СТРУКТУРА ВОЛОКОН

 Молекулярная структура. Волокна представляют собой комплекс молекул, расположенных хаотично или ориентированно вдоль волокна. Свойства волокна зависят от того, какова длина молекул и как они расположены в волокне.

 Молекулы волокон обладают большой длиной, поэтому их принято называть макромолекулами. Их молекулярная масса может находиться в пределах от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов. Молекулярная масса оказывает влияние на механические свойства волокон и вязкость расплава (раствора), из которых получают химические волокна. Так, с увеличением молекулярной массы волокон возрастают их прочность и вязкость расплава.

 Макромолекулы (полимеры) образуются из отдельных звеньев повторяющихся групп атомов (мономеров), число которых называется степенью полимеризации (поликонденсации). Степень полимеризации может составлять величину от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч.

 Макромолекулы бывают природные (целлюлоза хлопка, белок шерсти или натурального шелка) и синтетические (поликапролактам, полиэтилентерефталат, полиакрилонитрил, поливинилхлорид и др.).

 Синтетические полимеры могут быть получены реакцией полимеризации, т. е. соединением одиночных молекул без изменения их элементарного состава, и поликонденсации, т. е. соединением одиночных молекул с изменением их элементарного состава, происходящего в результате выделения каких-либо простых веществ (воды, спирта, аммиака и др.).

 Структура полимеров может быть линейной, разветвленной и сетчатой. Обозначив мономер буквой А, структуру макромолекулы можно изобразить в следующем виде:
 

-А-А-А-А-А-А-А-
Линейная структура


Разветвлённая структура


Сетчатая структура

 Полимеры с сетчатой структурой не растворяются и не плавятся, поэтому для производства волокон их не используют.

 Если в образовании полимера участвуют два или более разных мономера (А+В) или (А+В+С), то полученные макромолекулы называют сополимерами (винилхлорид + винилацетат; винилхлорид + акрилонитрил и др.). Чередование мономеров в макромолекуле может быть различным:
 

 Если второй полимер сополимера образует боковые цепи, то такой сополимер называется привитым. Изменяя содержание разных мономеров или полимеров, получают волокна, обладающие теми или иными свойствами.

 Молекулы натуральных волокон ориентируются вдоль оси волокна, однако расположение их в разных волокнах может быть различным. В хлопке макромолекулы целлюлозы линейной структуры частично расположены параллельно оси волокна, а значительная часть их лежит под различными углами к этой оси. Такие молекулы удерживаются одна около другой благодаря межмолекулярным силам, действующим в поперечном направлении. В шерсти макромолекулы кератина менее ориентированы и более изогнуты, что обусловливает меньшую прочность и большую растяжимость волокна. Макромолекулы белка шерсти представляют собой сложную сетчатую структуру, образованную из изогнутых в виде спиралей главных цепей (модификации α-кератина) и соединенных между собой боковыми дисульфидными (-S-S-), солевыми (-NН₃+-ООС-) и водородными (=О...Н-) связями. При растяжении шерсти цепи макромолекул кератина распрямляются, вследствие чего боковые цепи разрываются, а затем при охлаждении образуются в новом положении, фиксируя распрямленное положение макромолекул (модификации β-кератина). Это препятствует обратному сокращению волокон после охлаждения шерсти.

 На этом свойстве шерсти основан процесс оттягивания, посредством которого швейному изделию придается определенная форма. Если первичная влажно-тепловая обработка ткани из шерстяного волокна была непродолжительной (не более 2 мин), то после такой же вторичной обработки в свободном состоянии волокно сокращается примерно до 2/3 первоначальной длины. Это явление называется сверхсокращением шерсти.

 У химических волокон расположение молекул может быть хаотичное, частично ориентированное и полностью ориентированное в зависимости от величины вытягивания волокна в период формования (рис. 2). Молекулы в волокне могут находиться в распрямленном состоянии, изогнутом, спиральном, скрученном. Однако если даже молекула и распрямлена, то все же отдельные ее звенья или атомы располагаются под определенными углами, называемыми валентными. Поэтому даже волокна с распрямленными молекулами обладают способностью к некоторому удлинению.

 Волокна, в которых молекулы расположены хаотично, обладают большой растяжимостью. Если такое волокно вытягивать, то макромолекулы начнут смещаться и ориентироваться. При этом возникают и растут силы межмолекулярного взаимодействия. В хорошо ориентированном волокне эти силы могут быть настолько велики, что легче разорвать макромолекулу, чем сдвинуть ее относительно других молекул. При такой структуре волокна достигается его максимальная прочность.

 Однако межмолекулярные силы достигают максимальных значений лишь для линейных ориентированных макромолекул, обладающих большим числом сильнополярных групп (-ОН, -СООН, -СОNН, - NН₂). Наличие же неполярных или слабополярных групп (=СН₂, -СН₃, -СОО-) снижает межмолекулярные силы.

 Чем в большей степени распрямлены макромолекулы и чем больше они ориентированы в одном направлении, тем больше плотность их упаковки, прочность и упругость волокна и тем меньше его растяжимость. Поэтому особо прочные волокна получают путем их значительного вытягивания. Обычно ориентация молекул происходит пучками (комплексами) и не на всем их протяжении. Ориентированные участки пучков молекул имеют кристаллическое строение. Эти участки в волокне чередуются с аморфными участками, где молекулы расположены хаотично (рис. 3). Вследствие большой длины макромолекула может проходить одновременно через несколько кристаллических и аморфных участков. Целлюлозные волокна имеют аморфно-кристаллическое строение.

 Пучки макромолекул соединяются в более крупные формирования, называемые микрофибриллами, которые в свою очередь группируются в макрофибриллы, называемые просто фибриллами. Фибриллы располагаются в волокне вдоль оси волокна или под небольшими углами к ней. Между фибриллами образуется большое количество продольных трещин и пор разных размеров. Чем больше размеры трещин и пор у волокон, тем выше их намокаемость и окрашиваемость (хлопок, вискозное волокно), и наоборот, волокна с порами меньших размеров труднее намокают и прокрашиваются (лавсан, нитрон). В природных волокнах между фибриллами залегают пигменты и другие спутники основного вещества.

 Фибриллы в волокне хлопка располагаются кольцевыми слоями, число которых достигает сорока.

 Фибриллы в волокне шерсти образуют веретенообразные клетки, расположенные вдоль волокна и склеенные межклеточным веществом.

 Морфологическая структура. Волокно хлопка представляет собой сплюснутую извитую трубочку с каналом внутри. Степень сплюснутости, извитости и размер канала в волокне хлопка зависят от степени его зрелости (рис. 4). Извитость волокон обусловливает их хорошую цепкость, что дает возможность получения прочной пряжи. Наличие в хлопке канала, заполненного воздухом, обеспечивает его пониженную теплопроводность, что дает возможность выработать из него изделия с хорошими теплозащитными свойствами.

 Элементарные волокна льна представляют собой длинную тонкую и гладкую клетку с заостренными концами. В поперечном срезе элементарные волокна имеют вид многоугольника с четырьмя - шестью гранями с узким каналом посередине (рис. 5). При рассмотрении волокон под микроскопом наблюдаются характерные сдвиги и утолщения, появляющиеся в результате механических воздействий на волокна при их первичной обработке (мятье).

 Внутреннее строение стенок льняного волокна, как и хлопка, характеризуется слоистостью, наклонно-спиральным расположением комплексов молекул целлюлозы. Строение молекул целлюлозы льна отличается большей степенью полимеризации, чем хлопка, что обусловливает большую прочность волокна. Более толстые стенки волокна также свидетельствуют о его большей, чем у хлопка, прочности. Более узкий, чем у хлопка, канал объясняет его большую теплопроводность.

 Замкнутое строение волокна препятствует прониканию внутрь красителя, что затрудняет окраску льняных тканей.

 Волокно шерсти состоит из двух-трех слоев: чешуйчатого, коркового и сердцевинного (рис. 6). Чешуйчатый слой шерсти состоит из тонких роговидных пластинок различных размеров и формы. Он защищает корковый слой от вредных химических и физических воздействий, в значительной степени обеспечивает валкоспособность и блеск шерсти.

 Корковый слой шерсти состоит из веретенообразных клеток и определяет основные свойства волокна - его прочность, растяжимость, упругость, гибкость, мягкость. В клетках коркового слоя содержится пигмент, от которого зависит естественная окраска волокна.

 Сердцевинный слой шерсти состоит из рыхлых клеток и промежутков, заполненных воздухом. Размеры сердцевинного слоя в зависимости от типа шерстяных волокон могут быть различными. Этот слой уменьшает теплопроводность шерстяных волокон, но в то же время снижает их прочность, растяжимость, гибкость, извитость и другие свойства.

 Элементарные нити натурального шелка представляют собой гладкие тонкие шелковинки значительной длины с неодинаковым по всей длине поперечным сечением - нить из округлой с одного конца становится постепенно лентовидной на другом конце (рис. 7). Гладкой поверхностью нитей объясняются скольжение тканей, осыпаемость и раздвигаемость нитей в шелковых тканях, осложняющие их обработку в швейном производстве.

 Внутреннее строение элементарных шелковинок характеризуется наличием цепеобразных макромолекул фиброина, ориентированных вдоль оси волокна.

 Химические волокна в отличие от натуральных имеют более простое строение. Это тонкие прутки с относительно гладкой поверхностью и разнообразным поперечным сечением (рис. 8).

 Волокна капрона, анида, лавсана, полипропилена и полинозные имеют круглую форму поперечного сечения и гладкую поверхность. Вследствие гладкой поверхности и малой цепкости волокон при эксплуатации изделий, выработанных из штапельных волокон, отдельные волокна при незначительных натяжениях вытягиваются из пряжи и образуют на поверхности изделия петлистый ворс. Благодаря высокой прочности и значительной устойчивости волокон к истиранию вытянутые петли ворса не обрываются, а под действием трения в процессе эксплуатации изделия скатываются на его поверхности в шарики, образуя т. н. пиллинг.

 Гладкая поверхность синтетических волокон придает изделиям неприятный блеск, способствует раздвиганию и осыпаемости нитей в тканях, но делает их приятными на ощупь.

 Для уменьшения блеска волокон производят их матирование двуокисью титана, но это ухудшает прочность, светостойкость и другие свойства. Снижение блеска волокон может быть достигнуто также обработкой горячими растворами мыла, фенола, уксусной кислоты и др. Все большее применение находит метод получения профилированных волокон с поперечным сечением в виде звезды, прямоугольника, треугольника и др. (рис. 9). Профилированные волокна обладают пониженным по сравнению с обычными блеском, большей цепкостью, они уменьшают пиллинг и смещение нитей в ткани, но более жестки на ощупь. Такие волокна имеют лучшую кроющую способность, определяющую застилистость тканей. Цепкость штапельных волокон может быть повышена также путем придания им извитости. 

 Извитость волокон обусловливает также повышенную эластичность и объемность изделий.

 Вискозное, ацетатное, триацетатное, хлориновое и поливинилхлоридное волокна имеют неправильную форму поперечного сечения с изрезанными в разной степени краями. Волокна, обладающие значительным блеском, часто выпускают матированными. Эти волокна также могут вытягиваться из пряжи на поверхность и образовывать ворс, но из-за более низкой устойчивости к истиранию он при эксплуатации изделия перетирается и отпадает.

 Волокно нитрон имеет форму поперечного сечения, напоминающую контуры земляного ореха. Поверхность волокна гладкая, с приятным блеском.

 Для получения легкого и малотеплопроводного волокна стали вырабатывать пустотелые синтетические волокна, которые получаются путем применения фильер с профилированными отверстиями (рис. 10). Такие волокна имеют большую кроющую способность и лучшие упругие свойства.