Исследование влияния деформационных свойств модифицированной шерсти на процесс свойлачивания

Показано, что на процесс свойлачивания шерсти и качество войлока существенное влияние оказывают деформационные свойства шерстяного волокна. Исследовано изменение деформационных свойств модифицированного шерстяного волокна и ее на влияние процесс свойлачивания.

Ключевые слова: деформация волокна, модифицированная шерсть, свойлачивание

Войлок является древнейшим текстильным материалом. В основе его производства лежит механический процесс — растяжение при трении волокон, вследствие чего волокна переплетаются между собой и образуют единое цельное полотно. Переплетение волокон при трении обеспечивается особенностью структуры шерстяного волокна, в частности, его «чешуйчатой» структурой, а растяжение при трении — ее деформационными свойствами. Примечательно, что процесс свойлачивания и качество самого войлока зависят от таких параметров, как площадь соприкосновения волокон во время трения и их извитость. Важными факторами, влияющими на данные параметры, являются физико-механические и деформационные характеристики волокон. Поэтому, считаем, что изменение физико-механических и деформационных свойств волокон, в определенной степени, будет влиять на процесс свойлачивания.

Целью исследований является изучение деформационных свойств модифицированного шерстяного волокна и определение влияния модификации на процесс валки. Модификацию шерстяного волокна проводили борсодержащими соединениями, которые способны образовать комплексные соединения с шерстяным волокном на уровне полипептидных цепей и тем самим, влиять на свойства волокон [1]. Показано, что борсодержащие соединения выступают в роли пластификаторов, вступая во взаимодействие с некоторыми группами полимера волокна, изменяют характер и величину надмолекулярных структурных образований. Вследствие этого увеличивается пластичность; этот процесс сопровождается и увеличением эластичности, что очень важно с практической точки зрения, т. к. им определяется ряд важных физико-механических свойств, таких как прочность волокна, удлинение, релаксационные и деформационные свойства. В качестве главных показателей качества свойлачивания мы выбрали изменение площади и объема текстильного материала.

В процессе валки в течение некоторого времени волокно подвергается натяжению, а затем разгружается и получает отдых. Поэтому, релаксационные и деформационные свойства нами были изучены в режиме «нагрузка-разгрузка-отдых». На основе полученных данных были рассчитаны упруго-эластические и пластические свойства. Данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

Полная относительная деформация волокон

Известно, что полная деформация материалов слагается из обратимых (упругая и эластичная) и необратимых (пластическая) деформаций. Упругая деформация возникает потому, что под воздействием внешней силы, происходят небольшие изменения средних расстояний между частицами полимеров, соседними звеньями и атомами в макромолекулах. При этом, межмолекулярные межатомные связи сохраняются, а валентные углы немного увеличиваются. Поэтому, упругая деформация приводит к увеличению объема волокна [2]. Немало важным является также обратимая, но медленная эластическая деформация. Она возникает вследствие того, что под действием внешней силы происходят изменения конфигураций макромолекул и их перегруппировки. Под действием силы макромолекулы полимеров переходят в более распрямленное состояние и ориентируются по направлению действия сил, т. е. по растяжению волокон — вдоль их оси. При этом происходит разрушение старых и возникновение новых межмолекулярных взаимодействий. На подобные перегруппировки требуется значительное время, поэтому, она осуществляется как релаксационный процесс, идущий во времени и приводящий к достижению равновесного состояния. Вследствие необратимых смещений звеньев макромолекул на довольно большие расстояния под действием внешней силы, возникает пластическая деформация. Она развивается еще медленнее, чем эластическая продолжается длительно.

О характере протекания процесса и качества свойлачивания судили по данным изменения площади и объема исследуемого образца — текстильной купюры. Данные приведены в таблице 2 и таблице 3. Как видно из таблицы 2, в начале валки площадь купюры из не модифицированного волокна увеличивается, а затем уже идет постепенное сжатие, уменьшение и площади и объема купюр.

Таблица 2

Считаем, что возрастание площади на первой стадии валки связано с преимущественным проявлением упругой деформации (о чем говорилось выше). Что же касается купюры из обработанного волокна, увеличение площади не наблюдается, т. к. упругая деформация при обработке волокна уменьшается за счет пластифицирующего действия модификатора. В конечном итоге, процесс пластификации способствует увеличению свойлачиваемости.

Таблица 3

Изменение объема материала

По мере увеличения интенсивности валки, происходит уплотнение, сближение волокон и определяющую роль приобретает трение, при котором сцепление поверхностей чешуйчатой структуры становится все более значимым. В итоге степень валки становится все больше.

Оценивая процесс валки и воздействия на нем деформационных свойств волокон надо учесть, что основное механическое воздействие, которому подвергается волокно в процессе валки, является многократное силовое воздействие при многократном растяжении. При многократном растяжении в волокнах происходят сложные изменения структуры, а значит и изменения механических и деформационных свойств, причем результаты этих изменений имеют различный характер на разных стадиях растяжения. Здесь протекают два противоположных процесса: во-первых, улучшение структуры за счет ориентации структурных элементов (молекул, микрофибрилл, волокон) в направлении растяжения и, благодаря этому, усиление взаимодействия между элементами; во-вторых, ухудшение структуры в местах дефектов, возникновение и прорастание трещин, приводящих к разрушению материала. Структура волокон по мере многократного растяжения изменяется в три фазы. В первой фазе, проходящей обычно во время десятков сотен циклов растяжений, в основном идут смещения тех структурных элементов, которые мало взаимодействуют с окружающими. В молекулах смещаются отдельные звенья целых молекул и макрофибриллы. В результате структурные элементы располагаются более ориентировано вдоль продольной оси волокон, лучше взаимодействуют друг с другом за счет межмолекулярной связей, сил трения и т. д. Эти явления сопровождаются увеличением остаточных удлинений, состоящих в основном из необратимой пластической, а так же из медленно исчезающей части эластической деформации. Именно с этим явлением связано то, что модифицированное волокно на начальной стадии валки валится быстрее и интенсивнее. Об этом свидетельствуют данные изменения площади и объема образцов при валке (таблицы 2 и 3). При этом надо так же учесть и тот факт, что у модифицированного волокна пластическая составляющая изначально больше, чем у не модифицированного (таблица 1). Поэтому, в совокупности процесс свойлачивания проходит интенсивнее даже на начальной стадии. В последующих циклах быстрое нарастание удлинений резко замедляется, структура волокна в известной мере стабилизируется. Разрушение структуры идет слабо и не вызывает ухудшения механических свойств.

Во второй фазе, если структура волокон хорошая, а величина и частоты растяжений таковы, что они вызывают только быстро обратимые деформации, состоящие в основном из упругих и быстро релаксирующих эластических компонентов, в результате воздействий не происходит существенных ухудшений структуры материала, и в итоге она остается почти неизменной. Материал выдерживает большое число растяжений. Развитие структурных дефектов и накопление необратимых медленных эластических и пластических деформации идет медленными темпами. После большого числа циклов накапливается некоторая необратимая деформация и начинается третья фаза.

В этой фазе сравнительно быстро протекает процесс расшатывания структуры. В местах дефектов концентрируются напряжения, быстрое накопление пластической деформации и за счет смещения молекул и волокон, их разрывы [3]. Однако надо учесть, что шерстяное волокно уникально тем, что в силу структуры поверхности — его чешуйчатой строении, продолжительное трение не только не приводит к разрушению волокна, а усиливает сцепление соседних полимерных цепей и в итоге приводит к повышению качества валки. Поэтому, вторая и особенно «разрушительная» третья фаза деформации для шерстяного волокна не является «страшным врагом», а в силу особенности силы трения, является ведущим фактором осуществления самого процесса валки.

Таким образом, исследование влияния деформационных свойств шерстяного волокна на процесс свойлачивания показало, что модификация волокна борсодержащими соединениями приводит к улучшению способности валки, т. к. способствует увеличению пластифицирующей составляющей деформации волокна, определяющей качество валки.

Литература:

1. Гогинови К. М., Шарабидзе М. Р., Буадзе Е. П. Исследование возможности образования борных комплексов с кератином шерсти. Georgian Engineering News, спец. выпуск, Тбилиси, 2007. Ст. 63–67.

2. Аскадский А. А. Деформация полимеров. – М.: Химия, 1973 г.