Физико-химические основы деформации волокон из кристаллических полиолефинов
Деформация волокон из кристаллических полимеров, к которым относятся полиолефиновые волокна, происходит с образованием «шейки», которая по мере вытягивания удлиняется за счет невытянутой части волокна, причем диаметр «шейки» остается постоянным (рис. 71). Образование «шейки» в волок--
рооанное рюванное |
Рис. 71. Эффект пиейкиъ при деформации волокна из кристаллического полимера. |
нах из полиэтилена, полипропилена, а также других поли-а - олефинов связано с превращением полимера со случайно ориентированными кристаллическими участками в полимер с ориентированными кристаллами вдоль волокна. В отличие от пленок для полиолефиновых волокон, по данным рентгенографического и электроноскопического анализов, характерна фибриллярная структура, включаю- шая аморфные и кристаллические участки, чередующиеся вдоль оси фибрилл. Доказательством существования структурной неоднородности вдоль фибрилл является наличие так называемого большого периода, который обнаруживается рентгенографическими исследованиями под малыми углами.
Согласно работам ряда исследователей1, фибриллы в неориентированных полимерах существенно отличаются от фибрилл в ориентированном состоянии своим внутренним строением. В неориентированных полимерах макромолекулы расположены перпендикулярно осям фибрилл, а в ориентированных — вдоль осей. Поэтому переход при ориентации от исходной фибриллярной структуры к конечной ориентированной структуре сопровождается разрушением начальной и формированием новой.
Деформация волокон из кристаллических полимеров зависит от температуры. Зависимость напряжения, возникающего в волокне в процессе вытягивания, от степени вытягивания при различных температурах показана на рис. 72.
Рис. 72. Зависимость напряжения, возникающего в полипропиленовом волокне от степени вытягивания при различных температурах (в °С): 1—30; 2—45; 3—60; 4 -75; 5—90; 6—105; 7—120; 8—135; 9—145. Из этих данных2 видно, что по мере понижения температуры наблюдается постепенное возрастание величины напряжения, связанное с переориентацией структуры. При повышении температуры величина напряжения переориентации уменьшается и при температурах, близких к температуре плавления кристаллов полимера, наблюдается зависимость напряжения от дефор- |
мации, которая характерна для аморфных полимеров. Аналогичное явление характерно и для волокна из полиэтилена низкого давления (линейного), но эта зависимость сильно отличается для волокна из полиэтилена высокого давления (разветвленного)3- 4. Например, величина предельного напряжения при комнатной температуре для линейного полиэтилена и изотактического полипропилена обычно в 2—3 раза больше, чем для разветвленного полиэтилена. Высокие напряжения, которые возникают в полимере при переориентации кристаллов при низкой температуре, приводят к возникновению дефектов в структуре кристаллов. Так, если подвергать вытягиванию линейный полиэтилен при комнатной температуре и скорости около 0,5 м/мин, получается непрозрачное волокно белого цвета, в противоположность разветвленному полиэтилену, который после ориентации становится прозрачным. Однако если линейный полиэтилен вытягивать при 100°С, когда напряжение понижается, то волокно остается прозрачным. Непрозрачность обычно приписывают рассеиванию света пустотами, которые получаются в кристаллической структуре линейного полиэтилена и изотактического полипропилена.
Рис. 73. Рентгенограммы волокон из линейного полиэтилена: а—образец, вытянутый при комнатной температуре со скоростью 0,02-5 м/мин; б—образец, вытянутый При 100 °С со скоростью 0,125 м(мин. Степень вытягивания—около 1000%. |
Структурные различия, связанные с неодинаковыми условиями вытягивания волокна из линейного полиэтилена, ясно видны на рентгенограммах, которые представлены на рис. 73. На рис. 73,а приведена рентгенограмма линейного полиэтилена, вытянутого при комнатной температуре со скоростью 0,025 м/мин, экваториальные рефлексы которого довольно размыты и распределены под большими углами. Диффузность реф
лексов соответствует или появлению дефектов в кристаллах, или уменьшению размеров кристаллических образований. На рентгенограмме для линейного полиэтилена, вытянутого при высокой температуре (рис. 73,6), наблюдаются точечные рефлексы5.
Ось волокна |
На основании рентгенографических исследований (рис. 74) установлено, что в полиэтиленовом волокне, вытянутом при температуре, близкой к температуре плавления кристаллов полимера (рис. 74,а), ось с кристаллической ячейки, т. е. ось макромолекул, отклонена на несколько градусов от оси волокна при любой степени вытягивания.
Ось волокна |
В волокне, вытянутом при комнатной температуре (рис. 74,6), ось а кристаллов сначала устанавливается перпендикулярно оси растяжения, а оси вис располагаются беспорядочно, и только при высоких степенях вытягивания цепи начинают поворачиваться так, что ось с приближается к направлению растяжения волокна7.
Слихтер5, пользуясь методом ядерного магнитного резонанса, сделал вывод относительно структуры волокон из линейного полиэтилена, подвергнутых вытягиванию при различных температурах. На рис. 75 приведена температурная зависимость ширины резонансной линии для неориентированного полиэтилена и для волокон, подвергнутых вытягиванию при комнатной тем - Рас и Преимущественные ори.
пературе и деформированных ентации в полиэтиленовом волокне:
При ПОВЫШенНОЙ температуре. а—волокно, вытянутое пои повышенной
Для соавнения на ВИС 75 ппиве - температуре-, б-волокно. вытянутое при
и комнатной температуре.
дены кривые образцов волокна
из разветвленного полиэтилена8. В неориентированном линейном полимере наблюдается небольшое движение, так как ширина резонансной линии почти постоянна в широком интервале температур.
В противоложность этому резонансная кривая для разветвленного полиэтилена заметно сужается в этом интервале температур, что обусловлено возникновением движения кристалли-
14—1006
ческих участков, по-видимому, вызванного дефектами в местах разветвления. В случае линейного полиэтилена, который вытянут при комнатной температуре, резонансная линия сужается с повышением температуры. Вероятно, кристаллы содержат достаточное число дефектов в структуре, которые приводят
Температура, °Г Рас. 75. Температурная зависимость ширины линии ядерного магнитного резонанса для полиэтилена: ф—неориентированный линейный полиэ пилен: о—образец, подвергнутый вытягиванию при’ комнатной температуре, Д— образец, вытяну пый при высокой температуре. Пунктирная линия—образец из разветвленного полиэтилена. |
к возникновению заметного движения. Резонансные линии образцов, вытянутых при повышенных температурах, не изменяются в исследуемом интервале температур, так же как и образцы неориентированного волокна. Это, по-видимому, связано с отсутствием дефектов в кристаллической решетке полиэтилена. Для волокна, изготовленного из разветвленного полиэтилена, не установлено различия между неориентированными и подвергнутыми вытягиванию при комнатной температуре образцами, так как в самой структуре разветвленного полимера заложены дефекты. Образование дефектов в кристаллах в виде пустот удалось установить на микрофотографии однооснорастянутых пленок кристаллического полистирола9. Пустоты при деформации образцов принимают довольно правильные геометрические очертания и размеры их в несколько раз превышают размеры сферолитов.
Дефекты проявляются также и в заметном понижении плотности в зависимости от температуры и скорости вытягивания. Данные по плотности полиэтиленового волокна приведены в табл. 39. Так как плотность аморфного полиэтилена6 равна 0,85 г/см3, то ясно, что в процессе вытягивания волокна получаются пустоты, образование которых зависит от скорости и температуры деформации.
ТАБЛИЦА 39 Зависимость плотности волокна из линейного полиэтилена от скорости деформации и температуры 3>5
|
Изменение структуры полиолефиновых волоком в зависимости от температуры вытягивания оказывает влияние на физикомеханические свойства. В табл. 40 приведены показатели свойств полипропиленового волокна, вытянутого при 30 и 120°С (скорость вытягивания 0,31 м/мин)2.
Прочность, пересчитанная на истинное сечение, определяется по уравнению:
где сги—прочность образца, пересчитанная на истинное сечение в момент разрыва; сгн— прочность образца, рассчитанная на начальное сечение;
/1 — длина образца в момент разрыва;
/о— начальная длина образца.
Прочность, пересчитанную на истинное сечение (сги)> следует рассматривать как величину, связанную с изменением числа межмолекулярных и внутримолекулярных связей в процессе вытягивания волокон. Действительно, прочность ои представляет произведение двух величин: прочности, рассчитанной на первоначальное сечение (сгн), и удлинения V Величина <тн зави-
К
сит от числа химических связей, а удлинение - у - определяется
‘о
гибкостью цепных молекул. Величина <ти не изменится только в том случае, если число межмолекулярных и внутримолекулярных связей в процессе вытягивания волокна остается постоянным. При этом ан возрастает пропорционально умень - h с
шению - г-. Ьсли же в процессе вытягивания волокна происхо-
дит изменение числа связей, т. е. разрыхление или уплотнение структуры, то разрывная прочность сги не будет оставаться постоянной, ввиду того что ап и-Л - будут изменяться различно2.
Высказанные представления о корреляции между изменением разрывной прочности, пересчитанной на истинное сечение (ои), и числом межмолекулярных и внутримолекулярных связей в равной степени относится как к аморфным, так и кристаллическим полимерам, поскольку упорядочение надмолекулярных структур любого полимера в первую очередь связано с расположением молекулярных цепей. Из данных табл. 40 видно, что
ТАБЛИЦА 40
Свойства упрочненного полипропиленового волокна
|
прочность, пересчитанная на истинное сечение (ои), и плотность (р ) зависят от температуры и степени вытягивания полипропиленового волокна. Увеличение степени вытягивания волокна при 120°С приводит к возрастанию сти и р, а при 30°С наблюдается понижение значений этих величин, в то время как начальный модуль (Е) и прочность, рассчитанная на первоначальное сечение (од), с увеличением степени вытягивания возрастают как при 120 °С, так и при 30 °С. Такое различие в свойствах волокон обусловлено не только переориентацией структур в направлении приложенных усилий (возрастание Е и <тн, уменьшение е), но связано также с изменением структуры в зависимости от температуры вытягивания. При низкой температуре деформации вследствие высоких напряжений происходит разрушение надмолекулярных структур, а при высокой температуре — уплотнение.
Вероятность перегруппировки макромолекул с повышением температуры возрастает по закону Больцмана:
W = Ae~^RT
где А ■— константа;
ДЕ-—энергия активации;
R — газовая постоянная;
Т — абсолютная температура.
В соответствии с этим уравнением, чем выше температура, тем больше вероятность перегруппировки макромолекул.
Физико-механические свойства волокна, вытянутого при 30 °С и затем прогретого при 120 °С, повышаются по сравнению с исходным волокном (табл. 41), но эти показатели ниже, чем для волокна, вытянутого при 120°С. Это указывает на образование более совершенных молекулярных и надмолекулярных структур при вытягивании волокон при температуре 120 °С.
При увеличении скорости вытягивания полипропиленового волокна повышается напряжение, возникающее в волокне (рис. 76), и понижается прочность, пересчитанная на истинное сечение, а также плотность волокна. Так, плотность образцов,
ТАБЛИЦА 41 Зависимость свойств полипропиленового волокна от условий вытягивания
|
вытянутых на 430% при скорости деформации 0,31 и 4,55 м/мин, при 30 °С составляет 0,8870 и 0,8860 г/см3, а при ]20°С— 0,9025 и 0,8970 г/см3 соответственно2.
На рис. 77 приведены рентгенограммы для полипропиленового волокна, из которых видно, что с увеличением температуры и степени вытягивания улучшается текстура рентгенограммы10. Изучению физико-механических свойств и структуры волокна из линейного полиэтилена в зависимости от степени вытягивания в среде жидкого теплоносителя при 110 °С посвящена работа11.
Рис. 76. Зависимость напряжения, возникающего в полипропиленовом волокне, от скорости вытягивания при разных температурах (в °С): 1—21; 2—45'. 3—120. |
Зависимость механических свойств полиэтиленового волокна от степени вытягивания приведена на рис. 78, нз которого видно, что прочность, рассчитанная на начальное сечение (сгн), повышается, а относительное удлинение (е) понижается. Наиболее резкое изменение од и е происходит при вытягивании волокна па 800— 1000%. При этих степенях вытягивания прочность он возрастает почти вдвое, а удлинение е уменьшается до 7%. При дальнейшем увеличении степени вытягивания относительное изменение этих показателей невелико. Начальный модуль (Е) при вытягивании непрерывно возрастает. В табл. 42 приведены значения плотности
Рис. 77. Рентгенограммы, полученные для полипропиленового волокна при различных температурах и кратности вытягивания: а -120 °С, кратность вытягивания 1,5; б—120°С, кратность вытягивания 4,0; в—20°С • кратность вытягивания 1,5. |
полиэтиленового волокна при различной степени вытягивания, а также расчетные данные больших периодов фибрилл, разме
ров кристаллов и аморфных участков, которые получены на основании рентгеновских исследований волокон под малыми углами.
Рис. 78. Зависимость механических свойств полиэтиленового волокна от степени вытягивания'. а—прочность', 6—удлинение-, в—начальный модуль. |
Из данных таблицы видно, что величина большого периода в основном изменяется на первых стадиях вытягивания до 270%. Затем она остается практически постоянной до степени вытягивания 1000%. Плотность волокна (о) непрерывно возрастает при вытягивании, однако наиболее резкое изменение наблюдается при увеличении степени вытягивания от 770 до 1070%. На первой стадии вытягивания происходит переориентация кри-
ТАБЛИЦА 42 Влияние степени вытягивания полиэтиленового волокна на изменение структуры и плотность
|
сталлов, которая сопровождается уменьшением величины большого периода. При дальнейшем повышении степени вытягивания происходят внутрифибриллярные изменения, связанные с увеличением размеров кристаллов и, следовательно, повышением степени кристалличности. Повышение плотности волокна обусловлено только уплотнением аморфных областей. Сопоставляя полученные данные, авторы делают вывод о том, что повышение прочности при вытягивании волокна на 800—1000% связано как с процессом переориентации, так и с увеличением степени кристалличности. Дальнейшее вытягивание волокна, приводящее к получению однородных по плотности фибрилл, очень мало влияет на прочность, но вызывает резкое увеличение начального модуля. По-видимому, начальный модуль зависит в основном от структурной однородности полимерного материала.
Таким образом, в зависимости от температуры и степени вытягивания полиолефиновых волокон происходит изменение физико-механических и структурных свойств волокон. Волокна, вытянутые при низкой температуре, обладают невысокими физикомеханическими свойствами вследствие недостаточно высокой ориентации и образования дефектов в структуре кристаллического полимера.
Волокна, вытянутые при температуре, близкой к температуре плавления полимера, когда выравнивается напряжение между кристаллическими и аморфными областями, характеризуются увеличением числа межмолекулярных и внутримолекулярных связей и образованием более совершенных надмолекулярных структур. Это согласуется с представлениями, развиваемыми С. Н. Журковым, о прочности полимерных материалов12"14. По С. Н. Журкову, прочность полимерных материалов, находящихся в условиях статических нагрузок, определяется уравнением:
, и0 - 2,303 £r(1gT-lgT0)
гдё а— напряжение при разрыве;
Uo и у—коэффициенты, определяющие прочностные свойства материала;
' k — постоянная Больцмана;
Т— абсолютная температура;
т — долговечность;
То — величина, которая для всех изученных волокон принимается равной 10~13 сек.
Величина £% соответствует энергии химической связи (для полипропиленового волокна она равна 56 ккал/моль).
Коэффициент у зависит от энергии межмолекулярного взаимодействия. Усиление межмолекулярного взаимодействия, которое происходит при ориентации волокон, приводит к уменьшению у и. следовательно, к повышению прочности о. Если при вытягивании химических волокон не произошло усиления взаимодействия между цепными молекулами, как это наблюдается при вытягивании полимерных волокон при низких температурах8, коэффициент у будет увеличиваться, а это приведет к понижению прочности в уравнении С. Н. Журкова и к понижению прочности, пересчитанной на истинное сечение.
Влияние кристаллических структур на упрочнение волокон.
Способность полиолефиновых волокон к вытягиванию, а также свойства вытянутых волокон зависят от кристаллических структур, которые получаются в процессе формования.
В гл. IV указывалось, что смектическая, или паракристалли - ческая, структура получается при быстром охлаждении расплава полипропилена и невысокой фильерной вытяжке; при медленном охлаждении расплава и значительной фильерной вытяжке образуется моноклинная структура10' |5' |6.
На рис. 79 приведена зависимость кратности вытягивания полипропиленового волокна от величины молекулярно-структурной ориентации после выхода из фильеры[8]. Из рисунка видно, что волокно с менее ориентированной структурой (кривая 1) можно вытянуть больше, чем волокно, предварительно закристаллизованное17 (кривая 2).
V 0,2 0,2 0,Ь 0,5 0,8 0,7 0,8 0£ 1,0 0,1 0,2 0,3 Ofi 0,5 0,0 0,7 3,8 t/B Степень ориентации Степень ориентации Рис. 79. Зависимость кратности Рис. 80. Зависимость прочности вытягивания полипропиленового волокна вытянутого волокна от степени его от степени предварительной ориента - предварительной ориентации: ЦШГ. /— волокно смектической структуры’, 2—волок- /—волокно смектической структуры, н0 моноклинной структуры. 2—волокно моноклинной структуры. |
Зависимость прочности вытянутого полипропиленового волокна от степени фильерной (предварительной) ориентации приведена на рис. 80, из которого видно, что большей прочностью обладает волокно с меньшей степенью фильерной ориентации. Для полиэтиленового волокна также наблюдается понижение кратности вытягивания при увеличении фильерной ориентации13. Следует отметить, что полиэтилен в отличие от полипропилена не образует смектической структуры.
Для получения волокон с высокими физико-механическими свойствами их следует вытягивать сразу же после формования, так как даже при комнатной температуре с течением времени происходит кристаллизация, которая приводит к увеличению внутренних напряжений, а это препятствует последующей ориентации.
Що 65 70 75 80 Степень кристалличности, % |
Таким образом, на всех стадиях технологического процесса получения полиолефиновых волокон необходимо контролировать степень кристалличности. Следует добиваться высокой степени кристалличности в вытянутом волокне и небольшой степени кристалличности в невытянутом волокне. При этом надо иметь в виду, что из невытянутой филаментной нити с высокой степенью кристалличности и фильерной ориентации можно получать объемные нити путем их релаксации и вытягивания при нагревании.
На рис. 81 по оси абсцисс отложены значения степени кристалличности, а по оси ор - Рис. 81. Кривая, ограничивающая динат — соотношения величин
интенсивностей экваториаль- |
область получения объемной нити при определенной степени кристаллич
KS! bfUl. «VI,/lb ' I! tt/M L/»' Ч. I *-C - / t fc* ИЧ' ,
ности и ориентации полипропиленовых НЫХ рефлексов, характеризую - волокон. ших степень поперечной ориен
тации волокна. Площадь, ограниченная кривой, соответствует таким значениям кристаллично^ сти и степени ориентации, при которых возможно получение объемных нитей17.