А.К. Баданова, К.И.Баданов

ТарГУ им.М.Х.Дулати, г. Тараз, Республика Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРОВ

Все текстильные волокна представляют собой высокомолекулярные соединения. В процессе отделки текстильных волокон в них происходят структурные изменения [1]. Под структурой полимеров следует подразумевать взаимное расположение в пространстве, внутреннее строение и характер взаимодействия (связи) между единичными элементами, образующими макроскопическое полимерное тело. С этой точки зрения, структура волокнообразующих полимеров характеризуется набором характеристик, основными из которых являются следующие:

- молекулярный состав;

- надмолекулярная структура;

- значительная анизотропия свойств, вызванная ориентированным состоянием вдоль оси волокна;

- дефектность структуры.

Известно множество работ, достаточно полно описывающих молекулярную структуру и химические свойства волокнообразующих полимеров. Значительно меньше литературы посвящено особенностям надмолекулярной структуры текстильных волокон. Рассматривая волокна как твердые тела и их структуру в соответствии с принятой классификацией, можно обнаружить набор постепенно усложняющихся подсистем, обладающих ограниченной автономностью. На одном из уровней набора выделяют некую главную подсистему, определяющую основные свойства тела. В полимерах такой главной подсистемой служит макромолекула.

Следует подчеркнуть взаимосвязь между молекулярным и надмолекулярным строением полимеров, причем многие свойства, обусловленные высокомолекулярным строением полимеров, выявляются и передаются через последующие надмолекулярные структуры [2]. Сложную иерархическую надмолекулярную структуру полимеров можно классифицировать по геометрическому, кинетическому и термодинамическому признакам. Структура частично кристаллических полимеров в ориентированном состоянии представляет наибольший интерес для отделочников, так как к ним относятся все текстильные волокна: как природные, так и химические. Это, в первую очередь, вызвано тем, что полимеры данного типа обладают повышенными, по сравнению с изотропными, прочностными характеристиками и, кроме того, теоретический предел их еще далеко не достигнут. Ориентированность полимеров существенно зависит от природы полимера, температуры и условий ориентации. Так, полимеры, находящиеся в вязкотекучем и высокоэластическом состояниях, из-за интенсивных релаксационных процессов слабо ориентируются; их ориентация может быть достигнута как некоторое кинетически нестабильное состояние при жестких условиях деформации (например, при формовании волокон в области фильеры). Однако обычно ориентационная структура достигается путем вытяжки почти изотропных нитей. Для достаточной подвижности цепей при ориентации вытяжка часто проводится вблизи температуры стеклования с последующей термообработкой для кристаллизации. Если же первично сформованное волокно является частично кристаллическим со сферолитной структурой, вытяжка производится при температуре ниже температуры плавления. При ориентации и деформации происходят расщепление и сдвиг отдельных кристаллитов, поворот их в направлении вытяжки. Пластические деформации могут сопровождаться образованием микротрещин, которые возникают, как правило, в направлениях, перпендикулярных оси растяжения. В зависимости от направления растяжения эти трещины могут быть пустыми или пересеченными микрофибриллами с поперечными размерами 2—100нм.

В результате рентгенографических исследований была предложена модель микрофибриллы, представляющая собой систему чередующихся кристаллических и аморфных участков (рис. 1).

Рис. 1. Модель образования микрофибрилл из ламелей:

а) распад ламелей на отдельные складчатые блоки;

б) разгибание молекулярных складок

Полимер состоит из отдельных параллельных фибрилл, сдвинутых одна относительно другой вдоль оси ориентации. При образовании микрофибрилл из ламелей, по мнению разных авторов, возможно два варианта: распад ламелей на отдельные складчатые блоки (рис. 1, а); разгибание молекулярных складок (рис. 1, б).

Основное различие в этих вариантах заключено в структуре аморфных участков фибрилл. В первом случае число проходных макромолекул, соединяющих блоки, невелико, так как большинство из них возвращается обратно в «свой» кристаллит, «сложившись на себя». Во втором случае микрофибриллы обладают большим числом проходных молекул. Компромиссной будет модель, в которой при низких температурах растяжения для полимеров со сравнительно небольшой молекулярной массой реализуется первый вариант, а с повышением температуры возрастает вероятность перестройки структуры по второму варианту. При этом предполагают, что в поле механических сил полностью разрушается исходная структура на всех надмолекулярных уровнях и создается новая микрофибриллярная структура путем перекристаллизации. Таким образом, фибриллизация является фундаментальным свойством текстильных волокон, а микрофибрилла - основной структурной единицей надмолекулярной структуры.

Аморфная часть ориентированных полимеров также обладает определенной структурой, причем выделяются области с упорядоченностью, промежуточной между кристаллитами и аморфными прослойками. В большинстве случаев структура полимера и степень его ориентации различны для внутренних и поверхностных слоев волокна. Так, для полиамидных и полиэфирных волокон, полученных формованием из расплава, характерна значительная степень ориентации макромолекул вдоль оси волокна на поверхности, тогда как во внутренних слоях степень ориентации намного меньше. При формовании волокон из растворов также возникают внутренние напряжения. Следует отметить, что необходимый в процессах колорирования переход полимера из стеклообразного состояния в высокоэластическое может быть связан не только с увеличением подвижности макромолекул или их сегментов, но и с резким увеличением обратных деформаций первичных надмолекулярных структур, в частности микрофибрилл. Полимеры, обладающие структурой, промежуточной между трехмерной упорядоченной кристаллической фазой и неупорядоченной изотропной фазой, обладают рядом ценных свойств, прежде всего, возможностью получать волокна с очень высокими прочностными характеристиками.

Литература:

1. Сафонов В.В. Химическая технология отделочного производства./ Учеб. Для вузов/ – М.: РИО МГТУ, 2002. – 280с.

2. Новорадовская Т.С., Садова С.Ф. Химия и химическая технология шерсти. М.:1985

3. Сафонов В.В. и др. Биопроцессы и комплексообразование в отделке текстильных материалов.: Уч. пособ для вузов.- М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2004 – 178с.