Файл: Трилор, Л. Введение в науку о полимерах.pdf

Таблица lO.t

Величины давления набухания Р (в атмосферах) при различных значениях относительной влажности

и содержание воды в вискозном шелке при этих условиях

риал в отсутствие внешнего давления сорбирует 10% воды. Если погрузить вискозный шелк в воду (или поме­ стить в атмосферу водяного пара при 100%-ной О. В.), то для предотвращения дальнейшего набухания тре­ буется давление, равное 948 атм. Это очень высокое дав­ ление, для наглядности его можно сравнить, скажем, с давлением воды на дне океана в наиболее глубоких ме­ стах. По мере того как уменьшается содержание жидко­ сти в веществе, все быстрее и быстрее растет давление набухания.

3. ТЕПЛОТА СМАЧИВАНИЯ

Поглощение воды целлюлозой сопровождается силь­ ным выделением тепла. Это тепло можно измерить, по­ гружая волокно, например хлопчатобумажную вату, в ячейку с водой чувствительного калориметра. Теплота смачивания определяется как количество тепла, выде­ лившегося вплоть до завершения процесса поглощения воды и отнесенное к единице массы сухого волокна. Есте­ ственно, что эта величина зависит от количества воды, уже имевшейся в волокне: чем оно больше, тем меньше дальнейшее поглощение и соответствнно меньше количе­ ство выделившегося тепла. На рис. 10.3 приведена соот­ ветствующая экспериментальная кривая для вискозного шелка. Полное количество тепла, выделившегося при

смачивании водой сухой целлюлозы, достигает 107 Д ж или 25,5 кал на 1 г волокна. Аналогичные результаты получены и при изучении смачивания шерсти и волос.

Теплота смачивания определяется как теплота, выде­ ляющаяся при поглощении о/сидкой воды. Если вода по-

Рис 10.3. Теплота смачивания (сухого) вискозного волокна как функция начального содержания воды (Гутри, 1949).

рое может поглотить 'Волокно; в случае вискозного шел­ ка или шерсти, поглощающих около 35% воды, полное количество выделившейся теплоты составляет около 965 Д ж (230 кал на 1 г сухого волокна).

Эти тепловые эффекты полностью обратимы, и при высыхании волокна происходит поглощение эквивалент­ ного количества тепла.

4. ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЕ ВОЛОКОН В ПРАКТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ

Способность волокон поглощать воду очень важна в связи с применением некоторых тканей для производства одежды. Материалы сильно различаются по их способ­ ности поглощать воду. Натуральные-волокна, например хлопок и шерсть, а также вискозное волокно очень гиг­ роскопичны, тогда как синтетические волокна, как пра­ вило, способны поглощать лишь относительно небольшое количество воды (рис. 10.4). Способность поглощать воду имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Среди положительных качеств следует отме­ тить способность тканей абсорбировать человеческий пот, причем не достигая насыщения. Это свойство тесно связано со способностью материала пропускать водяные пары через ткань, что скорее зависит от ее плотности, т. е. от диффузии влажного воздуха через материал, чем от свойств самого волокна. С другой стороны, гигроско­ пичные ткани дольше сохнут, что затрудняет их стирку или чистку. Кроме того, испарение воды из сырой хлоп­

Способность к поглощению волокном воды влияет на электропроводность волокна; гигроскопичные волокна обычно являются хорошими проводниками, а материалы, не поглощающие влагу, наоборот, имеют крайне низкую проводимость. Это свойство обусловливает электризацию трением в условиях переработки или эксплуатации и ве­ дет к накоплению в волокнах статического электриче­ ства. В материалах с низкой проводимостью «статиче­ ские» заряды остаются на поверхности довольно долгое время. Это приводит к затруднениям при намотке волокон на бобины и при прядении в результате возникновения сил отталкивания между заряженными нитями в волокне или в пряже. В некоторых случаях, например в при­ сутствии воспламеняющихся легколетучих жидкостей,

статическое электричество становится источником опас­ ности, так как образующиеся при разряде искры могут вызвать взрыв. Так, например, в условиях больницы искры от одежды могут воспламенить пары анестезирующих веществ. Не столь драматично, но достаточно неприятно

Относительная влажность, %

Рис. 10.4. Кривые поглощения воды для шерсти (1), ацетатного волокна (2), найлона-6,6 (<?) и лавсана (4) (Джеффрис, 1960 г.)

другое следствие электризации одежды — более быстрое, чем обычно, загрязнение. Заряженная поверхность при­ тягивает частички пыли из атмосферы, последние крепко прилипают к волокну и не полностью удаляются при стирке. В результате материал постепенно теряет свой цвет. Однако многие из перечисленных неприятных эф­ фектов могут быть сведены к минимуму с помощью со­ ответствующей обработки материалов, главным образом веществами, оказывающими на волокна «антистатиче-

ское» действие за счет увеличения поверхностной прово­ димости. Это предотвращает накопление на волокнах электрических зарядов.

5. КАКОВА ПРИРОДА ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ?

Рассмотрим на молекулярном уровне, что же опреде­ ляет способность полимеров поглощать воду. В общем виде молекулы близкого химического строения взаимно притягиваются и поэтому легко смешиваются или обра­ зуют раствор, тогда как молекулы резко отличного хи­

низкомолекулярные углеводороды ряда СпНгп+г- Химиче­ ски эти соединения родственны друг другу и поэтому взаимно растворимы в любых соотношениях. С другой стороны, вода Н—О—Н по химическому строению сильно отличается от указанных углеводородов, и поэтому если воду энергично встряхивать с бензином или бензолом, то смешения не происходит, а вода выделяется в отдель­ ную фазу на дне сосуда. Или, например, сахара химиче­ ски подобны воде; они содержат атомы водорода и кис­

воде по причине своей полимерной природы и высокой кристалличности. Как уже упоминалось выше, взаимо­ действие между целлюлозой и водой принимает форму «водородных связей», образующихся менаду ОН-группа- ми их молекул (см. стр. 157). Доказательством такого сильного взаимодействия может служить также большая теплота смачивания целлюлозы.

Количество поглощенной полимером воды зависит не только от его химической природы, но и от физической структуры. Рентгенографически и другими методами было показано, что при поглощении воды структура

кристаллитов целлюлозы остается неизменной. Вода по­ глощается не кристаллической, а аморфной частью ве­ щества. Именно по этой причине вискозный шелк сорби­ рует больше воды, чем хлопок, химически ему идентич­

Углеводородные волокна полиэтилен и полипропилен совершенно не растворяются -в воде. Это соответствует упомянутой выше несовместимости с водой всех пара­ финов. Полимеры на основе полиамидов (например, най­ лон) обладают промежуточными свойствами; их моле­ кулы содержат группы —СО—NH—, входящие также в состав белков шерсти, которые сильно притягивают воду, однако эти группы в полиамидах чередуются с по­ следовательностями СН2 -групп, которые, как известно, отталкивают воду. В результате полиамиды обладают

ной составляющей в молекулах полиэфиров, известных, например, под названием лавсана, больше, чем у поли­ амидов, поэтому они поглощают воду еще хуже, чем по­ следние.

6. НАБУХАНИЕ КАУЧУКОВ

Иллюстрацией рассмотренного принципа служит рас­ творение каучуков, особенно углеводородного типа,— натурального, бутадиенстирольного и бутил-каучука — в обычных растворителях типа бензина и бензола. Прав­ да, когда каучук вулканизован, все его молекулы соеди­ нены в пространственую сетку, и эта сетка не может рас­ твориться, а может только набухать.

Процесс набухания, как известно, включает диффу­ зию молекул жидкости в полимер, которая становится возможной благодаря свободе движения отдельных сег­ ментов полимерных цепей, что позволяет полимеру удер­ живать в объеме молекулы жидкости. При малых коли­ чествах поглощенной жидкости этот процесс практиче-

количества диффундирующей в каучук жидкости начи­ нает чувствоваться влияние полимерной структуры — на­ бухание приводит к расширению пространственной сетки