02. vlákna vlastnosti

Vlastnosti vláken
Jana Drašarová
Specifický charakter
 struktura
anizotropie
 visko-elastická deformace
 organoleptické charakteristiky

NÁZEV PREZENTACE | DATUM
vlákna = polymery
atom – molekula – makromolekula
Molekulární struktura
chemické složení
• makromolekula – složená z velkého počtu atomů
vázaných chemickými vazbami do dlouhých řetězců
• stavební jednotka (mer) – pravidelně se opakující část
makromolekuly, má stále stejné chemické složení
• velikost – udává polymerační stupeň
• zvláknitelnost (dostatečný PPS, lineární tvar, polární
skupiny v řetězcích, prostorově pravidelná struktura,
dostatečná tuhost řetězce, schopnost tavení nebo
rozpouštění)
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
semikrystalické polymery
amorfní + krystalické oblasti
Nadmolekulární struktura
tvar makromolekul
•
lineární
uspořádanost
•
•
•
krystalická oblast lineární řetězce těsně a
pravidelně vedle sebe pevnost
amorfní oblast - řetězce
se proplétají a vytvářejí
shluk, klubka - vláčnost a
ohebnost
stupeň krystalinity (od 40
do 90 %)
fibrilární struktura
za určitých podmínek
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Vyšší krystalické útvary
závislost na podmínkách krystalizace,
tuhosti řetězců
Nadmolekulární struktura
spontánní krystalizace
.
za působení axiálního napětí ve
zředěném roztoku „ražniči“
lamela
(shish kebab)
v izotropním prostředí
lamelární komplexy
sférolity
dloužení + tepelná stabilizace
 destrukce lamelární struktury
vytahování řetězců z lamel 
fibrilární struktura
z koncentrovaných roztoků
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
stabilní lamelární krystal
s napjatými řetězci
Vlákenná (fibrilální) struktura PES
Nadmolekulární struktura
mikrofibrila
základní útvar
stabilizovaného
vlákna; vřetenovitý
útvar l=1µm,
d=10nm; pravidelně
se střídající K a A
oblastí; délka amorfní
oblasti 1-6 nm.
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
fibrila
vyšší útvar; tvořená
paralelními svazky
mikrofibril spojených
vaznými řetězci
Struktura - vazby
 kovalentní
vazby – mezi atomy v
hlavním řetězci C-C energie 347
[kJ/mol]
 kohezní vazby – mezi polymerními
řetězci soudržnost = soudržnost
polymeru
můstky – H – O,N,F
vazby
energie 10[kJ/mol]
 Van der Waalsovy –
dipólové
elektrostatické interakce – vznikající
při
nerovnoměrném
rozdělení
vazebných elektronů 1 [kJ/mol]
 vod.
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Anizotropie
ve směru osy vláken – orientovaný systém, kde
jednotlivé
řetězce
spojené
kovalentními
vazbami
sdílejí
řadu
sekundárních
(elektrostatických) vazeb bránících jejich
deformaci
ve směru kolmém na osu vlákna – působí daleko
méně sekundárních vazeb, takže odolnost vůči
deformaci je podstatně nižší
vl. fyzikálních (např. dvojlom a bobtnání) a
mechanických (např. moduly), …
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Visko-elastická deformace
vlákno / ne-lineární visko- elastické těleso
(vliv teploty, rychlosti deformace)
napětí
Materiál
křehký
pevný, ne tvárný
tvárný
plastický
deformace
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
relaxace napětí
= stabilizace
požadovaného
tvaru
kríp (creep) při
dlouhodobém
zatěžování
tvarová paměť
zapomínání
Organoleptické charakteristiky
• charakteristiky, které lze hodnotit lidskými
smysly
• omak a lesk textilií
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Dělení
dle způsobu výroby (přírodní, chemická z přírodních, ze
syntetických polymerů, hutnická, pro kompozita,…)
dle chemického složení …
dle délky (staplová, nekonečná, pro kompozity,
nanovlákna,.)
dle tepelných projevů (termoplasty – tavitelné,
tvarovatelné, reaktoplasty (termosety) – vytvrzují
se, žehlení je jen přechodná stabilizace tvaru)
dle absorbce vody (hydrofobní, hydrofilní)
dle mechanického chování (elastomery, fibroplasty,
duroplasty – tuhé a křehké)
….dle vlastností
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Vlastnosti
Souvisejí s:
Popisují:
a) chemickým složením a)zpracovatelnost (pevnost, délka, povrchová
drsnost, obloučkovitost)
b) způsobem výroby
b)užitnost (sorpce, tepelné charakteristiky, chemická
odolnost atp.)
c) kombinace a), b)
c)trvanlivost
 geometrické vlastnosti: ohebnost délka, jemnost a tvar příčného řezu
 mechanické vlastnosti: pevnost, tažnost, modul, tuhost, zotavení, lom
 termické a termomechanické vlastnosti: bod tání, zeskelnění, přechodové
teploty, ztrátový úhel, ztrátový modul, atd.
 elektrické vlastnosti: statický náboj, dielektrické chování, isolační schopnosti
 povrchové vlastnosti: adheze, transportní chování
 oděr a stárnutí
 chemická odolnost
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Geometrické vlastnosti
jemnost [tex]
průřez [mm2]
hustota [kgm-3]
ekvivalentní průměr [mm]
tvarový faktor [1]
obvod průřezu [mm]
měrný povrch [m2kg-1]
štíhlost
[1]
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Mechanické vlastnosti
jsou odrazem jejich:
• chemického složení
• velikosti a tvaru makromolekul
• nadmolekulární struktury (amorfní, krystalické)
• závislosti na teplotě a na čase
Podle způsobu stanovení vlastnosti a podle účelu:
krátkodobé – vliv relaxačních dějů se považuje za zanedbatelný,
stanovení požadovaných parametrů proběhne do několika
minut (zkouška tahem, zkoušky tvrdosti)
dlouhodobé – podle charakteru působící síly se dělí na statické
(relaxace napětí, krípové deformační zkoušky) a dynamické
(rázová a vrubová houževnatost, cyklické zkoušky)
tahové napětí [Ntex-1] [Pa]
pevnost v ohybu
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Elektrické vlastnosti
látky umístěné v elektrickém poli:
vodiče, izolátory (dielektrika)
většina textilních vláken – isolátory
(všechny elektrony jsou vázané k atomovým jádrům nebo sdílené v kovalentních
vazbách);
vodivost (přísady, vlhkost -
pro hydrofilní polymery postačuje 1%-ní
obsah vlhkosti, aby jejich vodivost vzrostla o 8–10 řádů
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
)
Elektrostatický náboj
6 základních mechanismů vzniku statického náboje
(kombinace): tření, stírání, generování náboje při mechanickém napětí
(piezoelektrický jev), pyroelektrické vlastnosti, tj. náboj se generuje vlivem
zvýšené teploty
Triboelektrické řady
Při styku dvou polymerů se podle typu povrchových skupin nabíjí jeden + a
druhý - (čím jsou v řadě polymery vzdálenější, tím větší náboj vzniká)
dle Hershe a Montgomeryho
+ WO nylon VI CO SI acetát PVA PES PAN polyetylén polytetrafluoretylén statická přitažlivost — lepení textilních vrstev, špinění atd.;
statická odpudivost — špatná adhese při nánosování, vrstvení a pojení vrstev;
statické vybíjení — elektrické šoky, tvorba jiskry;
fyziologické změny
— růst krevního tlaku a pH krve, zvýšení únavy, …
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Hořlavost textilií
klasická vlákna jsou více či méně hořlavá
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Degradace vláken
2 základní děje:
- depolymerace (D) snižuje postupně molekulovou hmotnost
- statistické praskání řetězců (P)
tepelná degradace – depolymerace
termooxidace – (na vzduchu) - statistické praskání řetězců
fotodegradace – energie fotonů o vlnových délkách 400–300 nm je
300–390 kJ/mol - je energeticky srovnatelná s energií kovalentních
vazeb v polymerech (energie C-C vazby je kolem 420 kJ/mol).
Prvním krokem fotodegradace je praskání primárních vazeb
v řetězcích a depolymerace.
hydrolytická degradace – působení vody - praskání řetězců
stárnutí polymerů – převažují mechanismy vedoucí k depolymeraci
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Tepelné vlastnosti
záleží na chemickém složení a nadmolekulární struktuře
fázové přechody I. a II. druhu
= n. vlastnosti se při určitých teplotách náhle mění
= změna segmentální pohyblivosti makromolekulárních řetězců
I. druhu = změna stavu (plyn, kapalina, pevná látka TM – teplota tání (K
konst, A ())
II. druhu = skelný přechod (skelné-kaučukovitý) <teplota zeskelnění Tg>
P = K + A mají Tg i TM - stupeň krystalinity)
Tepelná vodivost - izolanty
Sorpční vlastnosti
Transport vody (a tepla) v textiliích
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Transport vody v textilii
vlákna * molekuly prostředí (penetranty)
a) difúze penetrantů prostředím k vláknu
b) adsorpce na povrchu vlákna (někdy ne dál)
fyzikální (nelokalizovaná)
chemická (lokalizovaná na vazná místa)
c) absorpce, difúze hmotou vlákna
transport penetrantů do vláken
zadržování penetrantů na specifických místech ve vlákně a
vytvoření vazby s vláknem
d) desorpce molekul penetrantu zpět do okolí (resp. na
druhou stranu bariéry)
e) část zůstává na povrchu a je transportována kapilárními
silami
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
na povrch vlákna
Adsorpce = plyn/pevná látka
Adsorpce plynu
molekuly adsorbovány = vázány k povrchu
Chemicky – silné kovalentní vazby mezi atomy
Fyzikálně – kohezní vazby
vod. můstky O-H vazby
Van der Waalsovy dipólové elektrostatické
interakce

elektrostatické přitahování (odpuzování) (dle
znaménka el. náboje vlákna a částic)
(teplota, tlak)
molekuly plynu tvoří vrstvu –
kondenzace – kapalina – smáčení – kapilarita
makro,- mikro- porosita
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
uvnitř vlákna
Absorpce = plyn/pevná látka
molekuly absorbovány = vázány UNVITŘ struktury
Chemická – intenzivní
kovalentní vazby mezi atomy
změna rozměrů – botnání, pevnosti,…
Hydrofilní vlákna
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
vlákna
Hydrofilita * Hydrofobita
hydrofilita (je afinita k vodě) tj. schopnost vázat (vodíkovými
můstky) a transportovat vodu; (vlákna přírodní a
chemická obsahující hydrofilní skupiny)
hydrofobita (není afinita k vodě) tj. nemožnost vázání vody
specifickými vazbami a nesmáčení povrchu vláken. Voda
se u svazků těchto vláken šíří především vlivem
kapilárních sil resp. se mechanicky váže na praskliny a
mikropóry;
Procesy sorpce souvisejí obecně se
složením vláken, přístupností hydrofilních skupin, stavem
povrchu, rozvolněností struktury, distribucí pórů, teplotou,
časem, druhem, koncentrací penetrantu
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Tepelné jevy při sorpci vody
sorpce je exotermní proces = doprovázený vývinem tepla
adsorpce = kondenzace na povrchu vláken
= uvolní teplo (při fázové změně z plynné na kapalnou
fázi)
absorpce = část vody transportována do vlákna (v amorfní
fázi - tvorba sekundárních vazeb -  uspořádanost
systému a  celkové energie. Přebytečná energie se
uvolní jako teplo sorpce
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Vliv vody na vlastnosti vláken
plastifikátor (tvorba vodíkových můstků v amorfních
oblastech hydrofilních vláken)
 teplotu zeskelnění, měrnou hmotnost, pevnost VI SI WO,
tření vláken
 tažnost, tep. el.vodivost, pevnost CO LI KN
bobtnání – anizotropie (příčné bobtnání )
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
mezi vlákny
Transport vody mezi vlákny - kapilarita
Vzlínání = kapilarita - kapalina/pevná látka v kapiláře
h = smáčecí výška cos q = R/r
rovnováha mezi gravitační silou a povrchovým napětím
q < 90°
elevace
pevná látka
q > 90°
deprese
je
–
není
o chování kapaliny u stěny nádoby rozhoduje:
• vzájemné přitahování částic kapaliny,
• přitahování částic kapaliny částicemi pevné látky
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
smáčena
povrch vlákna
Smáčení / princip – povrchový efekt
Fáze
= část prostoru / konstantní FY, CH vlastnosti
Povrch = fázové rozhraní, prostor kontaktu, molekuly se nemíchají
Př: kapalina-kapalina, kapalina -plyn
Fázové rozhraní:
molekuly preferují pozici s maximální intenzitou mezimolekulární energie (síly) – uvnitř
fáze
1) Vypařování molekul z povrchu,
nahrazovány jinými zevnitř
2) Povrchové molekuly jsou vtlačovány
dovnitř (soudržné síly)
Rovnováha obou akcí =
tvorba povrchové vrstvy
[nm]
1-několik molekul
jakoby - kapalina pokryta tenkým elastickým povrchem, který stlačuje kapalinu, aby
zaujímala co nejmenší povrch = kouli
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
povrch vlákna
Smáčení / princip – kapalina/pevná látka
Fázové napětí = tečná síla k povrchu  [N.m–1]
charakterizovaná smáčecím úhlem q
Youngova rovnice
q > 90° pevná látka není smáčena
0° < q < 90° pevná látka je smáčena
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
Transport tekutiny a tepla
• komplexní efekt
• prostup z místa s negativním gradientem tepla a vlhkosti
• dosažení rovnováhy
NÁZEV PREZENTACE | DATUM
JAK změnit vlastnosti ?
Přírodní vlákna
Vlákna chemická
syntetická
 kultivace
 šlechtění
 výroba !!!
 roztok/tavenina
 extruze
 chlazení
 protahování
 fixace
NÁZEV PREZENTACE | DATUM