Vlastnosti
vláken
Souvisejí s:
a) chemickým složením
b) způsobem výroby
geometrické vlastnosti: délka, jemnost a tvar
příčného řezu
mechanické vlastnosti: pevnost, tažnost, modul,
tuhost, zotavení
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
Geometrické vlastnosti I
„
„
Ohebnost vláken souvisí s modulem pružnosti E a
momentem setrvačnosti příčného řezu I - kruhové vlákno
4
poloměru d
I = π * d / 64
Jako měřítko ohebnosti je možno použít parametr
definující „ohebnost“ Fe = 1/(M*R), kde M je ohybový
moment a R je poloměr křivosti vlákna. Pro průhyb
nosníku platí, že M*R = E*I. Pro kruhová vlákna o
průměru d je tedy
64
Fe =
E *π * d
4
Geometrické vlastnosti II
„
„
Pro vlákna s vyšším modulem E bude třeba k zachování ohebnosti
použít menší průměr. Průměr vlákna pro zadanou ohebnost je pak
nepřímo úměrný čtvrté odmocnině z modulu.tj. 1/E4.
Vlákna s vysokým modulem tedy budou muset mít menší průměr
aby byla zachována postačující ohebnost.
Ohebnost je také nepřímo úměrná čtvrté mocnině tloušťky. Bylo
zjištěno, že pro tloušťky více než 40 µm jsou vlákna již příliš tuhá
(neohebná) a nehodí se pro výrobu staplových přízí.
Tloušťka přírodních vláken se
pohybuje v rozmezí 10–40 µm
a syntetických vláken v rozmezí
10–25 µm.
„
Jemnost I
„
„
„
„
m l *S *ρ
T= =
= S*ρ
l
l
Pro vyjádření tloušťky vláken standardně používá jemnost (měrná
lineární hmotnost) (jednotky [tex]).
Jemnost T je definována jako hmotnost vlákna m[g] na jednotku
jeho délky l (v jednotkách [tex] to jsou gramy na 1 km).
Je zřejmé, že při stejné jemnosti T bude průměr vláken s menší
měrnou hmotností (hustotou) větší než průměr vláken s vyšší
měrnou hmotností.
Měrná hmotnost většiny vláken je od 900 do 1600 kg/m3.
Keramická vlákna 2000 až 4000 kg/m3 , kovová vlákna od 2000
do 10000 kg/m3 a uhlíková vlákna od1600 do 2100 kg/m3.
jemná
= 1 dtex
Chemická vlákna jemnost kolem 1–5 dtex extrajemná = 0,5 dtex
Superjemná = 0,1 dtex
Jemnost II
vlákno
tloušťka
d [µm]
typická
T [dtex]
bavlna (S.I.)
10
1
bavlna (Indie)
18
3
vlna (merino
22
5
vlna (Asie)
43
19
přírodní hedvábí
12
1,6
len (fine)
10
1
len (coarse)
27
7
Povrchová plocha
„
Měrný povrch Sp, tj.povrch na jednotku hmotnosti. Pro
kruhová vlákna poloměru r je
2π * r * l
2
4 *π
=
=
Sp =
2
T *ρ
π *r *l * ρ r * ρ
„
U nekruhových vláken hraje roli pochopitelně roli vztah
mezi obvodem Ov a plochou příčného řezu vlákna,
protože
Ov * l
Ov
4 *π
4 * π (q + 1) 2
Sp =
=
=
=
S v * l * ρ S v * ρ Ov * c * ρ
Ov * ρ
Tvar řezu
„
Sv Sv * 4 *π
1
c=
=
=
2
2
Se
(
1
)
q
+
Ov
kruhovost c jako poměr ploch příčného řezu Sv a příčného řezu
ekvivalentního kruhového vlákna Se majícího stejný obvod
Pro čtvercová vlákna je
c = π/4 = 0,785.
„ Pro obdélníková vlákna b=2*a
c=0,698.
„ Pro samo-podobné útvary
se kruhovost nemění
„
pro samo-příbuzné se mění.
10
4
„
10
P o vrc h o va p lo c h a [m2 /g ]
Nylon 1140 kg/m3
10
q = 0,09–0,12
q = 0,45–0,5
2
Uhlik 1800kg/m3
10
1
Konve ncni vla kna
10
0
Mikrovla kna
Na no vla kna
10
10
q=0
3
-1
-2
10
-3
10
-2
-1
0
10
10
polome r vla kna [mikrome tr]
10
1
10
2
O
OD
AV
AD
Dutá vlákna
O vnější obvod vlákna, OD obvod dutiny, AD plocha
dutiny, AV plocha vlákna a A = AV + AD celková plocha.
Pro charakterizaci dutých vláken se používá koeficient
plnosti vlákna Fp
A− A
4 * π (A − A ) 4 * π * AV
Fp =
D
A
kruhová vlákna F p =
koeficient zralosti vlákna
AV
Z=
A
kruhová vlákna
D
O
2
=
O2
AV 4
Z =
= Fp
2
πd
S ohledem na spřadatelnost a využití pevnosti vláken
je kritická délka kolem 10 mm.
Délka
vláken
Kritická délka jako délka vlákna v matrici, kdy je v rovnováze síla
potřebná k udržení vlákna v matrici F = A * τ
s
i
Fv = Av * σ v
se silou potřebnou k přetrhu vlákna
Ai resp. Av je plocha styku vlákna s matricí resp. plocha příčného řezu
vlákna,
τ je smykové napětí mezi vláknem a matricí σ v je pevnost vlákna.
Při kritické délce vlákna je stejná pravděpodobnost přetrhu vlákna jako
jeho vytažení z matrice. Pro kruhová vlákna o poloměru r
r *σ v
Lc =
2 *τ
Pro vlákna delší než Lc dojde spíše
k jejich přetrhu a je tedy optimálně využita jejich pevnost.
Příčný řez
„
„
„
„
Tvar příčného řezu vláken ovlivní lesk, omak objemnost, sorpční
vlastnosti, tuhost, tepelně izolační vlastnosti atd. Lesk vláken
souvisí s podílem odraženého světla R, Fresnelův zákon
2
 (n − l ) 
n je index lomu vlákna

R = 
l je index lomu vzduchu.
 (n + l ) 
Světlo se odráží od povrch zrcadlově nebo difúzně. Čím je povrch
hrubší, tím více světla se odráží difúzně. Difúzní odraz také
zesvětluje a snižuje lesk.
Vlákna komplikovaného tvaru, dutá a větší jemnosti se tedy budou
jevit světlejší (bělejší) a matnější.
Matování- TiO2 který má vysoký index lomu
Mechanické vlastnosti I
„
„
„
„
Volí se buď jednoosé namáhání (tah, tlak) nebo víceosé
namáhání (krut, ohyb).
S ohledem na opakování se rozlišuje namáhání prosté a
cyklické
S ohledem na čas jde o statické, časově závislé (relaxace
napětí, creep) a dynamické namáhání.
Záleží také na tom, zda jde o namáhání do přetrhu
(ultimativní) nebo v oblastech kdy nedochází k porušení
vláken.
Mechanické
vlastnosti Komplikace:
„
„
„
„
Oblast platnosti zákonů lineární viskoelasticity je tak omezená
(deformační limit je nižší než 1%), že ji prakticky všechny
experimenty přesahují. Pak již nelze korektně uvažovat určené
parametry za materiálové konstanty
Působením vnějších sil dochází ve vláknech k trvalým
strukturním změnám, které se projevují nejen změnou orientace,
ale často změnou zastoupení různých fází
Polymerní vlákna mají za sebou výraznou deformačně teplotní
historii, která se díky „paměťovému efektu“ do jisté míry projeví
při mechanických experimentech.
Řadu změn struktury, které se promítají do mechanických
(viskoelastických) projevů vláken, není přímo experimentálně
stanovitelná
Zatížení
tahem
Vlákno původní délky lo
plochy příčného So
Působením síly F
F
σ=
prodlouženo
So
na délku l a zúženo na
F
F
Fr = =
plochu příčného řezu S.
T S*ρ
Místo absolutní síly F [N] se používá relativní síla Fr resp.
napětí .
3
σ = Fr * ρ resp. Fr = σ / ρ [MPa] = [N/tex] * [kg/m ]
Deformace
Místo protažení l se používá relativního vyjádření.
„ Dloužící poměr
o
λ = l /l
„
Deformace
„
Pravá deformace
l − lo
ε=
lo
*
ε = ln(l / l o )
Pravá deformace je pro nenulové hodnoty menší než deformace .
dl
dε =
l
*
Pravé napětí
F
σ
σT = =
S (1 − νε ) 2
Poissonův poměr
εT
pricne zkraceni
ν=
=−
podelne prodlouzeni
ε
S − So
kde ε T =
So
Pomocí Poissonova poměru lze určit změnu objemu původního
vlákna Vo na objem deformovaného vlákna V.
V
= (1 − ν * ε ) 2 * (1 + ε ) ≈ (1 − 2ν ) * ε
Vo
Pro V/Vo=1 je ν = 0,5 To je případ kaučuku a kapalin. Pro V >Vo
je ν < 0,5
objem při deformaci roste a materiál se více
natáhne než zúží. Pro většinu textilních vláken je .
0,2 ≤ ν ≤ 0,45
Počáteční modul E je definován
jako derivace pracovního diagramu
v počátku. Jde o směrnici tečny
v počátku k pracovnímu diagramu vláken.
Modul E souvisí pro isotropní materiály
se smykovým modulem G a
kompresním modulem při
všestranném stlačení K podle vztahů
E
K=
3(1 − 2 * ν )
napeti
Počáteční
modul
E = tg α
α
deformace
E
E
G=
ν=
−1
2(1 + 2ν )
2G
Anizotropie
„
„
„
Pravidlo 1:2 (teplotní roztažnost, vodivost..)
Po vlastnost izotropního materiálu
Index R .. rovnoběžně s osou řetězců
Index K .. kolmo na osu řetězců
PR + 2 PK = 3P0
Pro modul pružnosti v tahu
Orientované vlákna
1
2
3
+
=
ER EK E0
1
1
ln(λ )
=
−
E E iso 1.65 * E iso
Kt
ν
ν
Moduly při 250C
Ka
materiál
Poissonův
poměr
E [GPa]
G [GPa]
K [GPa]
voda
0,50
0
0
2
pryž
0,49
0,001
0,0003
2
PA 6
0,44
1,9
0,7
5
sklo
0,23
60
25
37
ocel
0,28
390
150
300
PP
0,47
0,2
0,7
3,8
PES
0,44
2,1
1,1
4
Ultimativní charakteristiky
„
„
„
„
Pevnost se definuje buď jako relativní síla (síla do
přetrhu) Fr [N/tex] nebo jako napětí do přetrhu σp [GPa].
Tažnost je deformace do přetrhu εP [%].
Relativní pevnost Fr = P/T [N/tex]. Pro běžná vlákna
vycházejí pevnosti řádově v jednotkách [cN·dtex-1] =
[g·tex-1]
Tržná délka lT - délka [m], při níž by vlákno prasklo
vlastní vahou.
σ
F p = lT * ρ * S σ p = lT * ρ l T = = 1000 * Fr
ρ
Fp je síla do přetrhu
tažnost [%]
pevnost
mokrá
[%] ze suché
tažnost
mokrá [%]
1–2
20–40
80–90
25–50
bavlna
2.7–4.3
3–10
100–110
3.6–12
viskoza
2–3
15–30
44–72
20–40
acetát
1.3
20–45
60–70
30–50
PA 6
3.7–5.2
25–40
85–90
20–50
PA 6.6
3.7–5.4
25–40
85–90
20–50
PES
4.1–4.5
19–23
100
19–23
PP
2.7–6.3
25–75
100
25–75
PAN
2.0–2.9
20–28
80–90
26–34
kevlar
19
4
100
4
vlákno
pevnost
[cN·dtex-1]
vlna
Mechanismus porušení
Pro vlákna ve skelném stavu, vlákna keramická
a skleněná je typický křehký lom
„
U většiny syntetických vláken zvlákňovaných
z taveniny dochází k houževnatému lomu
„
U vysoce pevných vláken typu aromatických
polyamidů PBO atd. Jde o axiálnímu štěpení.
„
U vláken zvlákňovaných z roztoku a vláken
mikroporézních (obsahujících síť mikro dutin)
je typický granulární lom
„
Teplotní závislost I
1. Při dostatečně nízkých teplotách T< 0,8 Tg se vlákna porušují
křehkým lomem, který nastává v místech lokálních poruch
vláken. Tvar pracovní křivky (závislosti napětí na deformaci ) je
lineární. Pro pevnost při křehkém lomu platí empirický vztah
σ P = 30 * 3 E 2
Vlákna jsou ve sklovitém stavu, kdy polymerní segmenty pouze
vibrují kolem středních poloh.
2. Při teplotě T = 0,8*Tg již dochází k počátku plastických
deformací a pracovní křivka má konkávní ohyb. Při porušení
vláken již dochází ke vzniku trhlin. Vlákna jsou v přechodové
oblasti, kde již dochází k difúznímu pohybu polymerních
segmentů malého dosahu.
Teplotní
závislost II
σ
1
2
3
4
ε
3. Při teplotě zeskelnění Tg již dochází k výrazným plastickým
deformacím resp. vzniku krčkového dloužení a pracovní křivka
má typický sigmoidální charakter s oblastí kluzu. Tato
teplota je typickou pro charakterizaci bodu, kdy již je
segmentální pohyblivost polymerních řetězců tak vysoká, že
dochází k tvorbě lokálních volných objemů umožňujících např.
difúzi penetrantů hmotou vlákna.
4. Při teplotách dostatečně nad Tg dochází již ke kvazi viskóznímu
toku a charakter porušení odpovídá plastickému porušení
Vlákno se bud nachází v kaučukovité oblasti (kaučukovitá –
entropická deformace) nebo v oblasti pružného tečení.
Teplotní
závislost modulů
„
„
Z teplotní závislostí modulů pro
amorfní polymery lze určit sklovitou
oblast (smykový modul G≈109 Pa),
přechodovou oblast (smykový modul
prudce klesá až na G ≈ 105 Pa),
kaučukovité plato (smykový modul je
přibližně konstantní G ≈ 105 Pa), oblast
pružného tečení (smykový modul mírně
klesá na G ≈ 103,5 Pa) a oblast
kapalinového tečení, (smykový modul
klesá pod G ≈ 103 Pa)
U semikrystalických polymerů dochází
po krátké kaučukovité oblasti k tání.
A krystalický
B zesítěný
C amorfní
Časově závislé odezvy
„
A křivka zatížení – čas
Odezva tělesa:
„ B pružného
„ C viskoelastického
„ D plastického
„
„
sigma
Pružná
deformace I
Deformace valenčních úhlů a
epsilon
meziatomových
vzdáleností.
(přechodem
spirálovité gauche konformace do cik — cak
přímé trans konformace dochází k vratnému
protažení až o 15%).
Pružná deformace se modeluje Hookeovskou
pružinou charakterizovanou modulem pružnosti
E. Pro pružnou deformaci pak platí, že .
σ = E *ε
Pružná deformace II
„
Deformační práce spotřebovaná na převedení ideálně pružného
tělesa z nedeformovaného do deformovaného stavu se v tělese
ukládá jako potenciální deformační energie. Při přechodu zpět do
nedeformovaného stavu se tato energie uvolní (spotřebuje).
Odlehčení tedy vede k samovolnému návratu do původního stavu.
Deformační práce W [J] je dána vztahem
l
W = ∫ F * dl = Vo * U D
„
„
Pro deformační energii UD platí
0
Pro ideálně pružné těleso je dodaná energie
ε1
U D = ∫ σ * dε
0
U D = 0.5 * E * ε 1
2
Plastická deformace I
„
„
Je způsobena nevratnými prokluzy segmentů
makromolekul. Modeluje se obyčejně jako píst
s viskózní kapalinou charakterizovaný viskozitou . η
Pro plastickou deformaci platí, že rychlost deformace
je úměrná působícímu napětí
dε σ
=
dt η
„
sigma
Plastická
deformace II
2
Při zatěžování konstantní rychlostí deformace
1
epsilon
dε / dt = k
je závislost mezi napětím a deformací konstanta (křivka 1).
„ Při zatěžování konstantní rychlostí zatěžování dσ / dt = k
vyjde pro pracovní křivku ideálně plastického tělesa vztah
(křivka 2).
σ = 2 * k * ε *η
Viskoelastická deformace
(částečně vratná), která je časově závislá.
„ Modeluje se jako kombinace pružných a plastických
členů A a B.
Typická křivka zatížení/odlehčení
s tím, že v odlehčeném stavu
je sledován další vývoj deformace.
e3 e2
e1 je celková deformace, e3 je plastická
e1
deformace, (e1-e2) je elastická deformace
epsilon
a (e2-e3) je viskoelastická deformace.
sigma
„
Lineární viskoelasticita
V ideálním případě tzv. lineární viskoelasticity se pak
vztah mezi napětím, deformací a časem popisuje jako
lineární
diferenciální
rovnice
n-tého
řádu
s konstantními koeficienty (odpovídá kombinacím
pružin a pístů).
d mε
dε
d nσ
dσ
+ ... + a n * n = b0 * ε + b1 *
+ ... + bm * m
a 0 * σ + a1 *
dt
dt
dt
dt
kde ai a bi jsou koeficienty souvisejícími s moduly E a
viskozitami . η
e = e0
de
=0
dt
cas
napeti
Závislost napětí
na čase při
konstantní deformaci
deformace
Relaxace
napětí
cas
σ =σ0
dσ
=0
dt
cas
deformace
Závislost deformace
na čase při konstantním
napětí resp.
přesněji zatížení
napeti
Kríp - creep
cas
Sorpce I
Vlákno obklopeno molekulami, resp. částicemi vodní
páry, vody, kapalin, plynů a pevných částic:
Difúze penetrantů prostředím (obyčejně vodou nebo vzduchem
k vláknu. Tento proces je obyčejně dostatečně rychlý.
Adsorpce na povrchu vlákna, V řadě případů je adsorpce zkoumána
samostatně, protože penetranty výrazně dále do vláken nepronikají
resp. jejich pronikání závisí na množství penetrantu na povrchu.
Difúze hmotou vlákna, kdy dochází k transportu penetrantů do vláken.
V některých případech dochází k zadržování penetrantů na
specifických místech ve vlákně a vytvoření vazby s vláknem.
Desorpce molekul penetrantu zpět do okolí (resp. přenos penetrantu)
Sorpce II
Makroskopickým výsledkem může být usazování
penetrantu na povrchu (např. částice prachu),
pronikání penetrantu do vlákna (barvení, navlhání),
resp. transport penetrantu přes vlákna (odstranění
potu)
Procesy sorpce mají svoji kinetickou stránku (rychlost
změn), rovnovážnou stránku (velikost změn) a
termodynamickou stránku (hnací síla změn). Probíhají
obyčejně současně, takže jejich oddělené sledování
vyžaduje často speciální experimenty.
Smáčení a
vzlínání
Vlákno je s kapalinou pouze v místním styku (např. částečně
ponořeno, kapky kapaliny na povrchu atd.). V těchto případech
dochází k procesům smáčení, což se projeví ustavením rovnováhy
mezi kapalinou a povrchem vlákna. U vlákenných svazků dochází
ke vzlínání kapilárním transportem v pórech mezi vlákny. Platí, že:
a) smáčení je výsledkem energetických interakcí tří fází tj. pevné látky,
kapaliny a okolního vzduchu (plynné fáze) v rovnováze.
povrchové napětí na
γ sv − γ sl
γ
=
γ
cosθ =
lv
rozhraní kapalina vzduch.
γ lv
b) vzlínání souvisí jak s energetickými poměry mezi jednotlivými
fázemi, tak i geometrií vlákenného svazku.
„
Rovnovážná sorpce
„
„
„
„
O mechanismu interakce molekul penetrantu s povrchem
vláknen lze získat informace z tzv. adsorpčních isoterem.
Principem je sledování závislosti mezi množstvím
penetrantu na povrchu vlákna CP (resp. ve vlákně) a
v okolí vlákna Co v rovnováze, kdy došlo k ustálení
rozdělení penetrantu mezi vlákno a okolí.
Předpokládá se, že v okolí nedochází vlivem sorpčních
procesů ke změně koncentrace, tj. Co je konstantní.
Experimenty se provádějí při konstantní teplotě.
Mechanismy sorpce
Fyzikální sorpce
Příklad: sorpce inertního plynu
při nízkých teplotách na povrch
porézních materiálů.
Chemisorpce
Příklad: reaktivní plyn
sorbovaný na aktivních místech
povrchu porézního materiálu.
Porovnání izoterem
CP
Nernst
CPM
Langmuir
Co
Porózita vláken
Neporézní látky:
malá povrchová
plocha
Částice:
Velikost a povrchová
plocha
Porézní látky:
Středně veliká
povrchová plocha
Objem a rozměry pórů
Aktivní místa:
Porosita a koncentrace
aktivních míst
Sorpce vody I
Hydrofilní vlákna – porézní (mají k vodě afinitu) jsou schopna vázat
a transportovat vodu. Mezi hydrofilní patří všechna vlákna přírodní a
chemická obsahující hydrofilní skupiny.
Hydrofobní vlákna – neporézní (není afinita k vodě) tj. nemožnost
vázání vody specifickými vazbami a nesmáčení povrchu vláken.
Voda se u svazků těchto vláken šíří kapilárními silami.
Voda působí v polymerech především jako plastifikátor snižující
teplotu zeskelnění a zvyšující tažnost. Voda ovlivňuje pozitivně
také elektrickou vodivost a snižuje měrnou hmotnost.
Sorpce vody II
Sorpce vody souvisí se složením vláken, stavem jejich
povrchu, přístupností hydrofilních skupin, rozvolněností
struktury, distribucí pórů, teplotou, časem a :
C
1.existencí sorpčních center
(hydroxylové skupiny u celulózových vláken)
2. přístupností sorpčních center
3. vznikem sekundárních sorpčních center
x
x
x
x
x
t
„
„
Při sledování
rovnovážné absorpce
vodních par se
konstruují absorpční a
desorpční izotermy.
Sorpční izoterma pro
vodní páru je závislost
rovnovážné koncentrace
vody ve vlákně CV na
relativní vlhkosti
vzduchu RH)
Cv
Rovnovážná sorpce
vodních par
Desorpce
H
Absorpce
RH
Rovnovážná sorpce
vodních par - vlákna
Konstrukce izoterem
„
Kinetické experimenty, kdy se
sleduje při konstantní relativní
vlhkosti ovzduší RH závislost
koncentrace vodních par Ct ve
vlákně na čase t. Rovnovážná
hodnota Cv pro rovnováhu tj. t =
E se pak vynáší jako pořadnice
do grafu absorpční izotermy.
Pokud se začíná od suchého
vlákna dochází k jeho vlhčení
(absorpci) a pokud se začíná od
mokrého vlákna dochází k sušení
(desorpci).
RH = konst.
Ct
Desorpce
H
Absorpce
E
t
Hystereze I
Rozdíl mezi absorpční a desorpční izotermou při
zvolené relativní vlhkosti vzduchu RH se
nazývá hystereze. Pro hydrofilní vlákna je hystereze
hydrofóbní vlákna je nízká.
Příčinou hystereze je různý počet přístupných vazných míst při
sušení mokrého vlákna (více) nebo vlhčení suchého vlákna
(méně).
K hysterezi dochází také v případě, že ve vlákně jsou póry otevřené
na obě strany nebo tzv. lahvovité póry (to může být příčinou
hystereze hydrofobních vláken).
Příčinou hystereze je také kapilární kondenzace
Význam hystereze
Hystereze má praktický význam tam, kde se při dané
vlhkosti vzduchu požaduje maximální (resp. minimální)
vlhkost ve vláknech. Ve zkušebnictví se standardně
začíná od vysušených vláken a provádí se vlhčení
s ohledem na předepsanou vlhkost ovzduší (standardně
65% RH).
Z termodynamického hlediska je adsorpce exotermní
proces.
Tepelné jevy při sorpci
vody
Pokud je voda absorbována do vláken z vodní páry, dochází nejprve
ke kondenzaci na povrchu vláken.
„ Latentní teplo kondenzace (tj. teplo uvolněné při fázové změně
z plynné na kapalnou fázi) se pohybuje kolem 2450 Jg-1 vody.
S ohledem na relativní vlhkost vzduchu RH je část kondenzované
vody transportována do vlákna.
„ Část zůstává na povrchu a je transportována kapilárními silami.
Vlivem přítomnosti molekul vody dochází zejména v přístupných
oblastech vlákna (amorfní fáze) k tvorbě sekundárních vazeb, což
se projeví větší uspořádaností systému a snížením jeho celkové
energie.
„ Přebytečná energie se uvolní jako teplo sorpce. Sorpce je tedy
exotermní proces doprovázený vývinem tepla.
Diferenciální sorpční teplo
Diferenciální sorpční teplo Q [Jg-1vody].
Jde o teplo uvolněné sorpcí 1 g vody na neomezeném
počtu vláken při dané vlhkosti ovzduší RH. Čím je
vlákno na počátku sorpce sušší tím je teplo Q vyšší.
Např. pro viskózu je pro suché vlákno
Q=1,17 [Jg-1vody]
a pro vlákno obsahující 75 % vlhkosti jen
Q = 0,24 [Jg-1vody]
Integrální sorpční teplo
Integrální sorpční teplo
H [Jg-1vlákna].
Teplo uvolněné při úplném
nasycení 1 g vláken při
dané vlhkosti.
Označuje se také jako teplo
smáčecí.
Souvisí úzce se schopností
vláken vázat vodu.
Čím více vody jsou schopna
vlákna vázat, tím je H
vyšší.
Změny integrálního tepla vody
s vlhkostí vzduchu (RH)
Bobtnání
Obecně lze bobtnání vyjádřit jako
relativní změnu
SV = SR + SA + SA * SR
průměru (radiální délkové bobtnání SD)
plochy příčného řezu (radiální plošné bobtnání SR)
délky (axiální délkové bobtnání SA)
objemu (objemové bobtnání SV ).
Pro vlákna kruhového průřezu je S R = 2 * S D +
S
2
D
Anizotropie bobtnání
„
Vlivem tvorby vodíkových můstků v amorfních oblastech
hydrofilních vláken dochází v výraznému příčnému bobtnání.
Podélné bobtnání je výrazně nižší což vede k anizotropii bobtnání
vlákno
bobtnání příčné SR[%]
bobtnání podélné SA[%]
bavlna
40
<1
viskoza
60–130
~4
vlna
25
~1
PA 6.6
2–3
~6
Standardní vlhkostní přirážka
vlákno
vp [%]
množství vlhkosti 65%, 20 oC
bavlna
len
konopí
juta
8,5
12
12
13,75
7,6–8,6
10,2–10,7, 15
10, 15
9,6–9,8, 17
vlna
15–18,25
10–12 (16–18)
přírodní hedvábí
11
12
viskóza
13
12–14
PA 6
6,25 stříž,
5,75 hedvábí
3,2–3,5
(4–4,5)
PES
1,5 stříž,
3,04 hedvábí
0,4–0,5
PAN
2
1–2
„
„
„
„
C
Difúze
vodních par
x
x
x
x
x
t
V řadě případů je zde sorpce doprovázena výrazným
bobtnáním vláken, takže množství přístupných míst pro
molekuly vody se zvětšuje.
Dochází ke shlukování vodních par a vazbě nikoliv
molekul, ale těchto shluků.
U silně hydrofilních materiálů se tvoří poměrně veliké
shluky a difúzní koeficient vody v pórech je vysoký.
Pro méně hydrofilní materiály je tendence ke shlukování
menší a difúzní koeficient vody v pórech klesá.
Teplota tání
„
„
„
„
Teploty náhlých změn vlastností (tepelné přechody) jsou pro
jednotlivé druhy vláken specifické a spojené se změnou
segmentání pohyblivosti makromolekulárních řetězců.
Ve většině případů jsou pozorovány fázové přechody I. a II.
druhu.
Fázový přechod I. druhu je charakterizován změnou stavu (plyn,
kapalina, pevná látka). U amorfních polymerů není tato fázová
změna jasně ohraničena.
Tento přechod je charakterizovaný teplotou fázového přechodu TM
– teplotou tání. Čistě krystalické látky mají přesně definovaný bod
tání. U amorfních polymerů není tato fázová změna jasně
ohraničena.
VM
Teplota
zeskelnění I
A
S
Tg
„
„
„
„
TM
T
Se zvyšující se teplotou dochází u amorfních látek k přechodu ze
skelného stavu do stavu kaučukovitého.
Tato přeměna se uskutečňuje v určitém teplotním intervalu, který
je nazýván skelný přechod.
Střední teplota tohoto intervalu je nazývána teplotou zeskelnění
Tg. Na druhé straně zde není možné indikovat jednoznačně teplotu
tání TM.
U semikrystalicých polymerů, které mají jak krystalickou tak i
amorfní část je možné indikovat jak Tg tak i TM.
V
Vf
Vo
Volný objem
Tg
„
„
„
„
T
Pro amorfní polymery je celkový objem VM složen z objemu
řetězců VO a volného objemu Vf.
Až do teploty Tg mohou částice makromolekul vykonávat
pouze vibrační pohyb kolem určitých rovnovážných poloh.
Proto roste VO i Vf stejnou rychlostí.
Při Tg energie dodaná částicím právě postačuje k překonání
energetické bariéry pro vnitřní rotaci molekul kolem
jednoduchých kovalentních vazeb — rotace se označuje jako
segmentální pohyb.
Nad Tg dojde vlivem segmentální pohyblivosti k výrazně
rychlejšímu růstu Vf.
Teplota
zeskelnění II
„
Teplota zeskelnění závisí obecně na molekulové hmotnosti polymeru
Mn podle vztahu
K
Tg = Tgz −
Mn
„
„
„
U semikrystalických polymerů souvisí teplota zeskelnění na stupni
krystalinity a tedy na teplotě tání.
Tg ≈ 0,5 * TM
Pro polymery se symetrickými řetězci je
Tg ≈ 0,66 * TM
a pro polymery s asymetrickými řetězci je .
Teplota
zeskelnění III
„
„
Teplota
zeskelnění
má
projevy charakteristické pro
fázový přechod II. druhu, ale
fázovým přechodem II. druhu
není. Závisí na teplotě ohřevu
či chlazení a má tedy
kinetický charakter.
Vysoké Tg zajišťují také tuhé
a neohebné řetězce a silné
mezimolekulární vazby
vlákno
Tg [oC]
TM [oC]
polyetylén
-80
145
polypropylén
-18
170
PA 6.6
82
256
PA 6
65
220
PES
67 amorfní
256
PVC
80
190
Tepelná kapacita
„
„
Tepelná kapacita vláken se nejčastěji vyjadřuje měrným teplem
za stálého tlaku CP [Jkg-1K-1].
Měrné teplo je definováno jako teplo Q potřebné k ohřátí
jednoho kilogramu látky o jeden stupeň Kelvina. Je funkcí
molekulární a nadmolekulární struktury vláken, teploty i
rychlosti ohřevu. Měrné teplo při konstantním tlaku je dáno
vztahem
Cp = ( ∂Q / ∂T )p [ Jkg-1K-1]
Vlákna mají téměř konstantní Cp=1,5 [Jg-1K-1].
Tepelná
vodivost I
Ao
T1
„
(T1-T2)/X
T2
X
Tepelnou vodivost vyjadřuje součinitel tepelné vodivosti λ
[Wm-1K-1], což je konstanta úměrnosti ve vztahu pro ustálený
tepelný tok přes plochu velikosti A0. Rychlost toku tepla je
úměrná také rozdílu teplot na vstupu T1 a výstupu T2 z desky a
tloušťce desky X
(T1 − T2 )
Q
= −λ * Ao *
t
X
„
Q je množství tepla prošlého deskou za čas t. Velmi nízkou
tepelnou vodivost 0,003 [Wm-1K-1] má vzduch
Tepelné vlastnosti
polymer λ [Js-1m-1K-1]
PP
0,172
PVC
0,168
PES
0,218
elastan
0,147
Semikrystalické
Cv·103 [Jkg-1K-1] polymery- tepelná
vodivost souvisí
s měrnými
hmotnostmi
2,14
amorfní ρa a
krystalické ρ K fáze.
Při běžné teplotě je
0,96
tepelná vodivost
krystalické fáze
zhruba 6x vyšší než
1,13
tepelná vodivost
amorfní fáze.
1,70
Elektrické vlastnosti
„
„
Látky umístěné v elektrickém poli:
transport elektricky nabitých částic, tj. vzniká elektrický
proud doprovázený rozptylem energie; to je typické pro
vodiče;
vznik dipólů a indukovaných dipólů doprovázený
akumulací energie; tento proces je vratný a typický pro
izolátory (dielektrika).
Vlákna
„
„
„
Většina textilních vláken patří mezi elektrické isolátory.
To je způsobeno skutečností, že všechny elektrony jsou
vázané k atomovým jádrům nebo sdílené v kovalentních
vazbách.
Elektrická vodivost však není úplně nulová a závisí na
obsahu různých přísad, resp. obsahu vlhkosti.
Bylo experimentálně ověřeno, že pro hydrofilní polymery
postačuje 1%-ní obsah vlhkosti, aby jejich vodivost
vzrostla o 8–10 řádů .
Vodivost materiálů
Vodivost je součin koncentrace nositelů náboje [mol·m-3]
velikosti náboje q [C·mol-1] a pohyblivostí nositele
n
up
náboje up [m2V-1s-1]. materiál
[mol.m-3]
[m2V-1s-1]
Pro systémy, kde
kov
103 – 104
10-3 – 103
je více nositelů
náboje platí
keramika
10-4 – 10-2
10-3 – 10-3
vztah
σ E = ∑ ni * qi * u pi
organický
polovodič
10-9 – 103
10-10 – 10-2
Vodivost
polymerů
„
„
„
Možnými nositeli náboje jsou ionty, elektrony a díry. Vodivost
polymerů souvisí s přeskoky elektronů z valenčního pásu do
vodivostního pásu přes zakázaný pás. Při přeskoku padají
elektrony do pastí a přecházejí mezi pastmi tunelovacím
mechanismem.
Pro přeskoky je potřebná energie (např. tepelná). Tento
přeskokový mechanismus se uplatňuje u polymerních
polovodičů s konjugovanými dvojnými vazbami, protože
konjugované úseky jsou přerušeny v místech lokálních poruch
a na koncích řetězců. Liší se od vodivosti kovů, kde není
zakázané pásmo a volné elektrony se vyskytují i ve
vodivostním pásu při běžné teplotě.
U polovodičů je zakázaný pás úzký, takže je jejich vodivost
mezi vodivostí kovů a isolátory.
Pevné látky: energetické hladiny oddělené pásy
zakázaných energii
Pásová teorie vodivosti
Valenční pás
Vodivostní pás
Pás zakázaných
energií
Růst energie
Zaplněné
hladiny
Izolátor
Vodič
Polovodič
díry
Děrová a elektronová vodivost
Elektrická vodivost
V
Napětí V [V]
Sv
„ Proud I [A]
I
„ Odpor R [V/A]
„ Vodivost G [S=A/V]
lv
R=V/I
S Siemens
G=I/V
Vodivost vlákna σ E o délce lv a ploše příčného řezu Sv je
poměr plošné hustoty proudu I/Sv a intenzity elektrického
pole U/lv
I * lV
G * lV
=
σE =
[Sm-1 ]
U * SV
SV
„
Elektrický odpor
„
Reciprokou hodnotou měrné vodivosti je měrný elektrický odpor
RE = 1 / σ E
[S-1m = Ωm]
Vodiče (RE =10-8–10-2 Ω m), polovodiče (RE = 10-2–100 Ωm) a
nevodiče (RE = 100–1016 Ω m).
Klasická syntetická vlákna R = 1012–1014 Ω m.
Antistatická vlákna R = 106–1010 Ω m.
Elektricky vodivá vlákna R kolem 10-5 Ω cm, nebo nižší.
Charakteristikou izolátorů a polovodičů je, že elektrický odpor
s teplotou klesá. U kovů však roste !!
Elektrický odpor vláken
Měrný elektrický odpor RE [Ωm] při 65 [%] relativní
vlhkosti a [20oC]
vlákno
CO
WO
CV
SE
PA6
PA6.6
PAN
PES
PP
ln(RE)
5,6
7,3
5,8
8,7
13
11
14
17
12,5
Elektostatický náboj I
Elektrický náboj se vyjadřuje v Coulombech (C).
„ Náboj elektronu je -1.6 x 10 -19 C
Objekt 6.25 x 1018 nadbytečnými elektrony má náboj -1 C
„
Coulombův zákon
Síla mezi dvěma tělesy s náboji Q1 a Q2
vzdálenými o d
Elektostatický náboj II
„
„
„
„
Velikost elektrostatického náboje souvisí přímo s velikostí
elektrického odporu vláken.
Nesouvisí pouze s „lepením“ oděvních součástí, ale souvisí
také s problémy týkajícími se výroby textilií, resp. jejich
zušlechťování.
Nabíjení elektrostatickým nábojem vyžaduje jistý přesun
náboje.
Teoretická velikost elektrostatického náboje na textiliích je
až 105 [µC/m2], ale jeho „vytékání“ do okolí tuto hodnotu
snižuje na 30 [µC/m2]. Tomu odpovídá elektrické pole
velikosti 3000 [kV/m].
Vznik náboje I
1.
2.
V případě, že je vlákno ve styku s kovem, nemohou volné
elektrony přecházet z kovu, ale z izolátoru (vlákna). To vede
ke stavu, kdy se vlákna nabíjejí kladně;
Pokud jsou na povrchu vlákna skupiny kyselé, resp. zásadité,
dochází při kontaktu s jinými polymery k jejich redistribuci
podle Botzmanova statistického principu. Počet pohybujících
se částic exponenciálně roste s růstem teploty. Při styku dvou
polymerů se podle typu povrchových skupin nabíjí jeden
kladně a druhý záporně. Podle velikosti těchto nábojů se
konstruují triboelektrické řady.
Triboelektrická řada
Čím jsou v řadě polymery vzdálenější, tím větší náboj
vzniká).Hersh a Montgomery
+
vlna
nylon
viskóza
bavlna
hedvábí
acetát
PVA
polyester
PAN
polyetylén
polytetrafluoretylén
Vznik náboje II
3.
4.
5.
6.
Vlivem tření dochází ke vzniku teplotního gradientu a
pohyblivý náboj (elektrony) přechází z teplejších míst na
studenější. Tento mechanismus nevyžaduje dva různé
materiály.
Pokud má jeden materiál na povrchu elektricky nabitou vrstvu,
může při vzájemném kontaktu s jiným materiálem dojít
k jejímu „stírání“ na původně nenabitý materiál.
U některých materiálů dochází ke generování náboje při
mechanickém
napětí
(piezoelektrický
jev).
Většina
orientovaných vláken má piezoelektrické projevy (např. vlna).
Většina vláken má také pyroelektrické vlastnosti, tj. náboj se
generuje vlivem zvýšené teploty
Tvorba statické
elektřiny
Proces tvorby statické elektřiny se dá rozdělit do tří fází:
a) při kontaktu dvou povrchů dochází k pohybu elektrického náboje
tak, že se na jednom povrchu hromadí přebytek elektronů;
b) na kontaktním mezi-povrchu vzniká elektrická dvojvrstva, ale
elektrostatická elektřina se neprojevuje, protože díky kontaktu
obou povrchů se celý systém jeví elektricky neutrální;
c) při mechanickém oddělení povrchů dochází ke vzniku statické
elektřiny a jejímu postupnému snižování vlivem neutralizace a
disipace v závislosti na elektrickém měrném odporu materiálu.
Důsledky tvorby statické
elektřiny
Na materiálech, kde je vytvořen elektrický náboj dochází k těmto
jevům:
statická přitažlivost — důsledek je vzájemné lepení textilních vrstev,
akumulace prachu na povrchu, špinění atd.;
statická odpudivost — špatná adhese při nánosování, vrstvení a
pojení více vrstev;
statické vybíjení — elektrické šoky při vybíjení přes vodiče, tvorba
jiskry způsobují hoření až explozi, poškození elektronických
přístrojů, vznik elektronického šumu;
fyziologické změny — růst krevního tlaku a pH krve, zvýšení
únavy, snížení obsahu vápníku v moči.
Omezení statického
náboje
„
„
„
„
Pro omezení vzniku elektrostatického náboje lze využít především
selekce materiálu, snížení vzájemného tření, snížení kontaktního
tlaku a rychlosti vzájemného pohybu mezi materiály.
Odvod již vzniklého elektrostatického náboje lze docílit buď
použitím vodičů nebo zvýšením navlhavosti (hydrofilizace). Zvýšení
vlhkosti okolí také napomáhá odstranění elektrostatického náboje.
K neutralizaci elektrostatického náboje dochází řízeným pohybem
volných iontů v blízkosti nabité látky. V případě vodivých vláken je
náboj neutralizován vlivem koronového vybíjení.
K blokování elektrostatického náboje dochází pokrytím nabitého
tělesa vodivou vrstvou.
Hořlavost textilií
„
w
w
w
w
Pro hoření materiálu musí být k dispozici hořlavý materiál,
dostatečná tepelná energie a dostatek kyslíku
absorpce tepla a ztráta vlhkosti vláken;
generace hořlavých plynů vlivem tepelného rozkladu (pyrolýzy)
vláken;
zapálení hořlavého plynu (radikálová reakce mezi hořlavým
plynem a kyslíkem v plynné fázi);
vývin tepla hoření, které dále zvyšuje vývin hořlavých plynů.
Hoří tedy pouze hořlavé plyny (zplodiny pyrolýzy). Vysokou
hořlavost mají polymery obsahující větší množství vodíkových
atomů (PE, celulóza). Menší hořlavost mají polymery s
aromatickými články a ty, co obsahují halogeny (Cl, F).
Nehořlavé úpravy
w
w
w
w
w
w
„
zabránění nebo omezení tvorby hořlavých plynů;
omezení rozkladu vláken zvýšením jejich tepelné odolnosti;
generace nehořlavého plynu při rozkladu vláken a tím blokování
kontaktu s kyslíkem,
ředění hořlavých plynů pomocí nehořlavých plynů;
podpora odkapávání vláken při tání, takže je vlákno odděleno od
zóny hoření;
snížení dodávky tepelné energie (endotermní rozklad) s využitím
nehořlavých materiálů;
vytvoření silné, izolující porézní (uhlíkové) vrstvy na
povrchu vláken (intumescence).
Limiting
Oxygen Index
Pro vyjádření hořlavosti se
používá veličina LOI, která
odpovídá množství kyslíku
(v procentech) ve směsi s
dusíkem potřebného
k hoření.
Nehořlavá vlákna
mají LOI=26 a vyšší
vlákno
LOI
[%]
Tm resp.
TR
nomex
30
400
teflon
95
327
vlna
24 – 26
–
bavlna
17 – 19
–
PP
19 – 20
164 – 170
nylon
20 – 22
256
polyester
20 – 22
258
akryl
20
rozklad
viskóza
17 – 19
–
Degradace
vláken
Při degradaci dochází k:
„
depolymeraci (D)
Oxidační degradace PP
„
statistickémi praskání řetězců (P)
Při tepelné degradaci dochází zejména k radikálové depolymeraci,
Při fotodegradaci závisí intenzita působení na velikosti světelné energie.
Energie fotonů o vlnových délkách 400–300 nm je 300–390 kJ/mol.
(energie C-C vazby je kolem 420 kJ/mol). Prvním krokem je praskání
primárních vazeb v řetězcích a depolymerizace.
Hydrolytická degradace je zapříčiněná působením vody, resp. agresivního
kapalného prostředí. Základním procesem je praskání řetězců.
Download

4. Vlastnosti vláken