронизаны системой пустот, образующих субмикроскопические свободные объемы.

Микрофибриллы и фибриллы располагаются более или менее ориентированно вдоль оси волокна или под небольшими углами к ней. Макромолекулы могут проходить одновременно через соседние микрофибриллы, прочно связывая их вместе. Фибриллы скрепляются между собой менее прочно, между ними имеется много продольных трещин, пор и т. п.

Вследствие неоднородности микрофибрилл и других более крупных элементов, надмолекулярной структуры волокнообразующих полимеров в текстильных волокнах имеются кристаллические и аморфные области. Кристаллические области характеризуются высокой степенью упорядоченности расположения макромолекул, аморфные ― более хаотическим расположением макромолекул. Кристаллические и аморфные области в волокнах обнаруживаются методами рентгеноструктурного анализа и ИК–спектроскопии.

Доля объема полимера, занятая кристаллическими образованиями, может изменяться в широких пределах (35 ¾ 85 %) и зависит от происхождения волокна, условий его формования и строения макромолекул. Переход от кристаллической к аморфной части в полимере происходит не скачкообразно, а постепенно, через ряд промежуточных форм упорядоченности. При этом вполне возможно прохождение одних и тех же макромолекул как через кристаллические, так и через аморфные области (рис.2).

Наличие в волокнистых материалах микрокристаллических участков с различной степенью ориентации и уплотнения макромолекул

является важным фактором, определяющим реакционную способность, упругоэластические свойства и прочность различных волокон. Аморфные, менее уплотненные участки играют важную роль в процессах крашения и печатания текстильных материалов; они обеспечивают возможность диф-фузии красителя в толщу волокна. Плотные микрокристаллические области недоступны для молекул или ионов красителей, но их наличие обеспечивает необходимые физико–ме-ханические свойства текстильных материалов (прочность на разрыв, из- носостойкость и пр.).

Рис. 2. Микрофибриллярная модель строения волокна

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие волокна относятся к природным и химическим?

2. Чем отличаются искусственные волокна от синтетических?

3. Каковы основные свойства волокнообразующих полимеров?

4. В чем заключаются современные представления о надмолекулярной структуре текстильных волокон?

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒