Строительные и отделочные материалы — Химические волокна
Технология производства вторичной структуры химических волокон отличается от получения первичной структуры — именно об этом и пойдёт речь в нашей статье. Волокна с первичной структурой в отдельных случаях могут быть использованы для изготовления из них изделий. Это чаще всего относится к искусственным волокнам из целлюлозы. Вискозные волокна, формуемые мокрым способом, испытывают заметные механические натяжения при отводе нити в осадительной ванне, поэтому первичная структура вискозных волокон получается более упорядоченной, чем структура ацетатных волокон, формуемых сухим способом.
К тому же следует принимать во внимание, что макромолекулы целлюлозы сравнительно жёсткие и при выпадении из раствора образуют пачечную систему, более трудно поддающуюся перестройке, чем, например, первичная структура полиамидных волокон. Кроме того, удлинение вискозных волокон с первичной структурой можно регулировать при их формовании, устанавливая его требуемых пределах. С учётом всего этого вискозные волокна с первичной структурой используются для выработки обычных текстильных изделий. Прочность на разрыв таких волокон может колебаться в широких пределах в зависимости от условий их формования.
Ацетатные волокна используются для производства изделий также с первичной структурой. Их прочность на разрыв невысока, но достаточна для обычных целей. Что же касается синтетических волокон, то они почти всегда подвергаются дополнительному вытягиванию для придания им лучших механических свойств. Технология производства вторичной структуры химических волокон для получения высокопрочных вискозных кордных волокон выполняется путём перестройки первичной структуры пластификационным вытягиванием. Ацетатные волокна в случае надобности также могут подвергаться вытягиванию для придания им высокой прочности.
Из этого следует, что первичную структуру всех химических волокон можно подвергнуть перестройке для получения высокопрочных волокон. Такую перестройку производят с учётом особенностей и свойств каждого вида волокон. Как общее правило, перестройку первичной структуры свежесформованных волокон осуществляется путём вытягивания при температуре выше температуры стеклования полимеров в волокнах, т.е. при нагревании.
Вытягивание вискозных волокон для получения высокопрочного корда необходимо производить непосредственно после выхода волокон из осадительной ванны, где им была придана первичная структура — этого требует технология производства вторичной структуры химических волокон. Выдерживание волокон даже в мокром состоянии снижает их способность к вытягиванию, так как происходит повышение энергии сцепления макромолекул.
Таким образом, основными условиями вытягивания и упрочнения вискозных волокон являются высокая (до 95 градусов Цельсия) температура с целью интенсификации теплового движения звеньев и частей макромолекул (сегментов) и некоторое снижение степени сцепления макромолекул в первичной структуре. В этих условиях свежесформованные вискозные волокна могут быть вытянуты на 100 и более процентов с повышением прочности от двух до четырёх раз. Возникает вопрос: какие процессы протекают при вытягивании и формовании и какова технология производства вторичной структуры химических волокон.
Первичная структура химических волокон составляется из пачек макромолекул различной формы и размера, обусловлена их взаимным расположением и сцеплением. Её перестройка может включать перестройку структурных элементов с изменением формы макромолекул; изменение формы и размеров пачек; изменение их взаимного расположения и сцепления.
Перестройка первичных структур элементов зависит от энергии сцепления макромолекул и их гибкости. Электронномикроскопические исследования процесса вытягивания волокон показывают, что при вытягивании вискозных волокон первичные структурные элементы (пачки) по толщине заметно не изменяются и лишь в той или иной мере распрямляются. Большая часть клубковидных и изогнутых пачек макромолекул переходит в нитевидную вытянутую форму.
Совсем иная картина получается если технология производства вторичной структуры химических волокон применяется для вытягивания невытянутых полиамидных волокон. В этом случае происходят уменьшение поперечных размеров пачек и переход изогнутых, клубковидных пачек в распрямлённое состояние. По мере вытягивания волокон снижается количество сферолитов, и в ряде случаев в полностью вытянутом волокне их уже не удаётся обнаружить.
Электронномикроскопические исследования процесса вытягивания свежесформованных волокон дают основание считать, что при вытягивании вискозных волокон с жёсткими макромолекулами коренная перестройка структурных элементов (пачек) не происходит, наблюдается лишь перераспределение междупачечных связей при выпрямлении структурных элементов, в результате чего и фиксируется приобретённая структура волокна. Надо полагать, что форма макромолекул в пачках мало или совсем не изменяется.
Другая картина процесса вытягивания наблюдается при упрочнении полиамидных волокон. Технология производства вторичной структуры химических волокон показывает как в данной ситуации более резко выражены изменения некоторых свойств волокон. Их удлинение при вытягивании сильно понижается за счёт снижения необратимого удлинения. В оставшемся после вытягивания химических волокон удлинении значительное место приобретает обратимая (упругая и ускоренно эластичная) часть удлинения. В процессе вытягивания полиамидных волокон происходит образование шейки, т.е. заметное утонение, не месте которого образуется новая структура волокна, придающая ему повышенную прочность на разрыв. Поэтому волокно на месте шейки не рвётся, как это наблюдается при разрыве образцов многих металлов.
Перестройка структурных элементов (пачек) полиамидных волокон сопровождается перекристаллизацией и изменением конформации макромолекул; последнее может выражаться в виде изменения звеньевой и молекулярной извитости. При этом уменьшение поперечных размеров структурных элементов, ясно наблюдаемое на электронномикроскопических снимках, протекает при перераспределении внутри- и межмолекулярных водородных связей. Разорванные при вытягивании внутримолекулярные связи между — NH — и — CO — группами перебрасываются на те же группы, но расположенные в разных макромолекулах.
Технология производства вторичной структуры химических волокон говорит нам о том, что при вытягивании полиамидных волокон утонение пачек макромолекул вызвано снижением звеньев извитости. Этого не происходит при вытягивании целлюлозных волокон, так как звенья их макромолекул имеют жёсткую циклическую структуру. Перекристаллизация полиамидных волокон при вытягивании облегчается гибкостью их макромолекул, чем они также отличаются от вискозных волокон.
В итоге вытягивания полиамидных волокон их прочность повышается в несколько раз (как и вискозных волокон), а удлинение снижается в десятки раз, т.е. в значительно большей мере, чем при вытягивании вискозных волокон — всё это имеет место быть если не нарушается технология производства вторичной структуры химических волокон. На примерах вытягивания вискозных и полиамидных волокон видно, что механическое вытягивание свежесформованных волокон вызывает резкое изменение их первичной структуры, а также механических свойств, причём особенно заметно повышается прочность волокон на разрыв.
По технологии производства без механического вытягивания получить высокопрочные волокна невозможно. В процессе этой операции происходят различные физические и химические изменения в волокнах, в числе которых можно отметить повышение ориентации макромолекул и надмолекулярных образований, перераспределение внутри- и межмолекулярных связей (особенно водородных), изменение энтропии системы. Химические волокна при этом обычно переводятся более напряжённое состояние.
Если вискозные волокна подергаются вытягиванию непосредственной связи с образованием первичной структуры осадительной ванне, то полиамидные волокна могут быть выдержаны даже в течении суток без заметного ухудшения способности к вытягиванию. Всё же со временем свежесформованные полиамидные волокна труднее подергаются вытягиванию, что вызвано протекающими в них процессами кристаллизации.
Полиамидные волокна могут быть вытянуты и на холоду, но лучшие результаты вытягивания получаются при нагревании. Поэтому последнее время при нагревании вытягивают не только кордные, но и текстильные полиамидные нити, благо технология производства вторичной структуры химических волокон это позволяет.
В процессе вытягивания волокон повышается их кристалличность, улучшается ориентация молекулярных и надмолекулярных образований в аморфных областях. Правда, снижаются также устойчивость к истиранию, усталостная прочность, способность восприятия красителей и затрудняется проведение некоторых других процессов, но зато повышается модуль упругости, устойчивость к сохранению формы и размеров изделий и особенно прочность на разрыв, что очень важно для производства технических и особенно резино-технических изделий.