Сорбционные свойства волокон и нитей

Сорбция – сложное физико-химическое явление поглощения твердыми или жидкими телами газов, паров, растворенных веществ и микроскопических твердых частиц, например дымов. Частным случаем сорбции является поглощение текстильными материалами из окружающей среды паров воды, которое существенно влияет на физические свойства волокон и нитей, в том числе на размеры поперечного сечения, массу, тепловые, ди­электрические, оптические свойства, а также на механические (например, разрывную нагрузку при растяжении, способность деформироваться и др.).

В зависимости от предварительного содержания в волокнах и нитях водяных паров, в данных условиях окружающей среды (температуре и относительной влажности воздуха) может протекать процесс сорбции (дальнейшее поглощение водяных паров) или обратный процесс (отдача паров в окружающую среду), называемый десорбцией.

Тело, поглощающее газообразные вещества, называется сорбентом, а поглощаемое вещество – сорбатом.

Если сорбция не сопровождается образованием химического соединения между сорбентом и сорбатом, она называется физической сорбцией, а в противном случае – химической сорбцией. Процессы, составляющие физическую сорбцию, обычно обратимы.

Если волокна или нити из среды с меньшей относительной влажностью попадают в среду с большей относительной влажностью, начинается процесс поглощения водяных паров внешней поверхностью волокон или нитей. Чем больше влажность среды и меньше влажность сорбента, тем больше молекул воды удерживается на его поверхности. Поглощение паров воды поверхностными слоями сорбента называется адсорбцией. При изменении условий окружающей среды процесс адсорбции или десорбции протекает очень быстро – в течение нескольких секунд или долей секунды.

По мере насыщения наружных поверхностей молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства, т. е. имеет место диффузионный процесс, называемый абсорбцией, характеризующий поглощение водяных паров всем объемом волокон и нитей. Молекулы воды, имеющие размеры на несколько порядков меньше размеров молекул полимеров, составляющих волокна и нити, имеют возможность свободно проникать в пространства между ними. Абсорбция протекает медленно, и равновесие достигается по истечении нескольких часов.

При смачивании стенок капилляров водой происходит сжижение паров воды в стенках капилляров. Этот процесс длится долго (несколько часов) и называется капиллярной конденсацией.

Поглощение в одинаковых условиях различными волокнами и нитями разного количества водяных паров зависит главным образом от их химического состава, определяющего число гидрофильных групп, а так же структуры, которая определяет размеры активной поверхности волокон и доступность ее для молекул воды.

Волокна и нити, в макромолекулах которых имеются сильнополярные группы ОН, NН₂, СООН, СОNН и т. п., создающие на поверхности волокон значительное свободное силовое поле обладают большей способностью поглощать водяные пары и называются гидрофильными, или гигроскопичными; к числу таковых относятся в первую очередь целлюлозные и белковые волокна. Наиболее гигроскопичными являются шерсть, шелк, лен, джут, хлопок и вискозное волокно. В отличие от них полимеры гидрофобных волокон (полиамидные, полиэфирные, полиуретановые, полиолефиновые) не имеют полярных групп и обладают низкой способностью к поглощению водяных паров.

В одних и тех же условиях при одинаковом химическом составе регенерированная целлюлоза с менее упорядоченной и рыхлой структурой (например, в вискозном волокне) обладает большей способностью поглощать пары воды, чем природная целлюлоза (хлопковое волокно), обладающая большими упорядоченностью и плотностью упаковки молекул.

Молекулы водных паров совершают колебательные движения с большей или меньшей интенсивностью (в зависимостиоттемпературы воздуха). Сталкиваясь с поверхностью волокон и нитей, одни из них удерживаются на их поверхности, другие отрываются. Отметим, что в процессе сорбции первых больше, чем вторых, а при десорбции – наоборот. При насыщении материала наступает подвижное равновесие, когда количество молекул водяных паров, удерживающихся на поверхности волокон и нитей и отрывающихся одинаково, и неуравновешенные силы межмолекулярного взаимодействия как на внешней, так и внутренней поверхностях волокон и нитей уравновешиваются молекулами воды. Такой момент соответствует сорбционному равновесию, т.е. полному насыщению материала при данных условиях.

Влажность материала, соответствующая сорбционному равновесию, называется равновесной влажностью и выражается в процентах. Истинное сорбционное равновесие может быть достигнуто только после очень длительного (сутки и более) выдерживания материала в одних и тех же постоянных условиях.

Волокна различного вида в одних и тех же условиях сорбции имеют различную равновесную влажность (табл. 2).

Таблица 2

Равновесная влажность волокон

Волокно	Равновесная влажность волокон при относительной влажности воздуха j, %
j = 65 %	j = 95 %
Хлопок	7-8	20-25
Лен	11-12	19-21
Шерсть тонкая		38-40
Шерсть грубая		-
Шелк-сырец	10,5	37-39
Вискозное	12-13	33-35
Ацетатное (диацетатное)	6-6,5	10-14
Триацетатное	4,5-5,2	10-11
Капроновое	3,5-4,5	7-8
Лавсановое	0,4-0,5	0,5-0,7
Нитроновое	0,5-1	1,5-1,6
Хлориновое	0,2-0,3	0,7-0,9
Спандекс	0,8	0,8-0,9
Полипропиленовое

 

Шерстяное волокно характеризуется наибольшим по сравнению с другими содержанием влаги при всех значениях относительной влажности воздуха, так как группы – NН₂ в главной цепи, а также группы – ОН, – NН₂, – СООН в боковых цепях активны к воде.

Влажность шелка заметно ниже влажности шерсти, поскольку боковых цепей в его макромолекулах меньше и, как результат этого, плотность упаковки их выше, что уменьшает активную поверхность и доступность ее для молекул воды.

Несмотря на один и тот же химический состав с хлопком, влажность вискозного волокна выше в 1,8 раза. Это объясняется их неодинаковой структурой: в вискозном волокне молекулы не столь упорядочены, ниже и плотность их упаковки; отсюда большая активная поверхность и доступность ее для молекул воды.

Ацетатное волокно имеет более чем в 1,5 раза меньшую влажность, чем вискозное, так как в нем две гидроксильные группы целлюлозы из трех замещены инертными к воде ацетильными группами.

Синтетические волокна обладают еще меньшей способностью поглощать воду и водяные пары. Так, у полиамидных волокон (капрон, найлон и др.) при любой относительной влажности воздуха равновесная влажность более чем в два раза меньше, чем у хлопкового. Полиакрилонитрильные волокна (нитрон, орлон), содержащие группы – СN, абсорбируют несколько больше влаги, чем карбоцепные синтетические волокна других видов. Полиэфирные волокна (лавсан, терилен), в состав которых входят бензольные кольца и группы – СН₂ – и – СОО – (в главной цепи), неактивны к воде и имеют по сравнению с другими синтетическими волокнами значительно меньшую влажность.

Гидрофильность волокон зависит не только от химического состава и структуры, но также от обработок, которым волокна подвергаются при отделке. Так, гидрофильность окрашенного хлопка ниже, чем сурового. Если в воздухе, насыщенном водяными парами, равновесная влажность сурового хлопка равна 21 %, то окрашенного прямым чисто-голубым красителем – 18. Возможно, молекулы красителя, проникая в набухшее волокно, уменьшают его активную поверхность.

Содержание водяных паров влияет и на некоторые свойства волокон и нитей, в частности на разрывную нагрузку и удлинение при разрыве. У всех волокон наблюдается уменьшение разрывной нагрузки (за исключением хлопка и льняного волокна) и увеличение разрывного удлинения. Объясняется это набуханием волокон и уменьшением межмолекулярного взаимодействия между элементами их структуры. Повышение прочности хлопкового и льняного волокна объясняется тем, что в результате набухания уменьшается угол наклона элементов структуры к продольной оси. Для исключения влияния влажности на результаты испытаний пробы предварительно выдерживают в нормальных атмосферных условиях (температура 20 ± 2 °С, относительная влажность воздуха 65 ±2 %) в течение 24 ч.

Сорбция водяных паров сопровождается выделением тепла. Наибольшее количество тепла выделяется при поглощении водяных паров сухим материалом. По мере увеличения содержания водяных паров количество выделяемого тепла интенсивно уменьшается. Чем выше гигроскопичность волокон, тем в одинаковых условиях окружающей среды они выделяют больше тепла. Поэтому шерстяное и вискозное волокна обладают наибольшей теплотой смачивания. Для текстильных волокон, применяемых в большом количестве для изготовления теплоизолирующей одежды, свойство выделять тепло при сорбции водяных паров очень ценно, так как при выходе из теплого помещения на холодный воздух, содержащий больше водяных паров, происходит компенсация снижения температуры воздуха.

Поглощение водяных паров и особенно воды при непосредственном соприкосновении с ней сопровождается набуханием волокон, существенным в поперечном и очень незначительным в продольном (осевом) направлении. Увеличение диаметра волокон и нитей приводит к усадке текстильных материалов.

Тепловые свойства

Важными характеристиками волокон и нитей, предназначенных для выработки текстильных полотен бытового назначения, являются тепловые свойства, выражающие отношение волокон и нитей к действию высоких температур, вызывающих изменение структуры и в конечном итоге разрушение (деструкцию) материала. К ним относятся теплостойкость, термоустойчивость (термостойкость) и огнестойкость.

Теплостойкость характеризует поведение волокон и нитей в условиях повышенных температур и оценивается максимальной температурой, которая в течение длительного времени не ухудшает свойства волокон (разрывную нагрузку, эластичность и др.). Теплостойкость обусловливает режим тепловых обработок материалов.

Термоустойчивость (термостойкость) характеризует температуру, после которой происходят необратимые изменения показателей свойств волокон. И тепло- и термостойкость имеют большое значение для определения режимов влажно-тепловой обработки материалов в швейном производстве.

При отделке полотна подвергаются кратковременному (секунды) или длительному (часы) нагреву. Так, например на опаливающих машинах ткани проходят с большой скоростью над пламенем газовых горелок или докрасна раскаленных металлических плит. В варочных котлах отварка хлопчатобумажных и льняных тканей проводится при температуре 125–130 °С и длится от 2 до 12 ч Сушка после отбеливания осуществляется при температуре 100 °С и выше, стабилизацию капроновых тканей проводят при температуре 190 °С в течение 40– 45 с, а лавсановых – при 210–220 °С Действию высоких температур материалы подвергаются и при изготовлении, и эксплуатации швейных изделий. Поэтому очень важно выбрать оптимальные режимы тепловых обработок в зависимости от волокнистого состава материалов.

В табл.3. приведены характеристики тепло- и термостойкости различных волокон [2].

Таблица 3

Теплостойкость и термостойкость текстильных волокон

Волокно	Условное обозначение	Теплостойкость, °С	Термостойкость, °С
Хлопок	ВХ	130-140	180-220
Лен	ВЛн	160-170	180-220
Шерсть	ВШрс	100-110	170-180
Шелк натуральный	ВШ	100-110
Вискозное	ВВис	140-150	175-200
Полинозное		140-150
Ацетатное	ВАц	80-90	140-150 – начало деформирования 190-230 – разложение
Триацетатное	ВТрац	150-160	288-300
Капроновое	ВК	100-110	196-215
Лавсановое	ВЛс	160-170	255-265
Нитроновое	ВНитр	160-170	250 (при 200 начинает чернеть)
Хлориновое	ВХлр	60-70	95-100
Поливинилхлоридное	ВПВХлр	65-100	120-150
Спандекс	–	–	80-120
Полиэтиленовые	ВПэт	–	110-138
Полипропиленовые	ВПпр	–	160-170

Натуральные и искусственные волокна и нити не размягчаются и не плавятся (за исключени­ем ацетатного). При нагреве до определенной температуры начинается их химическое разложение. Синтетические волокна термопластичны, т. е. способны размягчаться и затем плавиться. Наиболее термоустойчивы среди синтетических полиэфирные (типа лавсан) и полиакрилонитрильные (типа нитрон) волокна. Полиамидные значительно уступают им, так как интенсивно окисляются кислородом воздуха. Из натуральных наименее термоустойчивым является шелк, который, имея в два раза большую исходную относительную прочность по сравнению с хлопковым волокном, примерно через 130–140 ч полностью разрушается. Температурные характеристики (например температура плавления) могут служить критерием распознавания волокон и нитей.

По огнестойкости натуральные и химические волокна резко отличаются друг от друга. Асбестовые и стеклянные волокна не горят, а только плавятся при высокой температуре (выше 1000°С). Шерстяные, шелковые, ацетатные, капроновые, лавсановые и нитроновые волокна горят лишь в пламени, но вне пламени перестают гореть. Хлопковое, льняное, вискозное и медно-аммиачное волокна сгорают очень быстро как в пламени, так и вне его.

⇐ Предыдущая234567891011

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: