VLASTNOSTI VLÁKEN 7. Geometrické a optické vlastnosti vláken 7.1. Základní pojmy Vlákna používaná v textilním průmyslu se vyskytují vzhledem k délce ve formě nekonečných vláken, které označujeme jako hedvábí nebo kabílek. Krátká vlákna se označují jako stříž. Střížová vlákna přírodní i syntetická nemají všechny stejnou délku, ale délku charakterizujeme jednak střední délkou a staplovým diagramem, který vyjadřuje rozdělení četnosti vláken různé délky. Zastoupení jednotlivých délek vláken můžeme vyjádřit buď četností jednotlivých délek nebo váhovým podílem jednotlivých délek vláken. Střední délka vláken, ale i rozdělení jednotlivých délek vláken ve stříži významně ovlivňuje proces zpracování vláken. Problémy mohou činit jak příliš dlouhá vlákna, tak i příliš krátká vlákna. Průměr byl používán v starší textilní literatuře používán k určení jemnosti nebo hrubosti vláken. Pro vlnu, která není zcela kruhová a průměr se mění i po délce a u některých vláken se navíc mění průřez na konci a uprostřed střížového vlákna. Průměr vlákna se vyjadřoval jako maximální šířka kterou bylo možno zjistit pod mikroskopem. Na obrázku je stanovení maximálního a minimálního průměru u bavlněného vlákna. Jestliže příčný řez je eliptický, pak maximum a minimum odpovídá hlavním osám elipsy. Obecně však stanovení průměru je silně závislé na tvaru vlákna. Plocha příčného řezu je pro daný typ vlákna a je úměrná lineární hustotě vlákna.
Maximální a minimální průřez bavlny 7.2. Jemnost vláken Jemnost nebo tloušťka je důležitou geometrickou vlastností vláken. Ovlivňuje řadu vlastností vláken, jako je velikost povrchu, způsob použití, technologii zpracování. Důležitá je i rovnoměrnost v jemnosti vláken. Jemnost se většinou neměří přímo, protože většinou průřez je nepravidelný. Proto se k vyjádření používá dvou způsobů: - délková hmotnost (nebo měrná lineární hustota) – vyjadřuje hmotnost (váhu) vlákna určité délky a vyjadřuje se v g/km. Nejčastěji se používá metrická jednotka tex (g/km) nebo dtex – decitex (g/10 km) a nebo se setkáme i se starší jednotkou den – denier (g/9km) - specifická délka je převrácenou hodnotou délkové hmotnosti – vyjadřuje poměr délky a hmotnosti vlákna. Jako jednotka se používá čm – metrické číslo (km/kg) Jemnost T je definována jako hmotnost vlákna m[g] na jednotku jeho délky Obecně tedy platí: m l*S *ρ T= = = S*ρ l l kde S je plocha příčného řezu a ρ je měrná hmotnost (hustota) vlákna. Jemnosti vlákna se pohybují v jednotkách dtex. Je zřejmé, že při stejné jemnosti T bude průměr vláken s menší měrnou hmotností (hustotou) větší než průměr vláken s vyšší měrnou hmotností. T1 = T2
ρ1
>
ρ2
1 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
Měrná hmotnost většiny klasických přírodních a chemických vláken se pohybuje od 900 do 1600 kg/m3. Keramická vlákna mají hustotu v rozmezí 2000 až 4000 kg/m3 a kovová vlákna od 2000 do 10000 kg/m3. Uhlíková vlákna mají hustotu od 1600 do 2100 kg/m3. Základní charakteristikou vláken je jejich ohebnost, která umožňuje formování přízí a dalších nadvlákenných útvarů. Ohebnost vláken souvisí s modulem pružnosti E a momentem setrvačnosti příčného řezu I (pro kruhové vlákno poloměru d je I = π * d 4 / 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 Je patrné, že 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/E1/4. 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 kolem 30–40 µm jsou vlákna již příliš tuhá (neohebná) a nehodí se pro výrobu staplových přízí. Tloušťka přírodních vláken se naštěstí pohybuje v rozmezí 10–40 µm a syntetických vláken v rozmezí 10–25 µm. Jemnost vláken ovlivňuje také jejich počet v přízi. Např. příze 20 tex z vláken 1 dtex obsahuje 200 vláken v příčném řezu a příze z vláken 0,1 dtex jich obsahuje 2000. Tyto rozdíly se projeví jak na růstu měrné pevnosti tak i kapilarity příze. Typické jemnosti základních typů přírodních vláken jsou uvedeny v tabulce. Jemnosti jednotlivých typů vláken vlákno bavlna (S.I.) bavlna (Indie) vlna (merino vlna (Asie) přírodní hedvábí len (fine) len (coarse)
tloušťka d [µm] 10 18 22 43 12 10 27
typická T [dtex] 1 3 5 19 1,6 1 7
Chemická vlákna mají standardně jemnost kolem 1–5 dtex. Jemnější vlákna se dělí na: extrajemná = 0,5 dtex superjemná = 0,1 dtex jemná = 1 dtex Toto dělení je orientační a hraniční hodnoty nejsou pevné. 7.3. Měření jemnosti vláken K měření jemnosti vláken se buď používá přímo měření z definice, tedy jde o stanovení lineární hustoty: stanovení délky, počtu a hmotnosti. Z toho pak vypočteme hmotnost na jednotku délky. Tedy nekonečné vlákno určité délky navine a pak zváží. U střížových vláken se nařežou vlákna určité délky, spočítá se počet a stanoví se hmotnost na mikrováhách. Jiné metody využívají toku plynu přes svazek vláken a z odporu se vypočte (nebo odhadne) střední průměr vláken. Další metody jsou tzv. vibroskopické metody, které se dnes nejčastěji používají. Umožňují stanovit lineární hustotu jednotlivých vláken a ne průměrnou hodnotu. Tato metoda není vhodná pro měření bavlny, ale u syntetických vláken se s výhodou využívá. Pro dokonale ohebnou strunu o lineární hmotnosti m a o délce l při napětí T, je frekvence vlastních příčných kmitů f daná vztahem
a odtud 2 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
kde a je korekční faktor zahrnující elastický modul materiálu. Pokud a je výrazně menší než 1, pak pro vlákna definované délky l může být stanovena lineární hustota (jemnost) m dvojím způsobem: buď se stanoví frekvence vibrací odpovídající napětí T a nebo se mění napětí při konstantní frekvenci. Princip je patrný z obrázku. Vlákno je upnuto mezi dvě pružiny S a V a napnuto mezi dva hroty K,K. Jeden z hrotu vyvolá příčnou vibraci kolmo na osu vlákna o konstantní frekvenci. Stanoví se napětí, při kterém dojde k resonanci.
Vibroskop
7.4. Povrch vláken Vlákna se také liší tvarem povrchu, který je výrazně ovlivněn příčným řezem vlákna. Všechny vlákna zdaleka nemusí mít tvar válce, ale mohou vykazovat různé profily s tím, že se tento příčný řez vlákna může v různých místech měnit. To platí zvláště o vláknech přírodních. U syntetických vláken ovlivňuje tvar povrchu především proces tvarování Tvar povrchu ovlivňuje zvláště mechanické procesy zpracování vláken. Velikost povrchu má vliv na procesy zpracování vláken, podmiňuje pronikání plynů nebo kapalin, sorpci a difúzi ve vláknech. Vnitřní povrch vláken souvisí s existencí pórů ve vlákně. Důležitou charakteristikou povrchu vlákna je měrný povrch Sp, tj.povrch na jednotku hmotnosti. Platí, že pro kruhová vlákna poloměru r je 2π * r * l 2 4 *π = = Sp = 2 T *ρ π *r *l * ρ r * ρ 2 -1 Měrné povrchy ideálních vláken Sp [m g ] pro různé ρ a různé T jsou uvedeny v tabulce
Měrné povrchy ideálních vláken v m2 g-1 jemnost T [tex] 1 0,1 0,01 0,001
voda(PP) ρ = 1000 kg/m3 0,112 0,355 1,120 3,550
polyester ρ = 1360 kg/m3 0,096 0,304 0,960 3,040
bavlna
ρ
=1560 kg/m3
0,089 0,284 0,890 2,890
Vztah mezi měrným povrchem kruhových vláken a jejich poloměrem je pro vlákna uhlíková a nylonová (PA 6.6) uveden na obrázku. Je použito logaritmické měřítko, protože rozsah od nano-vláken až ke konvenčním vláknům činí až 4 řády. Pro některé aplikace vláken, především pro technické účely, se vyrábí vlákna, která obsahují póry. Podle velikosti můžeme rozlišovat makro- a mikropóry. Hranice se klade okolo 10 nm, ale není přesně definována. Metody k měření pórů jsou různé. Adsorpční metody jsou vhodné pro mikropóry, penetrační metody pro makropóry.
3 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
10
10
4
3
Povrchova plocha [m2/g]
Nylon 1140 kg/m3 10
2
Uhlik 1800kg/m3
10
1
Konvencni vlakna 10
0
Mikrovlakna
Nano vlakna 10
10
-1
-2
10
-3
10
-2
-1
0
10 10 polomer vlakna [mikrometr]
10
1
10
2
Vztah mezi poloměrem a měrným povrchem pro kruhová vlákna. 7.5. Příčný řez U nekruhových vláken hraje 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 V tomto vztahu bylo použito klasického vyjádření kruhovosti c jako poměru ploch příčného řezu Sv a příčného řezu ekvivalentního kruhového vlákna Se majícího stejný obvod. S S * 4 *π 1 c= v = v 2 = Se (q + 1) 2 Ov
Pro čtvercová vlákna je bez ohledu na velikost strany kruhovost rovna c = π/4 = 0,785. Pro π *k obdélníková vlákna s délkami stran a resp. b=k*a vyjde c = . Pro obdélník se stranou (1 + k ) 2 b=2*a vyjde c=0,698. Tedy pro „samo-podobné“ útvary (zmenšené nebo zvětšené ve všech směrech stejně) se kruhovost nemění ale pro „samo-příbuzné“ (zmenšené nebo zvětšené v různých směrech různě) se mění. Symbolem q je označen faktor rozvinutosti tvaru zavedený Malinowskou. Na obrázku jsou ukázány pro typické tvary odpovídající faktory q.
q=0
q = 0,09–0,12
q = 0,45–0,5
Faktor rozvinutosti tvaru Je patrné, že jak c, tak i q jsou pouze faktory úměrnosti s ohledem na kruhovost ale necharakterizují obecně tvarové zvláštnosti. Není problém nalézt dva zcela odlišné tvary se stejnými c a q. Na druhé straně pro stejný tvar příčného řezu při samo-příbuzné transformaci resultují různé tvarové faktory. 4 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
Místo kruhovosti je možno zavést také kružnicovost ck jako poměr obvodů příčného řezu Ov a obvodu ekvivalentního kruhového vlákna Oe majícího stejnou plochu příčného řezu. Ov ck = tedy c = 1/c k2 2 π * Sv Je patrné, že čím členitější tvar, tím menší c a větší ck a pro kruhová vlákna je c= ck. U dutých vláken se ještě definují charakteristiky související s dutinou ve vlákně O OD AV AD Charakteristiky dutých vláken V obrázku jsou: 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 − AD 4 * π A − AD 4 * π * AV Fp = , pro kruhová vlákna F p = = 2 A O O2 a koeficient zralosti vlákna A 4 A Z = V , pro kruhová vlákna Z = V 2 = F p A πd Pro kruhová vlákna odpovídá tedy koeficient Fp koeficientu Z. Je zřejmé, že čím je vlákno jemnější a členitější, tím má větší měrný povrch. Toho lze využít pro přípravu hydrofobních vláken se spontánním smáčením (rozvodem kapaliny po povrchu). Tato vlákna mají povrch s hlubokými rýhami po celé délce v nichž probíhá vlastní transport kapaliny v podélném směru. Podmínku spontánního smáčení lze vyjádři ve tvaru P SS = w * cos θ < 1 Pn Zde Pw je část obvodu rýhy smočené kapalinou, Pn je část obvodu na hranici kapaliny v rýze s okolním vzduchem a θ je smáčecí úhel. Pokud je parametr SS=1 nedochází k pohybu kapaliny a pro SS>1 nedochází ke smáčení. Je tedy patrné, že velikost rýhy může umožnit spontánní smáčení. Na základě těchto úvah bylo navrženo několik typů vláken umožňujících samovolné smáčení. Vlákno 4DG (deep groover) má tvar s osmi výrůstky a osmi hlubokými rýhami. Jeho kružnicovost ck = 2,7 a měrná povrchová plocha Sp=0,32 m2/g.
(
)
4DG H Typické profily pro spontánně smáčívá vláken Výrazně lepší smáčecí schopnosti má vlákno průřezu H. Jeho kružnicovost ck = 5,4 a měrná povrchová plocha Sp = 6,3 m2/g. Vlákna těchto profilů se dají připravit z libovolného vláknotvorného polymeru. Oblast použití těchto vláken pro technické textilie sahá od geotextiií a filtračních textilií až ke zvukově a tepelně izolačním materiálům.
5 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
7.6. Délka vláken Délka vláken rozhoduje o zpracovatelnosti a využití pevnosti vláken v pevnosti příze. Při použití vláken v kompozitních strukturách se definuje tzv. kritická délka jako délka vlákna v matrici, kdy je v rovnováze síla potřebná k udržení vlákna v matrici Fs = Ai * τ se silou potřebnou k přetrhu vlákna Fv = Av * σ v , kde Ai resp. Av je plocha styku vlákna s matricí resp. plocha příčného řezu vlákna, τ je smykové napětí mezi vláknem a matricí a 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 je kritická délka rovna r *σ v Lc = 2 *τ Pro vlákna delší než Lc dojde spíše k jejich přetrhu a je tedy optimálně využita jejich pevnost. Krátká vlákna v přízi tedy budou spíše prokluzovat a nepřenášet napětí, což povede ke snížení pevnosti příze. S ohledem na spřadatelnost a využití pevnosti vláken je kritická délka kolem 10 mm. Variabilita délky vláken je různá u různých vzorků. U bavlny činí kolem 40% u vlny 50 až 60 %. Délka syntetických vláken je mnohem uniformnější. Variabilita činí kolem 10%. Variabilita délky vláken nemusí být vždy na závadu a dokonce byly u vlnařských typů polyesterových a polyakrylonitrilových vláken vyvinuty technologie staplování vláken (trhání nebo řezání) s cílem dosáhnout variabilní staplových diagram vláken. V průběhu textilního zpracování dochází ke krácení vláken, neboť vždy dochází při mechanických operacích k jejich náhodnému trhání a tedy krácení. K dosažení rovnoměrného zpracování vláken je nutné, aby se míchala vlákna přibližně stejné délky. Pro většinu účelu jsou preferována delší vlákna, avšak krátká vlákna mají výhodu, pokud chceme produkovat měkké a vlasové tkaniny nebo tkaniny s teplým omakem. Na druhé straně delší vlákna zhoršují proces předení. Na obrázku je typický příklad histogramu četnosti vláken různé délky, kde f je četnost a l je délka vláken
Na následujícím obrázku je hmotnostní rozdělení délek vláken, avšak ne ve tvaru frekvenční funkce, ale distribuční funkce, tedy úsek na ose x vyjadřuje váhový podíl vláken od nuly po délku l.
6 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
7.7. Objemnost vláken a obloučky Důležitými charakteristikami staplových vláken, kterou v souvislosti s délkou vláken nelze zanedbat, jsou obloučkové charakteristiky vlákna. Obloučkování nebo kadeření vláken je technologicky velmi důležité a výrazně ovlivňuje zpracovatelské vlastnosti vláken a často i finální vlastnosti textilních výrobků, především u netkaných textilií. Určuje např. vlastnosti a soudržnost přástu nebo pavučiny na mykacím stroji a podobně. Ovlivňuje i objemnost textilií. Obloučkové charakteristiky vlákna jsou: - počet obloučků na jednotku délky - stupeň zkadeření (poměr délky zkadeřeného a nataženého vlákna) - stálost zkadeření (poměr délky zkadeřeného vlákna před a po zatížení) - zbytkové zkadeření (stupeň zkadeření po tahovém namáhání vlákna) U vlny jsou obloučky poměrně stálé, zatím co u syntetických vláken je nutné obloučky tepelně fixovat, aby se zvýšila stálost zkadeření. Obloučkování může mít buď převážně „rovinné“, tedy většina obloučků leží v jedné rovině procházející osou vlákna, což je případ syntetických vláken a nebo „prostorové“ nebo „spoirálovité“, tedy následná rovina dvou obloučku je vzájemně pootočena. Takový je například u vlny. Objemnost je geometrická vlastnost vlákna, která vyjadřuje stupeň rozvolnění nebo stěsnání vláken. Charakterizuje se objemovou hmotností, tedy jako hmotnosti na jednotku objemu. Objemová hmotnost textilního útvaru ovlivňuje řadu vlastností, především tepelně izolační vlastnosti. U objemové hmotnosti není důležitá pouze její počáteční hodnota, ale důležité je, do jaké míry je tento objem stálý po stlačení. Proto se objemnost charakterizuje i měřením objemové práce, tedy síly, kterou musíme vyvinout při stlačení textilního útvaru. Důležité je i stupeň zotavení objemného textilního po stlačení. K hodnocení se používají specifické metody. 7.8. Optické vlastnosti vláken Když světlo dopadá na vlákno, může část procházet, část se absorbuje a část se odráží. Podíl jednotlivých složek ovlivňuje výsledný efekt dopadu světla na vlákno. Jak jsem již uvedli v přednášce o metodách hodnocení struktury vláken, jsou optické metody důležité i pro hodnocení struktury vláken. Vlákno vykazuje, podobně, jako všechny další látky index lomu. Jeho hodnota je však závislá na směru. Rozdíl indexu lomu v podélném a příčném směru označujeme jako dvojlom (viz kapitola „měření struktury vláken“). Index lomu je závislý na hustotě vlákna, Platí Gladstone a Daleho zákon, že (n – 1)/ρ= konstanta Index lomu je veličina aditivní a pro směs látek nebo strukturních modifikací o objemovém zlomku vm a indexu lomu nm platí
kde vi a ni jsou objemový zlomek a indexu lomu jednotlivých složek. Index lomu je ovlivněn i obsahem vlhkosti. Na obrázku je závislost indexu lomu viskózového vlákna v podélném a příčném směru v závislosti na obsahu vlhkosti.
7 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
Z dvojlomu je definován optický orientační faktor f definovaný Hermansem n − n⊥ 3 = 1− sin 2 φ f = /// / 2 n// − n⊥ kde n/// , n⊥/ jsou indexy lomu ideálně orientovaného vlákna. V ideálně orientovaném vlákna je f=1 a Φ=0. V izotropním vlákně, které nevykazuje dvojlom je f=0 a pak sin2 Φ=2/3 a Φ je asi 550. Závislost indexu lomu n a úhlu Φ v závislosti na f je na obrázku.
a dvojlom pro různá vlákna je v tabulce.
Tvar příčného řezu vláken ovlivní lesk, omak objemnost, sorpční vlastnosti, tuhost, tepelně izolační vlastnosti atd. Lesk vláken souvisí s podílem odraženého světla R, který se řídí Fresnelovým zákonem ⎛ (n − l ) ⎞ ⎟⎟ R = ⎜⎜ ⎝ (n + l ) ⎠
2
A B Zrcadlový /A/ a difúzní /B/ odraz kde n je index lomu vlákna a l je index lomu vzduchu. 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. Pro zvýšení vnitřního rozptýlení světla ve vláknech se používá kysličník titaničitý TiO2 který má vysoký index lomu (matování). 8 prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec Vlastnosti vláken
