Свойства волокон определяются главным образом химиче­ской природой и физической структурой полимера (см. гл. I), а также макроструктурой волокна.

Первичными элементами структуры полимера являются мак­ромолекулы с различным молекулярным весом (или степенью полимеризации — СП).

На примере многих волокнообразующих полимеров было по­казано, что с увеличением молекулярного веса полимера улуч­шаются механические свойства волокна. Для каждого типа по­лимера существует минимальное значение СП, ниже которого начинается резкое ухудшение механических свойств волокна; о верхнем пределе значения СП имеются разноречивые мнения. По данным ранних работ, при достижении определенного зна­чения СП, характерного для каждого полимера, дальнейшее его увеличение мало сказывается на прочности волокна. В послед­ние годы ряд исследователей высказывают мнение, что механи­ческие свойства волокна непрерывно улучшаются с увеличением СП полимера. Известно, что с увеличением СП повышается вяз­кость растворов и расплавов полимеров и затрудняется их пере­работка в волокно, особенно на стадии формования. Поэтому для переработки в волокна целесообразно использовать поли­меры с СП от 350 до 2000.

Обычно для гетероцепных полимеров оптимальное значение СП ниже, чем для карбоцепных полимеров. Влияние молеку­лярного веса на условия переработки полимера и свойства поли­пропиленового волокна описано в гл. IV и V.

Полимеры характеризуются молекулярной полидисперсно - стыо, роль и значение которой изучены недостаточно. Наиболее полные исследования проведены с целлюлозой. Во многих рабо­тах показано, что наличие низкомолекулярных фракций отрица­тельно сказывается на механических и особенно усталостных показателях вискозного волокна. Особенно четко эта закономер­ность проявляется при производстве высокопрочного корда. Влияние молекулярной полидисперсности на механические свой­ства полиолефиновых волокон почти не исследовалось. Отчасти

это объясняется трудностями фракционирования полиолефинов. В работе1 отмечается, что из полипропилена с узким молекуляр­ным распределением получаются волокна с несколько лучшими механическими свойствами.

Большую роль играет также строение макромолекул. Нару­шение регулярности расположения элементарных звеньев или заместителей в макромолекуле затрудняет образование надмо­лекулярных структур (кристаллизацию), которые оказывают не­посредственное влияние на свойства волокна. Влияние этого фактора особенно наглядно показано на примере стереорегуляр - ного полипропилена и линейного полиэтилена.

На первом этапе изучения взаимосвязи между структурой и свойствами волокна большое значение придавалось ориентации макромолекул вдоль оси волокна. По мере увеличения ориента­ции повышается однородность материала, уменьшается расстоя­ние между макромолекулами и возрастает межмолекулярное взаимодействие. Однако исследования последних лет показали, что исходя только из этих представлений нельзя объяснить многообразие физико-механических свойств полимерных мате­риалов.

Наряду с молекулярными структурами к одному из решающих факторов, определяющих свойства полимеров и волокон, отно­сятся надмолекулярные структурные образования. На основании современных представлений, в реальных кристаллических и аморфных полимерах содержатся надмолекулярные образова­ния. Полимеры, как правило, представляют собой структурно неоднородные системы, состоящие из областей с упорядоченным и беспорядочным расположением макромолекул. Надмолеку­лярные структурные образования обычно подразделяются на первичные и вторичные элементы структуры. Первичные струк­турные элементы образуются в результате строго закономерного расположения макромолекул относительно друг друга. Для кри­сталлических полимеров к подобным элементам структуры отно­сятся кристаллы, а для аморфных полимеров—макрофибриллы или пачки самых разнообразных форм и размеров. Размеры первичных структурных элементов составляют около ЮОА. Эти структурные образования по размеру меньше макромолекул2, длина которых для обычных волокнообразующих полимеров со­ставляет до ЮОООА. Вторичные структурные элементы обра­зуются из первичных структур. К ним относятся сферолиты и макрофибриллы. В кристаллических полимерах имеются кри­сталлические и аморфные области. В аморфных полимерах над­молекулярные образования не содержат кристаллических обра­зований, но тем не менее по степени упорядоченности макромо­лекул они являются структурно неоднородными.

Вторичные структурные элементы (сферолиты, макрофибрил­лы) по размерам значительно превосходят первичные и могут достигать величины нескольких миллиметров. Макрофибриллы имеют обычно асимметричную форму — большую длину и от­носительно небольшую толщину. Сферолиты, как это следует из названия, приближаются к сферической форме. Сферолиты об­разуются при медленном охлаждении расплавов полимеров. Для волокон, как правило, характерна фибриллярная структура. К сожалению, строение первичных и вторичных структурных образований мало изучено. В ряде обзорных статей рассматри­вается структура полимера и делаются попытки увязать струк­туру с механическими свойствами полимеров2. Большинство исследователей считают, что механические свойства волокон определяются соотношением между кристаллической (упорядо­ченной) и аморфной (неупорядоченной) структурами, размера­ми надмолекулярных образований и ориентацией элементов структуры вдоль оси волокна.

На механические свойства волокна оказывает также боль­шое влияние их макроструктура, которая характеризуется неод­нородностью по поперечному срезу волокон, наличием пор и трещин, а также неоднородностью каждого волокна. Изучение макронеоднородности волокон было начато гораздо раньше, чем изучение физической структуры полимера; это объясняется до­ступностью и простотой применяемых для этих целей микроско­пических методов исследования. Многие волокна по поперечному срезу являются структурно неоднородными3 и состоят из оболоч­ки (внешний слой) и сердцевины (внутренний слой), которые отличаются по физическим и механическим свойствам. Такое де­ление на оболочку и сердцевину только в первом приближении характеризует макронеоднородность волокна. Электрономикро­скопические исследования ультратонких срезов и реплик показа­ло, что волокна имеют сложное строение4 наподобие колец Ле- зиганга.

Макросгрукгурная неоднородность присуща волокнам, сфор­мованным из растворов и расплавов полимеров, и обусловлена различными условиями массо - и теплообмена внешних и вну­тренних слоев формующегося волокна, а также неодновремен­ным протеканием химических процессов, если таковые имеют место, по поперечному сечению волокна.

Одним из видов неоднородностей является наличие в волокнах пор или макропустот, которых особенно много в вискозных во­локнах. В синтетических волокнах, сформованных преимущест­венно из расплавов, макропор сравнительно мало. При наличии пор уменьшается истинное сечение по сравнению с монолитным волокном; к тому же при приложении внешнего усилия в порах могут возникать более высокие напряжения, приводящие к преждевременному разрушению материала.

Получение строго однородного монолитного волокна не пред­ставляется возможным. Реальные волокна отличаются по диа­метру, а также наличием в них различных включений и макро­дефектов. Вследствие неодинаковых условий формования от­дельные волокна по прочности могут отличаться в 2—4 раза5. Вот почему для получения волокна с определенными свойства­ми необходимо процесс формования проводить в стандартных условиях и строго выдерживать параметры формования.

Физико-химические свойства волокон, в том числе тер. мо - и теплостойкость, определяются преимущественно химическим со­ставом полимера. Присутствие в основной цепи гетероатомов, реакционноспособных групп или подвижных атомов снижает химическую стойкость волокна. Наличие гидрофильных групп приводит к повышению гигроскопичности и снижению электро­изоляционных характеристик. Увеличение степени кристаллично­сти полимера и ориентации макромолекул вызывает некоторое уменьшение гигроскопичности и повышение химической стой­кости.