Механические свойства полиолефиновых волокон зависят от природы полимера, а также в значительной степени от условий переработки полимера в волокно. К важнейшим показателям, характеризующим механические свойства волокон, относятся: прочность, удлинение, начальный модуль, эластические свойст­ва, устойчивость к многократным деформациям, текучесть' под нагрузкой (крипп), усадка при повышенных температу­рах и др.

В табл. 46, 47, 48 приведены механические свойства полиоле­финовых волокон (моноволокна и филаментной нити).

ТАБЛИЦА 46

Свойства полиэтиленового моноволокна1 Типы волокон Хар актер ист ики алатои марлекс- 5000 хайфекс файбер Т Номер 1450 1420 1330 1410 Прочность, ркм 38,5 60 в кондиционных условиях.... 56,5 43 в мокром состоянии............................................... 38,5 56,3 43 60 с узелком... ............................................................... 36 48,5 33,3 51,1 Удлинение (при разрыве), % ... . 36 18 18 20 Начальный модуль, кгс/мм2........................................... 208 670 430 790 Эластическое восстановление после нагрузки, % 94 99 2% от разрывной..................................................... 98 96 5% от разрывной...................................................... 90 94 92 96 Усадка, % в кипящей воде.......................................................... Очень большая 8 10 7 на воздухе при 80 °С............................................. 20 3 4 3 на воздухе при 115 °С........................................... Плавится 12 14 10

Прочность полиолефиновых волокон. Из приве­денных таблиц видно, что полиолефиновые моноволокна обла­дают достаточно высокой прочностью. Как и следовало ожидать, волокно алатон, полученное из полиэтилена высокого давления,

	Полипропиленовое волокно	Волокно
Характеристики	профакс	файбер РТ	файбер PTV	из стерео- регуляр­ного поли­стирола	из поли-4- метиллен - тилена-1
Номер............................................................	1500—	1500—	1500—	1500—■	1500—
—3000	—3000	—3000	—3000	—3000
Прочность, ркм в кондиционных усло­
виях...............................................	50,5	68,5	68,5	57,8	56,0
в мокром состоянии. .	49,5	66,6	—	57,8	55,0
с узелком..........................................	42,3	56,8	52,2	25,2	46
Удлинение (при разрыве), %	25	28	21	6,0	11,5
Начальный модуль, кгс/мм2	495	578	650	904	450
Эластическое восстановление после нагрузки, %
2% от разрывной. . . 5% от разрывной. , .	98	100	100	94	98
92	94	96	83	95
Усадка, %
в кипящей воде....	5	О О	3	4	2
на воздухе при 115 °С.	2	1,5	1,2	2	1

ТАБЛИЦА 47

			Волокно
Характеристики	полипропи­ леновое	обычное по­лиэтилено­вое	высокомо­дульное по­лиэтилено­вое	из СЭП	капроновое
Номер............................................................ Прочность, ркм в кондиционных усло­	50—400	'jP 0 1 со о о	170—400	50—200	10—600
виях...............................................	40—70	35—45	50—65	15—50	35—75
в мокром состоянии. .	40—70	35-45	50—65	15—50	—
в петле (% от исходной)	99,2	98,1	90,0	98,0	107
Удлинение (при разрыве), %	15—40	8—20	4-5	5—30	16—20
Начальный модуль, кгс/мм2 .	472	379	1580	211	196

ТАБЛИЦА 48

Свойства полипропиленового, полистирольного и поли-4-метилпентилен-1 моноволокон1

Свойства полиолефиновых филамснтных нитей6

по прочности уступает другим типам полиэтиленовых волокон. Прочность полипропиленового моноволокна достигает 70 ркм, и по этому показателю оно несколько превосходит полиэти­леновое моноволокно; моноволокна из других полиолефинов (табл. 47) также характеризуются высокой прочностью (56— 58 ркм).

Филаментные полипропиленовые нити (табл. 48) по прочно­сти (35—70 ркм) не уступают филаментным нитям из широко распространенных синтетических волокон (полиамидные, поли­эфирные). Полиэтиленовые филаментные нити незначительно отличаются от полипропиленовых (35—65 ркм). Филаментные нити из СЭП занимают промежуточное положение между поли­этиленовыми и полипропиленовыми филаментными нитями.

Полипропиленовое волокно, сформованное из раствора поли­мера, не содержащего стабилизатора, по прочности (50— 65 ркм) почти не отличается от волокна, полученного формова­нием из расплава полимера7.

Производство полиолефиновых волокон, особенно полипро­пиленового, начато недавно, и достигнутые результаты по проч­ности волокон не являются пределом. Фирма «Ай Си Ай» (Анг-. лия) получила полипропиленовое волокно улстрон8 с прочностью 76,5 ркм. Высказывается также мнение9 о возможности повы­шения прочности полипропиленового волокна до 110 ркм.

Для полиэтиленового волокна файбер Т и полипропиленово­го волокна файбер PTV (табл. 46, 47) характерен повышенный, по сравнению с другими волокнами, молекулярный вес полиме­ра, а также узкая кривая распределения по молекулярным ве­сам. Оба эти фактора способствуют повышению прочности и улучшению других показателей волокна.

Удлинение полиолефиновых волокон при раз­рыве изменяется в довольно широком пределе. Высокомодуль­ное полиэтиленовое волокно характеризуется небольшим удли­нением (4—5%), присущим волокнам из очень жестких поли­меров; удлинение обычного полиэтиленового волокна и моно­волокна составляет 10—25%. Вследствие снижения степени кристалличности полимера волокнам алатон и из СЭП присущи высокие деформации до 35%. Для полипропиленового волокна разрывное удлинение составляет 15—40%; оно, как правило, не­сколько выше, чем у полиэтиленовых волокон. Моноволокно из изотактического полистирола довольно жесткое (разрывные де­формации 5—6%). Такое волокно представляет интерес для некоторых специальных областей применения, например для изготовления армированных пластиков.

Начальный модуль характеризует сопротивляемость волокна внешним механическим воздействием. Чем больше начальный модуль волокна, тем лучше изделия из него сохра­няют форму. Этот показатель для некоторых областей техники имеет решающее значение. Начальный модуль волокон не яв­ляется постоянной величиной и зависит от скорости и величины деформации; поэтому на практике обычно определяется значе­ние модуля при деформациях, равных 1 и 3%. Несмотря на
большую гибкость макромолекул, полиолефиновые волокна ха­рактеризуются сравнительно большими начальными модулями, превышающими начальный модуль капронового волокна (табл. 48). В зависимости от условия получения начальный мо­дуль полиэтиленовых моноволокон колеблется в пределах 420— 740 кгс/мм2, а полипропиленовых моноволокон — в пределах 420—600 кгс! мм2. Начальный модуль волокон алатон и волокна из СЭП вследствие пониженной степени кристалличности поли­мера несколько ниже, чем на­чальные модули других поли­олефиновых волокон.

Необычайно большие на­чальные модули может иметь полиэтиленовое волокно, на­званное высокомодульным во­локном. По этому показателю полиэтиленовое волокно при­ближается к вискозному и полиэфирному (из довольно жестких полимеров) и значи-

тельно превосходит капроно - и 8 /г 18 80 ^ 28

вое волокно (табл. 48). Удлинение, %

На рис. 88 приведены Кри - Рис. 88. Кривые напряжение—уд лине. вые напряжение — деформа - ние для волокон различных типов6-

ЦИЯ ДЛЯ полиолефиновых ВО - полиэтиленовое волокно) 2-высоко:

,, ~ модульное полиэтиленовое волокно; 3—волокно

ЛОКОН. - КрИВЫС ДЛЯ ПОЛИЭТ’Л- из СЭП; 4—полипропиленовое волокно; леновых ВОЛОКОН характери - 5-волокно капрон.

зуются крутым подъемом

(большой tg угла наклона). Для высокомодульного полиэтиле­нового волокна (кривая 2) зависимость е=/(о) выражается прямой линией (вплоть до разрыва волокна). Как исключение, в этом случае начальный модуль остается постоянным во всем диапазоне изменения деформаций.

Для обычных полиэтиленового и полипропиленового воло­кон зависимость e = f(a) близка к прямой линии (кривые / и 4), и только при деформациях, приближающихся к предельным, наблюдается изгиб кривой.

Начальный модуль волокна из СЭП гораздо меньше, чем других полиолефиновых волокон, поэтому кривая, характери­зующая зависимость e = f(o), более пологая.

Основные механические свойства (прочность, удлинение, на­чальный модуль) полиолефиновых волокон легко можно ре­гулировать в широком диапазоне путем изменения условий фюрмования, вытягивания и терморелаксации волокна. Особен­
но большое влияние на механические свойства волокна оказы­вает степень вытягивания (см. гл. V).

А

Эластические свойства полиолефиновых во­локон. Качество текстильных изделий во многом зависит от соотношения обратимых (высокоэластических) и необратимых (остаточных) деформаций, развивающихся в волокне под влия­нием приложенного напряжения. Наличие больших остаточных деформаций вызывает долго неисчезающую смннаемость тка­ней. При применении волокон в технике эластичность волокна играет еще большую роль. В табл. 49 приведены составные части деформаций полиолефиновых волокон, определенные при нагрузке, равной 25% от разрывной (для сравнения приводят­ся данные для капронового волокна).

ТАБЛИЦА 49 ' Составные части деформаций полиолефиновых и капронового волокон6 Деформа- Обратимые деформации (в долях от полной деформации) Необрати­мые дефор­мации Волокно цу нагру­жения % быстро ис­чезающие медленно исчезающие сумма обра­тимых Полиэтиленовое обычное.................................. 3,5 0,49 0,34 0,83 0,17 высокомодульное . . 1,9 0,46 0,27 0,73 0,27 Волокно из СЭП.... 6,3 0,6 0,20 0,8 0,20 Полипропиленовое . . . 6,2 0,77 0,16 0,93 0,07 Капроновое...................................... 7,4 0,76 0,14 0,90 0,1

Быстро исчезающая деформация определялась спустя 3 мин после разгружения нити, медленно исчезающая составная часть деформации — как разность удлинения после разгрузки и отдыха нити. Для полиэтиленовых волокон, особенно высоко­модульных, характерны очень большие остаточные деформации (17—27%). Исходя из характера кривой напряжение — дефор­мация и высокой кристалличности полимера, эти волокна должны были иметь небольшие остаточные деформации. В действительности этого не наблюдается.

Низкую эластичность полиэтиленового волокна, видимо, можно объяснить тем, что вследствие склонности полимера к хо­лодному течению во время испытания успевают развиться не­обратимые деформации. Из табл. 49 видно, что полипропиле­новое волокно обладает хорошими эластическими свойствами,_ не уступая по этому показателю капроновому волокну. По дан­
ным других исследователей10, эластичность полипропиленового волокна ниже эластичности полиамидного и почти такая же, как у полиэфирного волокна. На механические свойства воло­кон, особенно полиолефиновых, склонных к холодному течению, большое влияние оказывают условия испытания.

Томсон11 определял сминаемость полипропиленового и тери- ленового волокон; териленовое волокно, как известно, обладает очень высокой устойчивостью к этому показателю.

Ниже приведены полученные результаты:

Восстановление начальной формы, %

Волокно через 1 сек через 100 сек

Терилен......................................... 83—86............................. 93—96

Полипропиленовое..................... 40—50 90—94

При небольшом времени последействия восстановление на­чальной формы полипропиленового волокна значительно мень­ше, чем териленового, но с течением времени это различие почти сглаживается.

Для придания несминаемости тканям из полипропиленового волокна и из смеси его с другими волокнами целесообразно проводить термообработку тканей или волокон при темпера­турах 125—135 °С под натяжением12.

Усталостные свойства и устойчивость к исти­ранию. С эластичностью связаны усталостные свойства, опре­деляемые в большинстве случаев по числу двойных изгибов,

ТАБЛИПА 50

Усталостные свойства, устойчивость к истиранию и коэффициент трения полиолефиновых волокон6 Волокно Число двойных изгибов до раз­рушения** Число циклов истирания до разрушения** * Коэффициент трения**** Полиэтиленовое обычное................................................ 483 530 0,165 Полиэтиленовое высокомодульное. . . 302 69 0,149 Волокно из СЭП.................................................................. 1 343 440 0,169 Полипропиленовое............................................................ — 58 0,362 Капроновое* ........................................................................ 3 134 32 170 0,240 * Приводится для сравнения. ** Испытания волокон первых трех типов проводились при нагрузке 5 кгс/мм.2, четвер­того н пятого — при 12 кгс/ммЪ, *** Устойчивость к истиранию определялась на приборе, описанном в работе. **** Коэффициент трения определялся на приборе, описанном в работе14.

выдерживаемых волокном до разрыва. В табл. 50 приведены данные, полученные на приборе ДП-15 при угле сгиба ±90°. Полиэтиленовое волокно в отличие от капронового характери­зуется низкими усталостными свойствами. Полипропиленовое волокно по числу изгибов превосходит капроновое волокно.

По данным ВНИИВ’а при испытании в одинаковых условиях капроновое волокно выдерживает 3000, а полипропиленовое 8000 двойных изгибов до разрушения.

Устойчивость к истиранию имеет большое значение в усло­виях эксплуатации текстильных изделий. Она зависит от склон­ности волокон к фибриллированию, или расщеплению вдоль оси волокна. Склонность к фибриллированию в свою очередь зависит от степени кристалличности полимера, ориентации элементов структуры вдоль оси волокна и коэффициента тре­ния. По данным табл. 50, полиэтиленовое волокно по устойчи­вости к истиранию превосходит полипропиленовое, для кото­рого этот показатель очень низкий. По другим источникам15 различие в устойчивости к истиранию этих волокон не столь значительно.

Коэффициент трения играет важную роль в процессе пере­работки волокна и в ряде случаев при эксплуатации текстиль­ных материалов. Полиэтиленовое волокно характеризуется очень низким коэффициентом трения (табл. 50), поэтому на ощупь оно воспринимается, как воскообразное волокно. Вслед­ствие низкого коэффициента трения его целесообразно приме­нять для изготовления обивочных тканей. Коэффициент трения полипропиленового волокна очень высокий, и это является одним из преимуществ полипропиленового волокна перед поли­этиленовым, так как волокно обладает менее выраженными воскообразными свойствами, что открывает более благоприят­ную перспективу его применения для изготовления товаров широкого потребления, особенно в смеси с другими волокнами.

Текучесть полиолефиновых волокон. При при­ложении внешнего усилия происходит деформация полиолефи­новых волокон, развитие которой можно разделить на две ста­дии. На первой стадии почти мгновенно с момента приложения внешнего усилия волокно претерпевает деформацию, размеры которой зависят от величины приложенной нагрузки. Процесс растяжения на этом не заканчивается, и на второй стадии под влиянием постоянно действующей нагрузки происходит медлен­ное увеличение деформации. При длительном воздействии внешнего усилия (величина которого значительно меньше ве­личины предельной нагрузки) в результате постепенного уве­личения удлинения может произойти разрыв волокна. Это явление, названное текучестью, присуще большинству поли­мерных материалов и особенно полиолефиновым волокнам (по­лиэтиленовому) , что является существенным недостатком этих волокон.

Текучесть полимеров может быть вызвана изменением кон­формаций макромолекул или их перемещением друг относи­
тельно друга. За время приложения внешнего усилия макро­молекулы не успевают принять равновесных конформаций, соответствующих возникшему в полимере напряжению, поэто­му с течением времени происходит выпрямление макромолекул, что внешне проявляется в увеличении удлинения волокна. Это явление известно под названием упругого последействия. При достижении равновесных конформаций макромолекул дальней­шее увеличение удлинения должно прекратиться. Однако в процессе деформации наряду с изменением конформаций мак­ромолекул почти всегда наблюдается взаимное перемещение макромолекул и надмолекулярных агрегатов, т. е. развитие процесса стационарного вязкого течения, приводящего к на­коплению необратимых деформаций.

Определяющим фактором, препятствующим развитие тече­ния волокна, является интенсивность межмолекулярного взаи­модействия. Малое межмолекулярное взаимодействие в поли­олефиновых волокнах обусловливает их большую склонность к текучести. Аналогичная картина наблюдается для других полимеров (тефлон, силиконы), для которых также характер­но небольшое межмолекулярное взаимодействие.

Текучесть полиолефиновых волокон возрастает по мере увеличения приложенного к ним усилия16. Повышение темпера­туры вызывает увеличение кинетической энергии макромоле-

ТАБЛИЦА 51 Продолжительность (в мин) выдерживания различными волокнами нагрузки до разрыва в зависимости от температуры (нагрузка — в % от исходной прочности) Волокно Ю О О 50 °С 100 °с 75% 50% 25% ?Г,0/ /О /о 50% 25% 75% 50% 25% Хлопковое. . 3000 2700 1800 _ Дакрон.... 2600 — — 1900 — — 1400 — — Марлекс-5000 . 4,2 — 200 — — — — — 2.4 Алатон.... 1,5 _ 100 — 22 100 — — — Профакс. . . 151 300 — 121 300 — 6 600 — Полистирольное 300 500 — 191 100 — 16 800 —

кул и тем самым приводит к ослаблению межмолекулярного взаимодействия и возрастанию текучести волокна. В табл. 51 приведены данные, характеризующие продолжительность выдер­живания нагрузки до разрыва для различных волокон при ком­натной и повышенной температурах.

14—1006

Из табл. 51 видна крайне низкая стабильность формы по­лиолефиновых волокон под действием нагрузки по сравнению с другими волокнами.

Полипропиленовое волокно меньше подвержено текучести, чем полиэтиленовое волокно. Волокно из неразветвленного по­лиэтилена высокой кристалличности при нагрузке 20% от раз­рывной претерпевает непрерывно увеличивающиеся деформации (текучесть), приводящие к разрыву волокна. При нагрузке 40% от разрывной полиэтиленовое волокно разрушается через несколько часов.

Текучесть полипропиленового волокна при этой же нагрузке выражена довольно слабо15.

В работе17 исследовалась текучесть полиэтиленового волок­на с прочностью 67—85 ркм, при этом авторы пришли к выво­ду, что развитие деформации во времени подчиняется следую­щему эмпирическому уравнению:

s = Аз -)- В (о — о0) tn

где е — деформация, %; а — напряжение; его — начальное напряжение; t — время, мин;

А, В, п — постоянные.

Усадка полиолефиновых волокон. Полиэтилено­вое волокно характеризуется большой усадкой (6—10%) в ки­пящей воде.

Рис. 89. Зависимость усадки полиолефино­вых волокон от температуры: 1—волокно из СЭП; 2—полиэтиленовое волокно; 3—по­липропиленовое волокно. Температура, °С

Волокно из СЭП и из разветвленного полиэти - ■ лена характеризуется еще большей величиной усад­ки ( см. табл. 46). Это создает благоприятную перспективу получения объемной пряжи из этих волокон. Полипропиле­новое волокно по усадоч­ным свойствам мало от­личается от капронового волокна. В работе18 сво­бодная усадка полиоле­финовых волокон опреде­лялась при непрерывном

нагревании на воздухе со скоростью 3—5 град/мин (рис. 89). По величине усадки волокна располагаются в следующий ряд: СЭП > полиэтиленовое > полипропиленовое. Температура ну­
левой прочности в указанных условиях нагревания для поли­этиленового волокна составила 122°С, а для полипропилено­вого волокна 160 °С.