Садыкова Ф.Х. и др. Текстильное материаловедение и основы текстильных производств

Подождите немного. Документ загружается.

Поглощение в одинаковых условиях разными волокнами и

нитями разного количества водяных паров зависит главным об-

разом от их химического состава, определяющего число гидро-

фильных групп, а так же структуры, которая определяет размеры

активной поверхности и доступность ее для молекул воды.

Так, максимальная влажность (%) различных тканей после

выдерживания в течение 24 ч при температуре воздуха 25 °С

и относительной влажности 100 %/будет следующая:

Волокна и нити, в макромолекулах которых имеются силь-

нополярные группы ОН, NH2, СООН, CONH и т. п., создающие

на поверхности волокон значительное свободное силовое поле,

обладают большей способностью поглощать водяные пары и на-

зываются гидрофильными, или гигроскопичными; к числу тако-

вых относятся в первую очередь целлюлозные и белковые во-

локна. Наиболее гигроскопичными являются шерсть, шелк, лен,

джут, хлопок и вискозное волокно. В отличие от них гидрофоб-

ные полимеры не имеют полярных групп.

В одних и тех же условиях при одинаковом химическом со-

ставе 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 упоря-

доченностью и плотностью упаковки молекул. Точно так же

мерсеризованный хлопок благодаря сильному набуханию и,

как следствие этого, увеличению количества доступных для мо-

лекул воды гидрофильных групп имеет по сравнению с обыч-

ным хлопком повышенную способность поглощать пары воды.

Молекулы водных паров совершают колебательные движе-

ния с большей или меньшей интенсивностью (в зависимости от

температуры 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 мате-

риала наступает подвижное равновесие, когда количество моле-

кул водяных паров, удерживающихся на поверхности волокон

и нитей и отрывающихся одинаково, и неуравновешенные силы

межмолекулярного взаимодействия как на внешней, так и внут-

ренней поверхностях волокон и нитей уравновешиваются моле-

кулами воды. Такой момент соответствует сорбционному равно-

весию.

Влажность материала, соответствующая сорбционному рав-

новесию, называется равновесной влажностью и выражается в

Льняная (100%)

Льнолавсановая (50 % + 50 %)

Льновнскозная (75 % + 25 %)

Вискозная (100%)

Хлопчатобумажная (100%)

26,4

15,3

31,8

41.7

22.8

процентах. При приближении к состоянию Сорбциойного равно-

весия интенсивность сорбции или десорбции паров воды умень-

шается, процесс протекает все более замедленно. С изменением

относительной влажности и температуры воздуха изменяется и

значение равновесной влажности.

Содержание водяных паров на внешней поверхности волокон

и нитей изменяется очень быстро, в течение нескольких секунд,

затем наступают новые условия равновесия с окружающей сре-

дой. Проникание молекул воды в межмолекулярные простран-

ства, т. е. абсорбция, при повышении относительной влажности

воздуха или, наоборот, отдача избытка их при уменьшении

влажности среды осуществляется значительно медленнее. По-

этому истинное сорбционное равновесие может быть достигнуто

только после очень длительного (сутки й более) выдерживания

материала в одних и тех же постоянных условиях.

Условия окружающей среды все время изменяются, и тек-

стильные материалы не успевают достигнуть равновесного со-

стояния, соответствующего содержанию в них равновесной

влажности. Поэтому в практике, считая что волокна и нити

имеют равновесную влажность, фактически имеют в виду ус-

ловную величину равновесной влажности, близкую к истинной,

которая достигается в рыхлой волокнистой массе за 2—6 ч, в

нитях — за 6—8 ч.

Кривые, характеризующие зависимость равновесной влаж-

ности материала W

от относительной влажности воздуха <р

при постоянной температуре, называются изотермами сорбции

(рис. 31). Как видим, различного вида волокна в одних и тех

же условиях сорбции имеют различную равновесную влажность.

Шерстяное волокно характе-

ризуется наибольшим по сравне-

нию с другими содержанием вла-

ги при всех значениях относи-

тельной влажности воздуха, так

как группы —NH

в главной це-

пи валентности, а также группы

—ОН, —NH

, —СООН в боко-

вых цепях активны к воде.

Влажность шелка заметно ни-

же влажности шерсти, поскольку

боковых цепей в его макромоле-

кулах меньше и, как результат

этого, плотность упаковки их вы-

ше, что уменьшает активную по-

верхность и доступность ее для

молекул воды.

Несмотря на один и тот же

химический состав с хлопком,

влажность вискозного волокна

Wp,%

Рис. 31. Изотермы сорбции водя-

ных паров при температуре 25°С

различными волокнами:

/ — шерстью тонкой; 2 — вискозным;

3 — шелком-сырцом; 4 — хлопком; 5 —

ацетатным; 6 — полиамидным; 7 — по-

лиакрйтонитрильным; 8 — полиэфир-

ным

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 аце-

тильными 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 примерно в два раза меньше,

чем у хлопкового. Полиакрилонитрильные волокна (нитрон, ор-

лон), содержащие группы — CN, абсорбируют несколько боль-

ше влаги, чем карбоцепные синтетические волокна других ви-

дов. Полиэфирные волокна (лавсан, терилен), в состав которых

входят бензольные кольца и группы — СНг — и —СОО— (в це-

пи главных валентностей), неактивны к воде и имеют по сравне-

нию 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 водя-

ными парами, равновесная влажность сурового хлопка равна

21%, то окрашенного прямым чисто-голубым красителем —

18 %, окрашенного тем же красителем, но с закрепителем

ДЦУ-16 %.

Возможно, молекулы красителя, проникая в набухшее во-

локно, уменьшают его активную поверхность.

Содержание водяных паров влияет и на некоторые свойства

волокон и нитей, в частности на разрывную нагрузку и удлине-

ние при разрыве. У всех волокон наблюдается уменьшение раз-

рывной нагрузки (за исключением хлопка и льняного волокна)

и увеличение разрывного удлинения. Объясняется это набуха-

нием волокон и уменьшением межмолекулярного взаимодейст-

вия между элементами их структуры. Повышение прочности

хлопкового и льняного волокна объясняется тем, что в резуль-

тате набухания уменьшается угол наклона элементов струк-

туры их к продольной оси. Для исключения влияния влаж-

ности на результаты испытаний пробы предварительно выдер-

живают в нормальных атмосферных условиях (температура

20±2°С, относительная влажность воздуха 65 + 2%) в тече-

ние 24 ч.

При любой относительной влажности воздуха равновесная

влажность при десорбции выше, чем при сорбции ввиду увеличе-

ния рыхлости структуры и увеличения активной поверхности во-

локон и доступности ее для молекул воды.

По даннЫм различных авторов, разница между влажностью

при сорбции и десорбции в нормальных условиях составляет от

0,25 до 2,5 % для различных волокон.

Содержание водяных паров в волокнах зависит и от темпе-

ратуры воздуха — чем выше температура, тем при любых зна-

чениях относительной влажности воздуха влажность волокон

ниже. Так, равновесная влажность хлопка при относительной

влажности воздуха 65 % и температуре воздуха 20 °С состав-

ляет 7,5 %, а при 70 °С — 5 %; равновесная влажность шерсти

при температуре 25 °С — 14 %, а при 65 °С — 11,2 %.

Сорбция водяных паров сопровождается выделением тепла.

Наибольшее количество тепла выделяется при поглощении водя-

ных паров сухим материалом. По мере увеличения содержания

водяных паров количество выделяемого тепла интенсивно

уменьшается. Чем выше гигроскопичность волокон, тем в одина-

ковых, условиях окружающей среды они выделяют больше теп-

ла. Поэтому шерстяное и вискозное волокна обладают наиболь-

шей теплотой смачивания. Для текстильных волокон, применяе-

мых в большом количестве для изготовления теплоизолирующей

одежды, свойство выделять тепло при сорбции водяных паров

очень ценно, так как при выходе из теплого помещения на хо-

лодный воздух, содержащий больше водяных паров, происходит

компенсация снижения температуры воздуха.

Поглощение водяных паров и особенно воды при непосред-

ственном соприкосновении с ней сопровождается набуханием

волокон, существенным в поперечном и очень незначительным

в продольном (осевом) направлении (см. табл. 5).

Процессы отделки текстильных материалов почти всегда про-

текают в водной среде. Например, вода является средой, из ко-

торой поглощаются красители и различные пропиточные веще-

ства. Набухание волокон и нитей в воде приводит к повышению

способности его поглощать красители и изменению линейных

размеров (табл. 5)., Поэтому, при крашении тканей из трудно-

окрашиваемых волокон применяют вещества, способствующие

их набуханию.

Весьма важным свойством волокон и нитей является хоро-

шая и равномерная смачиваемость водой, водными растворами

и дисперсиями, которая определяет в дальнейшем скорость и

равномерность окрашивания. В зависимости от назначения

тканей предъявляются различные требования в отношении

смачиваемости (сравните, к примеру, ткани, предназначенные

для пошива платьев или белья и изготовления зонтов или

плащей).

Во время смачивания поверхность раздела волокно — воздух

заменяется поверхностью раздела волокно — вода или волок-

но — раствор. Смачиваемость зависит от химической природы

поверхности волокон (или нитей) и ее шероховатости, т.е. мик-

рорельефа, и проявляется в полном илй частичном растекании

Табл. 5. Изменение размеров волокон в воде, %,

при температуре 25 °С

Волокно

Площадь поперечного

сечения

Длина

Хлопок

Лен

Шерсть

Шелк

Вискозное

Ацетатное

Капроновое

Нитроновое

суровый

мерсеризованный

20-34

26—40

40—47

22-26

18-20

40—65

0,1—0,2

1,1 — 1,2

1,3—1,7

4—7

0,1—0,3

2—3

1,5—2

0,2

6—8

3—5

5—6

жидкой капли, соприкасающейся с поверхностью материала.

Неполное смачивание характеризуется возникновением линей-

ной границы раздела трех фаз: жидкость — волокно — воз-

дух, т. е. образованием краевого угла смачивания 0 (последний

представляет собой угол между касательными, к поверхности

раздела волокно — воздух и к поверхности раздела жидкость —

воздух).

Случаи полного смачивания имеют место, когда краевой

угол не образуется, т. е. равен нулю, жидкость в этом случае

безгранично растекается по поверхности материала (волокон,

нитей).

Смачиваемость тем больше, а краевой угол тем меньше, чем

больше молекулярное сродство смачивающей жидкости к по-

верхности волокон и нитей. При плохой смачиваемости волокон

нитей применяют различные поверхностно-активные вещества

(смачиватели), снижающие поверхностное натяжение жидкости

и образующие гидрофильные слои на поверхностях гидрофоб-

ных волокон и нитей.

Наиболее распространенной характеристикой гигроскопических

свойств является влажность.

Различают влажность фактическую, нормальную, макси-

мальную и кондиционную (нормированную).

Фактическая влажность — масса влаги, удаляемая высуши-

ванием в определенных условиях (обычно при температуре

105—110°С). Выражается в процентах от массы абсолютно

сухого вещества и определяется по формуле

где т„ — начальная масса пробы в момент отбора; т

— масса пробы после

высушивания (до постоянной массы).

ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

= — m

) 100/m,

(60)

Нормальная влажность — влажность, которую приобретает

материал при выдерживании в нормальных атмосферных усло-

виях.

Максимальная влажность — влажность, которую приобрета-

ет проба после выдерживания в эксикаторе при температуре

20°С и относительной влажности воздуха, близкой к 100 %, в

течение 4 ч.

Затем пробу высушивают до постоянной массы и определя-

ют максимальную влажность

^шах — (

B —

с) Ю0/т

, (61)

где т, — масса пробы после выдерживания в течение 4 ч в эксикаторе.

В табл. 6 приведены значения равновесной влажности основ-

ных видов волокон при температуре воздуха 20—25 °С и отно-

сительной влажности ф = 65 % и ф = 95 %.

Табл. 6. Равновесная влажность волокон

Волокно Ф=65 % ф=95

Хлопок

7-8

18-

-20

Лен

11-12

19--21

Шерсть тонкая

17 38-

-40

Шерсть грубая 15

Шелк-сырец

10,5

37-

-39

Джут

13 35--36

Вискозное

12—13

27-

-33

Диацетатное

6—6,5 10-

-14

Триацетатное

4,5-5,2 10-

-и,

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

Как видим, максимальная влажность много выше нормаль-

ной, иногда в 2—3 раза.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЛОКОН

И НИТЕЙ

Для определения влажности материала применяют прямые ме-

тоды (тепловые, дистилляционные) и косвенные (электрические

и др.).

Из прямых широкое и основное применение имеет метод вы-

сушивания пробы волокон, нитей или полотен (обычно мас-

сой 200 г) в сушильных аппаратах ACT, называемых тепловла-

гомерами (рис. 32), путем продувания, через пробу горячего

воздуха температурой 107 ± 2°С.

Рис. 32. Схема тепло-

влагомера

Воздух всасывается вентилятором 1, нагревается с помощью

теплоэлектронагревателя 4. Проба закладывается в сетчатую

корзину 5, подвешенную к крючку 9 коромысла весов 8. Масса

пустой корзины уравновешивается чашкой весов и противовесом

7. Температура воздуха в сушильной камере контролируется

термометром 6. Регулировка температуры осуществляется тер-

морегулятором или, если его нет, заслонками 2 и 3. Горячий

воздух проходит через пробу, помещенную в корзину 5 и ка-

меру 10 для предварительной подсушки заранее взвешенной

следующей пробы и ускорения ее высушивания в основной каме-

ре до постоянной массы.

Этот метод весьма точен и пригоден для определения влаж-

ности любых текстильных материалов, но недостатком его яв-

ляется длительная сушка (час и более). Быстрее высушивание

протекает в кондиционных аппаратах с инфракрасными лампа-

ми. Схема весов аппаратов такого типа приведена на рис. 33.

Пробу волокон 3 помещают на проволочную площадку 4,

подвешенную к правому плечу коромысла весов 2 и уравнове-

шивают гирями, расположенными в чашке 1, подвешенной к

левому плечу коромысла весов так, чтобы стрелка 6 установи-

лась на нулевом делении шкалы 7. Лампы инфракрасного из-

лучения 5 помещены под площадкой 4 с пробой. Воздух,

засасываемый из помещения в рабочую камеру, проходит через

пробу, высушивает ее и выбрасывается из рабочей камеры..

В приборе имеется реле времени, контролирующее длительность

высушивания и терморегулятор, устанавливающий температуру

высушивания в начале и конце высушивания.

§§

йз косвенных методов наиболее широкое применение на-

шел метод определения влажности с помощью электровлаго-

меров.

В электровлагомере, принципиальная схема которого изобра-

жена на рис. 34, имеются конденсатор-датчик 3, конденсатор

переменной емкости 4 со шкалой 6 и указателем 5, включенные

в цепь переменного тока микрофонного генератора 2. Конден-

саторы 3 и 4 подобраны так, что при отсутствии материала

между обкладками конденсатора-датчика 3 емкости их равны

и минимальны. Генератор 2 получает питание от батареи 1

постоянного тока или сети переменного тока. Через конденса-

тор-датчик 3 проходит ток /ь а через конденсатор 4 — ток/2,

равный /[. Ток /1 вызывает^ в точках 7 и 10 емкостного моста

такое же по величине напряжение, что и ток /3, но только про-

тивоположного направления, так как< в приборе применены оди-

наковые выпрямители 9. В силу этого разность потенциалов бу-

дет равна нулю и стрелка гальванометра 8 будет находиться

на нулевом делении.

Если проба имеет влажность, то при закладке его в каче-

стве изолирующего слоя между обкладками конденсатора-дат-

чика 3 емкость последнего уве-

личивается, равенство емкостей

конденсаторов 3 я 4 наруша-

ется и сила тока 11 становит-

ся больше силы тока /

. По-

этому в точках 7 и 10 емкост-

ного моста возникает разность

потенциалов, измеряемая галь-

ванометром 8 и тем боль-

шая, чем больше влажность

Рис. 33. Схема сушильной установки

с инфракрасными лампами

Рис. 34. Схема электровлагомера

материала. Поворачивая ручку с указателем 5, увеличивают ем-

кость конденсатора 4, добиваясь равенства его емкости с ем-

костью конденсатора-датчика 3, и считывают по шкале 6 пока-

затель влажности пробы в процентах.

Электровлагомер позволяет измерять влажность с точностью

± 0,2 %. Имеются электровлагомеры для определения влажно-

сти хлопкового, вискозного, шерстяного и других волокон и со-

ответствующих видов пряжи непосредственно на паковках.

В этом случае в толщу намотки пряжи вводятся игольчатые

электроды.

Постоянные изменения температуры и относительной влаж-

ности окружающей среды приводят к изменению влажности во-

локон нитей, а следовательно, к изменениям их массы, что вы-

зывает затруднения при приемке их и сдаче.

Приемку волокон и нитей по количеству осуществляют не

по фактической, а по кондиционной массе — фактической массе

волокон и нитей, приведенной к кондиционной влажности.

Кондиционную массу вычисляют по формуле

= т

(100 + W

)/( 100 + Г

), (62)

где

Шф

— фактическая масса материала, кг; W

— кондицирнная (нормиро-

ванная) влажность, %; №ф— фактическая влажность, %.

Кондиционная влажность для текстильных материалов раз-

личных видов установлена стандартами, обычно по своей вели-

чине она близка к нормальной влажности W

Кондиционная влажность, %, различных волокон и нитей

приведена ниже:

Хлопковое волокно

8 Шелковая пряжа 8,5

Пряжа хлопчатобу-

Асбестовая крученая

мажная нить

Пряжа мерсеризован-

Вискозное волокно

ная

Вискозная комплекс- 11

Лен трепаный

ная нить

Пряжа льняного мок-

Вискозная пряжа

рого прядения

Ацетатная нить

Шерсть мытая Капроновая нить

тонкая

17 Лавсановое волокно

грубая

15 Нитроновое волокно

Пряжа шерстяная

18,25 Хлориновое волокно

0,5

гребенная

Стеклянное волокно

0,1-0,4

Шелк-сырец и шелк

крученый

7. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА

Важными характеристиками волокон и нитей, предназначенных

для выработки текстильных полотен бытового назначения, явля-

ются тепловые свойства, выражающие отношение волокон и

нитей к действию высоких температур, вызывающих изменение

структуры и в конечном итоге разрушение (деструкцию) матери-

ала. К ним относятся теплостойкость, термоустойчивость (тер-

мостойкость) и огнестойкость.

Теплостойкость характеризует поведение волокон и нитей в

условиях повышенных температур и оценивается максимальной

температурой, выше которой имеет место резкое ухудшение

свойств материала, делающее его негодным для дальнейшего

применения.

Термоустойчивость (термостойкость) характеризует устойчи-

вость волокон и нитей к термической деструкции, необратимые

изменения показателей их свойств после длительного нагрева и

оценивается уровнем ухудшения этих свойств после нагрева и

выдерживания их в нормальных атмосферных условиях.

При отделке полотна подвергаются кратковременному (се-

кунды) или длительному (часы) нагреву. Так, например на

опаливающих машинах ткани проходят с большой скоростью

над пламенем газовых горелок или докрасна раскаленных ме-

таллических плит. В варочных котлах отварка хлопчатобумаж-

ных и льняных тканей проводится при температуре 125—130°С

и длится от 2 до 12 ч. Сушка после отбеливания осуществля-

ется при температуре 100 °С и выше; стабилизацию капроно-

вых тканей проводят при температуре 190°С в течение 40—

45 с, а лавсановых — при 210—220 °С. Действию высоких

температур они подвергаются и при эксплуатации изделий.

В табл. 7 приведены характеристики теплостойкости различных

волокон.

Табл. 7. Характеристики теплостойкости различных волокон

Волокно

Температура, град.

Волокно

начало

потери

прочности

разложения размягчения плавления

Хлопок

150

Выше 160 Не размяг- Не пла-

чается

вится

Лен

150

—

То же То же

Шерсть 135

Выше 170

Шелк

120

Выше 170

Вискозное -

150

180—200

» »

Медно-аммиачное

120

150

Ацетатное

95-100

105-110

210

230—250

Капроновое

90—100

—

200

215-218

Лавсановое

160—170

—

235

250-255

Полиакрилонитрильное

180—200

—

235

—

Хлориновое

70-80

80-100

Из данных табл. 7 видно, что натуральные и искусственные

волокна и нити не размягчаются и не плавятся (за исключени-

ем ацетатного). При нагреве до определенной температуры на