Bài giảng Vật liệu dệt - Phần 4: Đặc trưng cấu trúc - Tính chất xơ dệt

Bài giảng Vật liệu dệt - Phần 4: Đặc trưng cấu trúc - Tính chất xơ dệt có nội dung trình bày về đặc trưng cấu trúc của xơ dệt, đặc trưng tính chất của xơ dệt, thành phần cơ bản tạo xơ dệt, cấu trúc đại phân tử trong xơ dệt, các liên kết phân tử trong xơ, các tính chất kỹ thuật quan trọng,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết bài giảng.

PHẦN 4 ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC-TÍNH CHẤT XƠ DỆT

VẬT LIỆU DỆT

TEXTILE MATERIAL

Đại học Bách Khoa Tp.HCM Khoa Cơ Khí

Bộ môn Kỹ Thuật Dệt May

1

4.1 Thành phần cơ bản tạo xơ dệt

- Xơ dệt do nhiều thành phần cơ bản tạo nên, trong đó có một thành phần chiếm tỷ lệ lớn và quyết định đến tính chất xơ

- Xơ dệt thông dụng có thành phần cơ bản là hợp chất cao phân tử

- Hợp chất cao phân tử có thể có sẵn trong tự nhiên hoặc do quá trình

tổng hợp mà tạo ra

A ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC XƠ DỆT

Đặc trưng cấu trúc của cao phân tử tạo xơ dệt

• Là các đại phân tử hay phân tử vĩ mô (macromolecular), cấu

thành từ hàng trăm ngàn nguyên tử với khối lượng phân tử lớn

hơn 1000

• Đại phân từ hình thành từ nhiều nhóm nguyên tử hay đơn phân tử

• Các mắt xích cơ bản của đại phân tử có thể cùng một dạng

(polymer) hoặc khác dạng (co-polymer)

• Số mắt xích có trong một polymer (co-polymer) gọi là hệ số trùng hợp (DP), từ mấy trăm đến mấy chục ngàn

3

• Không thể chuyển sang thể khí, dung dịch có độ nhớt lớn

• Ít dung môi có thể hòa tan được

• Khối lượng phân tử trung bình tác động đến tính chất vật lý

• Điểm nóng chảy (Tm) không rõ ràng

Đặc trưng cấu trúc của cao phân tử tạo xơ dệt

• Cho biết một số xơ dệt mà em biết tạo ra từ phản ứng này ?

Tổng hợp các hợp chất cao phân tử tạo xơ dệt

5

4.2 Cấu trúc đại phân tử trong xơ dệt

Cấu trúc mạch thẳng

• Mỗi mắt xích chỉ nối với hai mắt xích kề bên

• Đại phân từ có dạng đơn giản một mạch dài không chia nhánh

• Hầu hết polymer của các xơ dệt có cấu trúc mạch thẳng

Cấu trúc mạch nhánh

- Một số mắt xích nối với hơn hai mắt xích

- Đại phân tử ngoài mạch chính còn có các mạnh nhánh

- Hầu hết đại phân tử của các protid polymer gốc tự nhiên đều

mạch nhánh

Cấu trúc mạch lưới

• Trong mạch thẳng có những mắt xích đa chức tạo nên những liên kết ngang làm cho đại phân tử có cấu trúc lưới không gian 3 chiều

• Len có cấu trúc polymer mạch lưới 3 chiều, liên kết ngang tạo bởi acid amin hay cystin

9

4.3 Các liên kết phân tử trong xơ

• Các mắt xích trong nội một đại phân tử hay giữa các đại phân

tử liên kết lẫn nhau nhờ lực liên kết phân tử Các lực này không đủ mạnh để tạo chất mới nhưng đủ để xơ có cấu trúc tương đối bền vững

Polymer crystallinity

• Hai loại liên kết phân tử chủ yếu trong xơ:

Liên kết hydro:

• chỉ có khi trong đại phân tử có H, có tính tĩnh điện

• Tạo mối liên kết với các nguyên tố tích điện âm (O,N )

• Xơ dệt tạo bởi các hợp chất cao phân tử có nhiều các nhóm hydroxyl, carbonyl,amin,methylene (cho ví dụ) có khá nhiều liên kết hydro

Liên kết Wan der Waals

• Hình thành do cảm ứng giữa các phân tử lưỡng cực hoặc phân cực hay sự chuyển động thích ứng các điện tử của các phân tử liền kề

Các liên kết phân tử trong xơ

11

4.4 Cấu trúc của hợp chất cao phân tử

• Ảnh hưởng quyết định đến tính chất cơ,lý hóa lý của vật thể

• Ở trạng thái bình thường hợp chất cao phân tử tạo thành xơ ở

trạng thái liên kết thể rắn

Dạng cấu trúc của hợp chất cao phân tử của xơ dệt

• Là cấu trúc hỗn hợp của vùng tinh thể (trật tự cao) và vùng vô định hình (trật tự thấp)

• Cấu trúc tinh thể: các phân tử bố trí trong không gian theo trật tự hình học nhất đính với khoảng cách nhất định tạo thành mạng lưới tinh thể

• Cấu trúc vô định hình: các phân tử trong hợp chất phân bố không theo trật tự nào lúc khoảng cách hình học giữa chúng lớn hoặc chỉ một số có trật tự khi khoảng cách gần

Vùng tinh thể và vô định hình

13

• Xơ dệt có đại phân tử dài, các vùng tinh thể bé (vi tinh thể), dài từ

• Lực liên kết phân tử >dao động nhiệt: vùng vô định hình cứng,

xơ ít biến dạng, hợp chất cao phân tử ở trạng thái thủy tinh

• Lực liên kết phân tử <dao động nhiệt: cao phân tử biến dạng

do ngoại lực tác động hoặc dao động nhiệt, xơ ở trạng thái đàn hồi

• Lực liên kết phân tử << dao động nhiệt: một phần hay phần

lớn đại phân tử bị dịch chuyển dưới tác động của ngoại lực, xơ

ở trạng thái dẻo

• Thông thường hợp chất cao phân tử tùy theo nhiệt độ làm nóng

mà có 2 hoặc 3 trạng thái với các nhiệt độ chuyển trạng thái Tm

và Tg

Cấu trúc tinh thể của xơ dệt

15

4.5 Các phương pháp phân tích cấu trúc hợp chất cao phân tử

4.5.1 Phân tích cấu trúc bằng tia X

• Phân tích bằng tia X là phương pháp phổ biến, nghiên cứu cấu trúc

vi tinh thể, cấu trúc vô định hình

• Tia X là bức xạ điện tử đã ion hóa, khi chiều dài bước sóng bằng kích thước vật cản đặt trên đường lan truyền của sóng hoặc bằng kích thước lỗ màn chắn thì hiện tượng nhiễu xạ xảy ra

• Dùng tia X chiếu vào vật thể thì các phân tử, nguyên tử và khoảng cách giữa chúng sẽ làm sẽ tạo nên màn chắn với những lỗ buộc tia

X bị lệch đi, tia X có bước sóng 0.05-0.25nm thường dùng để phân tích cấu trúc

Phân tích cấu trúc bằng tia X

17

Ảnh Debye

• Khi góc giữa nhóm các mặt phẳng song song trong đó các tâm nhiễu xạ thì hướng tia X đập vào sẽ gây nên hiệu số lộ trình của tia nhiễu xạ bằng hoặc gập một số lần chiều dài bước sóng và xuất hiện hiện tượng giao thoa

• Đặt tấm phim trên đường đi của tia giao thoa phản xạ thì tại chỗ giao nhau sẽ xuất hiện vệt tối Đặc điểm phân bố các vệt trên phim phụ thuộc vào cấu trúc vật quan sát ảnh Debye

• Bề rộng các vòng giao thoa phụ thuộc kích thước tinh thể tạo nên nhiễu xạ Nếu kích thước tinh thể nhỏ, chênh lệch ít so với bước sóng tại X thì số tâm tán xạ ít làm cho số vòng trên ảnh ít và không rõ nét

• Ảnh Debye giúp nhận biết cấu trúc xơ, xem trong đó các vi tinh thể có nằm định hướng hay không, xác định dạng và kích thước tinh thể

Ảnh Debye

19

(a) Ảnh nhiễu xạ tia của xơ từ bột

ngô Điểm nhiễu xạ sáng trong ảnh

do độ định hướng tinh thể tốt của

xơ bột ngô

(b) Ảnh nhiễu xạ tia X của bông,

cho thấy cả các nhiễu xạ xích đạo

và nhiễu kinh tuyến

Ảnh Debye

Vật thể quan sát gồm những tinh thể nằm lộn xộn theo mọi hướng

- Luôn tìm thấy một số tinh thể nằm thành các nhóm mặt phẳng trên

đó có những tâm nhiễu xạ và tạo ra giao thoa

- Các tinh thể trong nhóm có sự phân bố giống nhau so với tia X tới nên các tia nhiễu xạ tản ra thành hình nón, đập lên tấm phim tạo nên những điểm tạo thành vòng tròn mảnh

Ảnh Debye

21

Vật thể quan sát có cấu trúc vô định hình

Chỉ khi các thành phần tạo nên phân tử bố trí gần trật tự thì sẽ cho ảnh Debye có vòng rộng,nhờ gọi là “quầng vô định hình”

Tuy nhiên, nếu cao phân tử gồm các nguyên tử hay nhóm nguyên tử lặp

đi lặp lại chính xác thì thường cho ảnh dạng vòng (phân tử định hướng

có dạng cung), giống trường hợp cấu trúc vật thể hình thành từ nhiều tinh thể nhỏ giới hạn của phương pháp

Ảnh Debye

A) nhiễu xạ vô định hình

B) nhiễu xạ tinh thể không định hướng

C) nhiễu xạ tinh thể có định hướng và vô định hình

Ảnh Debye

23

(a) cellulose I, (b) Na–cellulose I, (c) Na–cellulose IV, and (d)

cellulose II sau khi kiềm hóa xơ ramie

Ảnh Debye

4.5.2 Phân tích cấu trúc bằng tia electroon

- Dùng dòng electron bay nhanh có tính chất sóng, ảnh nhận được là ảnh của nhiễu xạ electron

- Bước sóng có chiều dài 0.0510-7 đến 0.0710-7mm, góc nhiễu

xạ bé hơn phương pháp tia X nên quan sát được các vật thể có cấu trúc vi tinh thể rất bé, cho ảnh rõ

- Hạn chế : không phải bao giờ cũng thành công do mẫu có bề dày quá 10-4 sẽ hấp thu tia này

25

4.5.3 Phân tích cấu trúc bằng kính hiển vị điện tử EM và kính hiển vi điện tử quét SEM

- Kính hiển vi có năng suất phân giải cho phép quan sát cấu trúc mảnh của xơ ở mức độ nguyên tử

- Nguyên lý: chùm các hạt tích điện chuyển động trong một trường

tăng tốc tương ứng quá trình dao động sóng với chiều dài bước

Ảnh SEM của xơ len

(a) nguyên gốc, (b) chiếu xạ UV (c) len chống vi khuẩn, (d) mặt cắt

ngang của len chống vi khuẩn

Bingshe Xu a , b , , , Mei Niu a , b , c , Liqiao Wei a , b , Wensheng Hou a , b , Xuguang

4.5.4 Phân tích cấu trúc bằng quang phổ

- Có thể phân tích cấu trúc cao phân tử bằng quang phổ hấp thụ tia hồng ngoại, tử ngoại, tán xạ tổng hớp

- Phổ sẽ giúp xác định các nhóm nguyên tử và các dạng liên kết qua các tần số dao động tương ứng thể hiện trên phổ

- Thường dùng phổ hồng ngoại FT-IR để nghiên cứu xơ, hay xét phổ của dao động trạng thái năng lượng của mẫu, tần số dao động của mỗi nguyên tử phụ thuộc khối lượng của nó và sự liên kết của các nguyên tử với nhau

Phổ FT-IR của: (a) cotton chưa xử lý; (b) cotton oxi hóa 24 h với

0.4 M NaIO4; (c) cotton oxi hóa 72 h với 0.1 M NaIO4

Silvia Vicini a , Elisabetta Princi a , Giorgio Luciano a , Enrico Franceschi a , , , Enrico

Pedemonte a , Dagmara Oldak b , Halina Kaczmarek b , Alina Sionkowska b

29

4.5.5 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiệt

Có nhiều phương pháp nhiệt được sử dụng như :

 phương pháp nhiệt khối (thermogravimetry ,TG)

 phương pháp phân tích nhiệt vi sai (differential thermal analysis,DTA)

 phương pháp nhiệt lượng kế vi sai quét (diferential scanning calorimetry ,DSC)

Phân tích cấu trúc nhiệt lượng vi sai

• Khi cung cấp nhiệt cho một chất,trạng thái của chất sẽ thay đổi xảy ra các quá trình nóng chảy,hóa hơi,thăng hoa,ngưng tụ,kết tinh ngưng tụ

• Tùy thuộc vào bản chất của chất được gia nhiệt có thể dẫn đến

sự thay đổi thành phần hóa học và cấu trúc của vật chất

• Sự thay đổi trạng thái luôn kèm theo sự giải phóng nhiệt hay hấp thụ nhiệt Bằng cách đo lường lượng nhiệt trao đổi giữa vật khảo sát và môi trường ta có thể biết được các tính chất vật lý cũng như các tính chất nhiệt động của chất đó như enthalpy và entropy

31

Khi xuất hiện sự chuyển pha trên mẫu,năng lượng sẽ được thêm vào hoặc lấy đi trong mẫu phân tích để duy trì nhiệt độ mẫu phân tích và mẫu quy chiếu bằng nhau Năng lượng cân bằng được ghi lại và cung cấp kết quả đo trực tiếp của năng lượng chuyển pha

Phân tích cấu trúc nhiệt lượng vi sai

Tg là nhiệt độ chuyển pha thủy tinh,lúc này nhiệt dung của mẫu tăng do vậy dòng nhiệt lên

Tc Nhiệt độ kết tinh,khi nhiệt độ tăng các polymer sẽ nhận đủ năng lượng và sắp xếp có trật tự hơn (tinh thể ) Quá trình này mẫu giải phóng năng lượng

Tm Nhiệt độ tan của mẫu,lúc này tinh thể polymer chuyển động tự do vì vậy chúng hấp thụ một nhiệt lượng

Phân tích cấu trúc nhiệt lượng vi sai

33

Biểu đồ DSC mẫu bông Việt Nam

Huong Mai Bui,Vu Anh Doan, AWPP2012, Kyoto,Japan

Phân tích cấu trúc nhiệt lượng vi sai

Một số tính chất cần thiết để vật liệu polymer có thể tạo ra xơ tương xứng:

(1) Tỉ lệ chiều dài và bề rộng xơ

(2) Độ đồng dạng của xơ

(3) Độ bền và tính dẻo của xơ

(4) Khả năng kéo dài và co dãn của xơ

(5) Độ kết dính của xơ

• Một số tính chất nhất định của xơ tăng giá trị và tính chất mong muốn ở quá trình

sử dụng cuối nhưng không phải là những tính chất căn bản để tạo xơ, gọi là “tính chất thứ cấp”

• Tính chất thứ cấp bao gồm: tính hút ẩm, độ đàn hồi, khả năng kháng mài mòn, mật độ, độ bóng, khả năng kháng hóa chất, tính chất liên quan đến nhiệt và khả năng cháy

B.ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT XƠ DỆT

35

4.6 Tính chất cần thiết, thứ cấp và kỹ thuật

Đối với các kỹ sư dệt và polymer, một số tính chất quan trọng cần lưu ý là khả năng tạo xơ từ nguồn polymer và các yếu tố liên quan tới ứng dụng xơ, bao gồm:

1 Điểm nóng chảy/phân hủy trên 220°C

2 Độ bền kéo lớn hơn 5 g/denier

3 Độ giãn đứt trên 10% và giãn đảo nghịch tới 5%

4 Khả năng hút ẩm 2%-5%

5 Khả năng giữ ẩm và lấy ẩm từ không khí kết hợp với nhau

6 Khả năng kháng mài mòn cao

7 Khả năng kháng hóa chất, trương nở, trong dung môi hoặc dung dịch acid hay bases

8 Tự tắt cháy khi rời khỏi nguồn lửa/nhiệt

Các tính chất kỹ thuật quan trọng của xơ

37

• Cấu trúc hóa học và hình thái cơ bản của polymer trong xơ xác định tính chất cơ bản của loại vải dệt từ xơ đó

• Dù xử lý hoàn tất hóa lý vải có thay đổi tính chất ở mức độ nào đó thì cơ bản tính chất vải vẫn phụ thuộc tính chất xơ

• Khả năng ứng dụng của xơ được liệt kê theo các tính chất cấu trúc, lý hóa và tính chất sử dụng cuối cùng liên quan đến đánh giá ngoại quan, độ bền hữu dụng, tính thẩm mỹ

Cho một số ví dụ từ kiến thức về xơ mà các em đã học ?

Mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất xơ

4.7 Nhận dạng các loại xơ và đặc tính xơ

Một số phương pháp khác nhau sử dụng để nhận dạng xơ

Các phương pháp chủ yếu: dùng hình ảnh kính hiển vi điện tử, thí nghiệm độ hòa tan, tính chất nhiệt và cháy, mật độ và khối lượng riêng, tính dây và bắt màu

4.7.2 Nhận dạng bằng độ hòa tan

Cấu trúc hóa học của polymer trong xơ xác định tính hòa tan của xơ

và ảnh hưởng của dung môi lên xơ, điều này được tận dụng để xác định xơ

Rất nhiều phương pháp phân loại xơ đã được phát triển dựa trên nguyên lý cơ bản này

Acetone 100%

Hydrochlori

c acid 20%

Sulfuric acid 60%

Sulfuric acid 70%

Chlorine bleach 5%

Formic acid 90% ACETATE Soluble Insoluble Soluble Soluble Insoluble Soluble

ACRYLIC Insoluble Insoluble Insoluble

Insoluble depending

on type

Insoluble Insoluble

COTTON Insoluble Insoluble Slightly

soluble Soluble Insoluble Insoluble HAIR Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Soluble Insoluble

HEMP Insoluble Insoluble Slightly

soluble Soluble Insoluble Insoluble

LINEN Insoluble Insoluble Slightly

soluble Soluble Insoluble Insoluble

MODARY

LIC

Soluble or Insoluble depending

on type

Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble

Nhận dạng bằng độ hòa tan

Acetone 100%

Hydrochlo ric acid 20%

Sulfuric acid 60%

Sulfuric acid 70%

Chlorine bleach 5%

Formic acid 90%

NYLON Insoluble Soluble Soluble Soluble Insoluble Soluble OLEFIN Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble POLYEST

ER Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble

RAMIE Insoluble Insoluble Slightly

soluble Soluble Insoluble Insoluble RAYON Insoluble Insoluble Soluble Soluble Insoluble Insoluble

SILK Insoluble Partially

Soluble Soluble Soluble Soluble

Partially soluble Wool Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Soluble Insolubl

Nhận dạng bằng độ hòa tan

4.7.3 Nhận dạng bằng tính chất nhiệt và cháy của xơ

• Phản ứng của xơ khi tiếp xúc trực tiếp từ ngọn lửa thường được dùng để xác định vật liệu

• Khi xơ nhiệt dẻo tiếp xúc với lửa, xơ bị nóng, chảy,co lại trong khi đó xơ không nhiệt dẻo bị ngả nâu,hóa than hoặc có thể không hề chịu tác động của nhiệt từ lửa

• Khi tiếp xúc trực tiếp với lửa, xơ gốc polymer hữu cơ sẽ bắt lửa và cháy, phản ứng cháy là một đặc trưng cấu trúc của xơ

• Khi rời khỏi ngọn lửa, xơ sẽ tự “dập lửa” hoặc tiếp tục bị cháy Mùi khí phát ra từ xơ bị phá hủy và bụi tro than là tính chất đặc trưng của polymer dạng xơ

43

XƠ Tình trạng khi cháy Mùi Tàn

Tiếp cận lửa Trong lửa Lấy ra khỏi

NYLON Co lại Cháy chậm

Thỉnh thoản thấy mùi như cần tây

• Mật độ xơ được xác định bằng cách sử dụng một loại các hỗn hợp dung môi với các mật độ và trọng lượng riêng

• Nếu trọng lượng riêng của xơ lớn hơn trọng lượng riêng chất lỏng,mẫu

xơ sẽ bị co lại trong dung dịch

• Ngược lại, nếu trọng lượng riêng của xơ nhỏ hơn trọng lượng riêng chất lỏng, mẫu xơ sẽ nổi,trôi trong dung dịch

45

4.7.4.Nhận dạng bằng mật và độ khối lượng riêng xơ