4. Основные свойства волокон и их размерные характеристики

ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 Гигроскопичность - это способность материала поглощать из окружающей среды и отдавать в окружающую среду водяные пары и воду. Гигроскопичность волокна характеризуется его влажностью при нормальных условиях (температура 20 'С, относительная влажность воздуха б5%). Количество гигроскопической влаги в волокне зависит от его химической структуры, от относительной влажности и температуры воздуха. Наличие в волокнах полярных групп - ОН, - NН₂, - СООН, - СОNН обусловливает большую гигроскопичность и хорошую окрашиваемость волокон. Отсутствие таких групп в большинстве синтетических волокон является причиной их малой гигроскопичности, трудности окрашивания и значительной химической стойкости. Чем больше относительная влажность воздуха, тем больше влажность волокон. Чем выше температура воздуха, тем ниже влажность волокон.

 Впитываемая волокном влага проникает между макромолекулами и ослабляет связи между ними, вследствие чего уменьшается прочность волокон и увеличиваются их мягкость, гибкость и удлинение. Исключением являются волокна хлопка, у которых при увеличении влажности разрывная нагрузка увеличивается примерно на 15%.

 Влажность волокон W, %, определяют путем их высушивания в сушильном шкафу от массы при фактической влажности воздуха mф до сухой массы mс и рассчитывают по формуле W = (mф - mс)/mс х 100.

 В табл. 4 приведена кондиционная влажность различных волокон при нормальных условиях (при 20 С и 65 % относительной влажности воздуха), а также фактическая влажность при относительной влажности воздуха 95 %, когда волокна на ощупь остаются сухими.

4. Влажность волокон

Волокно	Влажность волокна, %, при относительной влажности воздуха, %
	65	95
Хлопок	8	18 - 20
Лен	12	19 - 21
Шерсть	15 - 17	38 - 40
Шелк натуральный	11	37 - 39
Вискозное	11 - 12	35 - 40
Ацетатное	7	13 - 15
Триацетатное	5	5 - 6
Капрон	5	7 - 8
Лавсан	0,5	0,6 - 0,7
Спандекс	0,8	0,9
Нитрон	1,5	6
Хлорин и поливинилхлорид	0,5	0,7 - 0,8
Винол	5 - 7	10 - 14

 Благодаря гигроскопичности волокон одежда поглощает пот, выделяемый кожей человека, и отдает его в окружающую среду. Испарение потовых выделений понижает температуру человеческого тела. Волокна при поглощении влаги выделяют тепло. Это приводит к увеличению давления водяных паров в волокне, что в свою очередь вызывает удаление части влаги из волокна и поглощение волокном тепла. Эффект охлаждения тела уменьшается. Таким образом, как при поглощении влаги волокном, так и при ее испарении волокна защищают тело человека от резкого влияния окружающей среды. Чем выше поглощаемость влаги волокном, тем сильнее его защитное действие, тем выше его гигиеничность.

 При погружении в воду волокна впитывают ее. Различные волокна впитывают воду с разной скоростью и в неодинаковом количестве. Целлюлозные волокна, например, впитывают воду быстро и в большом количестве, волокна шерсти впитывают ее медленно и еще в большем количестве, синтетические волокна впитывают воду очень мало. При впитывании воды волокна набухают,размеры их изменяются.

 Различная способность волокон к набуханию объясняется их химическим составом и молекулярной структурой. Так, при погружении в воду целлюлозных волокон молекулы воды проникают между молекулярными цепями целлюлозы, раздвигают их и вызывают набухание волокна. В волокнах хлопка молекулы целлюлозы уложены более плотно, чем в искусственных волокнах, и связи между ними более прочны, поэтому их набухаемость меньше набухаемости вискозных волокон.

 При набухании волокон несколько увеличивается их длина: у хлопка, шерсти, капрона - на 1,2, у шелка - на 1,7, у вискозного волокна - на 3 - 5 %.

 В табл. 5 приводятся данные, характеризующие набухаемость волокон в воде.

5. Набухаемость волокон в воде

Волокно	Увеличение, %
	длины волокна	площади поперечного сечения волокна	объема волокна
Хлопок	1 - 1,2	22 - 42	40 - 45
Лен	1 - 1,2	25 - 40	40 - 45
Шерсть	1,2 - 1,8	18 - 38	36 - 41
Шелк натуральный	1,5	20	30 - 40
Вискозное (комплексное)	3 - 5	40 - 50	80 - 110
Вискозное (штапельное)	5 - 8	50 - 65	95 - 120
Полинозное	-	-	60 - 65
Ацетатное	0,1	6 - 11	20 - 25
Триацетатное	-	-	12 - 18
Капрон	1,2	2 - 5	10 - 14
Лавсан	-	-	3 - 5
Нитрон	-	-	4 - 6
Винол	1,1	8 - 10	25

 Иногда длина волокон (чаще вискозных) после набухания уменьшается. Это объясняется тем, что до увлажнения молекулы волокна находились в растянутом зафиксированном состоянии, а после набухания волокна приняли равновесное изогнутое положение, что привело к уменьшению длины волокон и вследствие этого - к усадке тканей.

 Молекулы воды легко проникают в аморфные участки волокна и с трудом - в кристаллические. Из-за того, что кристаллические участки расположены главным образом по длине волокон, набухание последних по длине очень ограниченно. Хотя у шерсти и нитрона аморфная фаза примерно одинаковая, благодаря большому содержанию полярных групп в шерсти ее аморфная фаза набухает значительно больше. Чем больше набухаемость волокон, тем больше они теряют прочность при намокании (исключая хлопок и лен) и тем большей становится усадочность тканей из них. При набухании волокна могут удержать количество влаги, в два раза превышающее их массу, а после отжима на центрифуге влаги остается 70 - 90 % массы волокна.

 Однако после высыхания волокна прирост его поперечного сечения уменьшается и составляет, %:

	После набухания
	В холодной воде	В горячей воде
Хлопок  Вискозное волокно  Шерсть  Натуральный шелк  Капрон	3  4  1  1  0	5  8  12 - 14  12  0

  Поглощенная волокном влага удерживается в виде свободной, заполняющей поры, межклеточные пространства, связанной или сорбированной воды, заполняющей межфибриллярные пространства или пропитывающей клеточные оболочки, и гидратационной, или химически связанной, воды.

 Наличие сорбированной и гидратационной воды имеет большое значение, потому что в процессах влажно-тепловой обработки тканей она является пластификатором, обеспечивающим переход волокон в высокоэластическое состояние и способствующим формуемости изделий. Свободная вода не является пластификатором волокна, но при влажно-тепловой обработке ускоряет нагревание волокон и формование изделий.

 Свободная и сорбированная вода удаляется при сушке волокон сравнительно легко, а гидратационная - лишь в токе сухого нейтрального газа при температуре 120 - 125 'С.

 Если поместить волокна в среду с влажностью около 0%, из них начинает удаляться влага, причем синтетические волокна теряют влагу быстро, хлопок, натуральный шелк, вискозное волокно высыхают медленнее, а шерсть еще медленнее.

СТОЙКОСТЬ ВОЛОКОН К НАГРЕВАНИЮ

 Стойкость к нагреванию у разных волокон различная. Повышенная температура влияет на прочность, удлинение и упругость волокон, а также на их внешний вид и химическую структуру. При повышении температуры разрывная нагрузка большинства волокон понижается, а удлинение увеличивается; лучше проявляются упругие свойства.

 В зависимости от характера изменения свойств волокон под действием повышенных температур различают теплостойкость и термостойкость волокон.

 Теплостойкость волокон характеризуется обратимыми изменениями их свойств от действия высоких температур и измеряется при повышенной температуре. Она определяет предельные температуры, которые в течение длительного времени не ухудшают свойства волокон (разрывную нагрузку, эластичность и др.), обусловливает режимы тепловых обработок тканей в текстильном производстве.

 Термостойкость волокон характеризуется необратимыми изменениями их свойств от действия высоких температур и определяется после охлаждения волокна до нормальной температуры. Она определяет возможную потерю прочности и удлинения в зависимости от степени нагревания и его продолжительности, обусловливает возможность использования тканей для изготовления тех или иных изделий.

 И тепло-, и термостойкость имеют большое значение для определения режимов влажно-тепловой обработки тканей в швейном производстве.

 Теплостойкость различных волокон характеризуется следующими предельными температурами, °С:

Хлопок  Лен  Шерсть  Шелк натуральный  Вискозное волокно  Полинозное волокно  Ацетатное волокно

130 - 140  160 - 170  100 - 110  100 - 110  140 - 150  140 - 150  80 - 90

Триацетатное волокно  Капрон  Лавсан  Нитрон  Хлорин  Поливинилхлорид  Винол

150 - 160  100 - 110  160 - 170  160 - 170  60 - 70  65 - 100  180 - 190

 Все волокна можно разделить на термопластичные и нетермопластичные. К первой группе относятся в основном синтетические волокна (капрон, лавсан, нитрон, хлорин) и некоторые искусственные (ацетатное, триацетатное), ко второй - все натуральные волокна, а также ряд искусственных (вискозные, полинозные).

 При кратковременном повышении температуры в термопластичных волокнах происходит разрыв межмолекулярных связей, вызывающий течение полимера и его рекристаллизацию, сопровождающуюся изменением свойств волокна.

 При охлаждении термопластичных волокон восстанавливаются их исходная структура и механические свойства. Если действие повышенной температуры продолжалось длительное время, возникают необратимые изменения свойств волокон. При сравнительно кратковременном (в течение нескольких часов) нагревании нетермопластичных волокон сначала происходит деполимеризация (распад макромолекул), а затем разрушение и обугливание вещества. Потеря разрывной нагрузки волокон зависит от температуры и времени нагрева (табл. 6).

6. Термостойкость волокон

Волокно	Температура нагревания, 'С	Время действия температуры, ч	Уменьшение разрывной нагрузки волокна, %
Хлопок	150	72	50
»	150	300	100
»	170	150	80
Лен	170	150	10
Шелк натуральный	140	Длительно	20 - 30
Шерсть	140	»	15 - 20
»	170	»	40
Вискозное	120	Кратковременно	2
»	140	Длительно	10
»	170	»	55 - 60
Ацетатное	150	72	30 - 35
Триацетатное	170	Длительно	30
Триацетатное *	170	»	15
Капрон	60	»	20
»	120	»	50
»	150	»	75 - 80
Капрон*	150	»	15 - 20
»	150	Кратковременно	0
Лавсан	150	Длительно	50
»	150	Кратковременно	18 - 20
»	180	Длительно	60
»	200	Кратковременно	40
Лавсан*	200	»	23
Спандекс	80 - 120	»	10
Нитрон	150	48	0
»	200	60	40 - 45
Нитрон	180 - 200	Кратковременно	0
Хлорин	100	»	70

* Термостабилизированное волокно.

 Тепло- и термостойкость химических волокон может быть повышена путем их стабилизации. Стабилизация волокон может быть осуществлена кипячением в воде, действием насыщенного или перегретого пара, горячего воздуха или газа, соприкосновением с горячей металлической поверхностью, инфракрасными лучами, токами высокой частоты и другими способами.

 Процесс стабилизации предусматривает снятие остаточных напряжений в волокнах, которые возникли при вытягивании или при переработке волокон в пряжу и изделия. В результате волокна не могут самопроизвольно релаксировать при воздействии на них повышенных температур, что предупреждает усадку изделий, образование перекосов, складок, морщин, которые невозможно устранить даже при разутюживании.

 Сущность стабилизации заключается в ослаблении молекулярных связей полимера под действием высокой температуры с последующим-закреплением их после охлаждения в таких положениях, которые обеспечивают стабильность размеров волокна при тепловых обработках.

 Синтетические нити можно стабилизировать в свободном или натянутом состоянии. При стабилизации в натянутом состоянии нити вытягиваются, происходит повышение степени ориентации макромолекул, вследствие чего увеличивается их прочность и уменьшается удлинение.

 Стабилизация волокон осуществляется в несколько стадий. Например, капроновые нити в первый раз стабилизируются при промывке в кипящей воде. Если затем нить получает крутку, то необходима повторная стабилизация при температуре на 10 - 20 'С выше, чем первая. Однако стабилизация нитей и штапельных волокон не всегда оказывается достаточной, поэтому стабилизации подвергают и ткани.

 В табл. 7 приведены рекомендуемые температуры стабилизации различных волокон.

7. Температура стабилизации волокон

Волокно	Температура стабилизации, 'С
	в кипящей воде	в насыщенном паре	в горячем воздухе
Капрон	95 - 105	115 - 130	190
Лавсан	100	115 - 120	200 - 230
Нитрон	105	120 - 130	180 - 200
Хлорин	50 - 65	60 - 70	60 - 85
Винол	-	-	200 - 220
Триацетатное	-	220 - 240	-
Ацетатное	-	105 - 130	180 - 220

 Продолжительность стабилизации колеблется от 1 до 90 мин в зависимости от температуры, среды и вида стабилизируемого волокна или изделия. Так, в кипящей воде стабилизацию волокон проводят в течение 30 - 90 мин, в насыщенном паре - 10 - 60 мин (для триацетатного волокна 1 - 3 мин), в горячем воздухе - 5 - 30 мин. После тепловой обработки волокна рекомендуется проводить охлаждение, причем чем ниже температура среды, тем эффективнее стабилизация. В результате стабилизации фиксируется форма ткани, уменьшается усадка при стирке, предупреждается усадка при влажно-тепловой обработке, уменьшается набухание волокна в воде, увеличивается теплостойкость волокон и стойкость ткани к сминанию, улучшается внешний вид изделий и изменяются механические свойства волокон, в ряде случаев повышается степень кристалличности волокна.

 Стойкость химических волокон к действию высоких температур может быть повышена и введением в полимер небольших добавок термостабилизаторов (соединений меди, хрома и магния, а также гидрохинона, салициловой кислоты и др.). Например, при введении в поликапролактам (капрон) небольшого количества оксифенилбензоксазола после нагревания в течение 2 ч при температуре 200 'С разрывная нагрузка волокна падает только на 20 - 22 %, в то время как то же волокно без стабилизатора снижает свою разрывную нагрузку на 80 %. Кроме того, теплостойкость волокна может быть повышена добавлением небольшого (12 - 15 %) количества иных полимеров. Например, теплостойкость поливинилхлоридных волокон может быть повышена добавлением диацетилцеллюлозы, нитроцеллюлозы и др.

 При воздействии на нестабилизированные химические волокна повышенной температуры или при превышении температуры стабилизации проявляется тепловая усадка, что очень важно учитывать при влажно-тепловой обработке швейных изделий во избежание искажения формы изделия. Из натуральных волокон только шерсть способна к небольшой тепловой усадке при действии температур выше 240 С. Однако уже при 120 'С начинается разложение шерстяного волокна, которое особенно интенсивно происходит при 170 - 180 'С.

 В связи с тем что влажно-тепловая обработка изделий проводится кратковременно (в течение долей минуты), ее режим может быть значительно выше теплостойкости волокон.

 К пониженным температурам различные волокна имеют неодинаковую устойчивость. Хорошо выдерживают пониженные температуры натуральные и искусственные волокна. Синтетические волокна в этом отношении менее устойчивы. Например, хлорин уже при - 20 С теряет эластичность, начиная с - 25 'С становится хрупким; капрон становится хрупким при - 40, винол при - 50, лавсан при - 70 'С.