А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 7
Текст из файла (страница 7)
г„ Другие,: широко известные природные полимерные волокпа — ': шерсть и шелк. Это продукты животного происхождения::. шерсть — волокна волосяного покрова овец, коз, верблюдов; волокна шелка вырабатываются гусеницей шелкопря '' да (интересно, что одно такое волокно имеет длину около: километра!). С химической точки зрения в основе шерстяных ': и шелковых волокон лежат полимерные цепи белков —: кератина (шерсть) и фиброина (шелк).
Волокна, которые получаются в лаборатории или на; заводе, называются химическими волокнами. Они месут . быть двух типов: искусственные волокна, когда за основу;: берутся природные нити и модифицируются с тем, чтобы': улучшить их свойства, и синтетические волокна, синтези- ', рованные из простых химических соединений.
Искусственные волокна получают в основном из при- ' родной целлюлозы. Например, для получения вискозных ": волокон используют целлюлозу из древесной массы. Так; называемые ацетатные и триацетатные волокна можно по- ' лучить также из хлопковой целлюлозы. Из наиболее известных синтетических волокон назовем :" капроп, найлон (полиамидные волокна, т. е. волокна, со-: стоящие из полимерных цепей полиамидов), лавсан, тери-:: лен (полиэфирные волокна), нитрон, орлон (полиакрилопнтрильные волокна).
Физическое состояние, в котором должны находиться по-: лимерные волокна при нх использовании, определяется: 32 практическим назначением. ЯснО, что волОкна должны 'их и быть достаточно п(точными и не должны сколько-ниб)'дь , аметпо растягиваться под воздействием обычных продоль,„ых напр 1жепп<, которые возникают в волокне при его эксплуатации в), Это сразу исключает из рассмотрения для во. олокон внзкотекучее и высокоэластичное состояния, г(хо касается оставшихся двух состояний, то волокна могут быть кик частично-кристаллическими (нелл',олозпые волокна, найлон, лавсап), так и сгеклообразными (питроп, орлон).
Однако структура волокон в этих состояниях имеет нажну,о особенность. Если бы полимерные цепи в частично-кристаллических волоюшх были расположенытак, как это показано на рис. 2.)в, а в стеклообразных волокнах— как на рис. 2.(а, тотакиеволокна Обладали бы довольно низкими качествами: их прочность а б была оы невелика, а деформир) емость, напротив, была бы ентнровгпных части«по- вию.ительпой (достаточно по кристаллических (а) и аморсмотреть на приведенные выше фных (б) волокон зшшения модуля упругости тини гных частично-кристаллических и стеклообразных полимеров).
Исследования структуры частично-кристаллических природных волокон показали, однако, что кристалль. в пих расположены пе беспорядочно, как на рис. 2.(а, а в ссповпом параллельно оси волокна (рис. 2.3а). Точно так) нч же преимуп(ественную ориентацию полимерных цепей вдоль оси волокна пытаются создать и в химических во. локнах — как в частично. кристаллических, так и в тех, которые находятся в сгеклообразном состоянии (рис.
2.3б), ") Кстати, не следует дуь ать, что для волокон, используемых прн изготовлении бытовых тканей, ограничввающим фактором яв: що;ся напряжения, возникающие прн носке одежды. Прн получении тканей нз волокон сначала волокна скручивают в нити, " зачем из нитей ткут нли вяжут конечныи материал. Прн промыщл'нных операциях высокоскоростного кручения, прядения и вяз:щнн в волокнах возникают напряженна, как правило, значк"сльни превып|ающие те, которые встречаются при вксплуатацпн «сне шой ткани. л Ю. гросаерг, л.
Р, хо«ла« Итак, полимерные волокна всегла анизотропны — полимер- .,' ные цепи в ппх преимущественно ориентированы вдоль аси волокна. Чем выше степень апизотроппи, тем больше модуль Юнга лля продольных леформашсй я техс более проч-,:,:, ным является волокно. Как объяснить этот факт) С чем связано уира снение волокна при увеличении степени его апизотропиий Для от-, вета па этот всшрос давайте рассмотрим еще раз совершенный полимерный кристалл, изображенный па рнс. 2.16, и предположим, чта мы растяп1ваем его вдоль направления, в котором ориентированы полимерные цепи. Препятствовать:,' процессу растшкения при этом будут ковзлептные связи, ", объединяющие отлельпые звенья макромолекул в длинные,:: цепочки. Если для определенносги предположить, что ссепочки имеют углеродный остов (это так для многих важных полимеров — полиэтиленз, поливинилхлорида и г.
д.), то ковалснтные связи, формирующие цепочки, это С вЂ” С-связи, их дсформирусмость можно оцеяить исходя из того, что у алмаза, кристаллическая структура которого фиксируется кавзлентными С вЂ” С-связями, мад) ль!Опга Е-!О" Г!з. Значит, и для кристалла, изображенного на рис. 2.16, величина Е должна быть того же порядка, да н прочности на раз- '- рыв у этих двух кристаллов пе должны сильно различаться '. (естестпенно, если растягивающсе напряжение пз рис. 2.16 ., приложено вдоль полимерных цепей) С другой стороны, мы знаем, что для неориентироваяных, частично-кристаллических полимеров Е-10" —:10" Па за;! счет супсествования не до конца застекловапной аморфной ярославин межд)' кристаллитдми.
По мере ориентации кристаллитов, т. е. по мере перехода от струсмуры . рис. 2.1з к структуре рис. 2.3а, всеболыпая часгь цепей вы- ' тягивается вдоль оси волокна. Такие цепи воспринимают па себя основную нагрузку, возникающую при растяжении, и приводят к существенному упрочнению волокна и к увеличенща его модуля Юнга. Конечно, достичь прочности алмаза при этом не удается, но добиться улучшения меха-:, пяческих характеристик на полтора-два порядка зз счет: увеличения анизотропшс волокна — вполне выполнимая зада ча. Точно так же упрочняются и волокна в стеклаобраз-: пом состоянии — по мере перехода от рнс. 2.1а к риг. 2.36. Пока мы говорили о конечной структуре готового к использованию волокна. В волокнах, получаемьж из расти- ' тельных и животных продуктов (например, из хлогка илп яа шерсти), а формировании такой счруктуры позаботилясь с ~мз при(эола.
Действительна, этп частично-к(эисталлнчс" ьпе волокна ун5е изиа!Вл«,ио с!5лы!О а:5изотроипы — как „! с 2 За. й химические волокна? Возникая»т вопросы, н в;„первых, как их вообще можно получить и, во-вторых, „а;! Об5еспечить необходимую степень анизотропии. для этого обычно поступают следу5огцпм образом. Вначале ! еревол55т полимер, !О которого хотят приготовить волокно, в вязкотекучее состояни«-. Это можно сделать повали»писм те»И!ературы (если ПОлимср ДОстатО И!0 легкоплпвк5!й — найлон, лавсап).
Для тугоплавких полимеров чая!в испол, зуют растворение В хорощем растворителе, в результате ио,5учается концентрированный текучий раствор данного полимера — так называемый прядильный раствор, 11 опе.с формования волокон заключается в продавливщщи прясильиого раствора (илп расплава) ~5с(5е! мелкиеотвсрстии — фильсры в среду, в, 5зыва5опгу5о затвердсвание поли» сра г Вине тонких вола! Он.
Если волокна форм) !отея из 1;-,сплава, то такой средои может быть просто холодный !«!дух. Если же дл5! получе5щя волокон используют пря- Л,щьный раствор полимера, 5о после прохождения фильер иеобхолимо удалить из волокон расттк>ритель. Для этого растВО!'Итсль либо испар5иот, помещая Волокна В с!'рую горячего воздуха, либо подают щгги в так называемую осадительиую ванну, сойержа5цук! среду, в которой полимерньь, волокнам энергетически выгодно сжаться и в! 5толк55уть из себя растворитель.
Однако полученное таким образом волокно не являе»ся еще до !аточио ориентированным; его структура соответсп!уст рис. 2.1а и а. Чтобы получигь структуры рис. 2.3а и б„ тверлое велокно затем подвергают так называемои ориситациоииой вытяжке при температуре, превышаюп!ей зс»и!Сратуру стекловаиия (аморфных областей). На рис. 2«1 пр;дставлена характерная зависимость растягива5ощего напряжения а от оыюсительного удл55нени5! волокна 51И ялз волокон из частпюю-кр»кталлических полимеров. При малых значениях о выполняется закон Гука (2.1), причем Лс(юрма5гин упругие (обратимые): после снятия нагрузки ! 5локпо возвращается в исходное состояние. Однако, когда " 5:ряжепие, увел:щиваясь, досгигает значения о, (см. рис.
2Л), ситуация существенно изменяется: деформация на'щ! Вот самопроизвольно увеличиваться без изменения при:ксщюго напряжения (и даже при иебольщом его умень- '-'.5!ии). 1)ри этом !Са волокне образуется так называемая '!пайка», которая растст и постепенно захватывает весь ' "разсц (рис. 2.5). Б результате волоюю может растянуться -" несколько раз. Ес5есгвепно, что д!формации, возиикаю- зв Ж/Б Рис. 2.5.
Проиесс оарааоваиня «кгейки» ври растяжеиии волок- ва Рис. 2.4. Эависимость иапряжения о от отиосительиоя аеформаиии Ий лля иеориеитироваииого частичио-кристаллического во- ловик растяжении волокон; после се образования деформация полоски становится необратимой. С молекулярной точки зрения образование <ппейкв« означает, что приложенная к волокну нагрузка оказывается столь значительной, что она приводит к разрушению частично-кристаллическойг структуры с изотропной ориентацией кристаллов, показаинои на рис. 2.1и.
В области жнейки» структура перестраивается с учетом того, что полимерные цепи при растяжении ориентируются. В результате цепи располагаются так, как зто погказано на рис. 2.3п, т. е, волокно становится апнзотропным и, следовательно, более прочным. Отметим, по упрочнспие связано еще и с тем, что при переходе от рнс.
2.1в к рис. 2 За возрастает степень кристалличности, т. е. доля объема, которщо заьимают кристаллы в частично-кристаллическом волгжпе. 1!ричина этою в том, что предварительная ориектация цепей как бы гото- зе щие в воло не ие в волокне после образования «шейки», являются не.
обратимыми. Вы можете легко убедиться в том, что процессы при ориептационной вытяжке полимерных волокон происходят именно так, как это было только что описано, на следующем простейшем опыте. Лккуратно вырежьте тонкую полоску из полиэтиленовой пленки длиной 1б см и шириной 1 см. При растяжении такой полоски вы увидите, что начиная с некоторой деформации в середине полоски возникает сильно растянутая область, которая при дальнейшей деформации расширяется и в конце концов распространяется на всю полоску. Эта область аналогична «шейке», возникающей при внт основу для последующей кристаллизации, которая идет гораздо более согласованно, чем в изотропном образце,— ведь ориентация всех кристаллитов оказывается близкой к оси волокна.
В результате облегчаются возможности для роста крпсталлитов, мелкие крнсталлиты с большей вероятностью могут объединяться — все это приводит к существенному увеличению степени кристаллнчности волокна и, следовательно, к улучшению его механических характеристик. 2.5. Полимерные жидкие кристаллы и сверхвысокопрочные волокна Итак, мы описали основные стадии приготовления химического волокна. Полученные таким образом волокна пе уступают по многим своим качествам природным и в настоящее время широко применяются в текстильной промышленности. Вместе с тем, если сравнить прочности па разрыв или модуль!Онга полимерных волокон и, скажем, стали, то окажется, что эти величины для волокон на один-два порядка ниже.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
