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

Đại học Bách Khoa Tp.HCM

Khoa Cơ Khí

Bộ môn Kỹ Thuật Dệt May

VẬT LIỆU DỆT

TEXTILE MATERIAL

PHẦN 4

ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC-TÍNH CHẤT XƠ DỆT

1

A. ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC XƠ DỆT

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

Bông và lanh có thành phần cơ bản chung là gì ?

2

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

Đặc trưng cấu trúc của cao phân tử tạo xơ dệt

• 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

4

Tổng hợp các hợp chất cao phân tử tạo xơ dệt

Phản ứng trùng hợp

• Từ các monomer không no, nguyên tố carbon chưa sử dụng

hết các liên kết

• Một trong các liên kết của chất dễ đứt và có khả năng tạo liên

kết với các phân tử khác để tạo nối liên kết

• Monomer có thể có cấu trúc vòng

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

5

Tổng hợp các hợp chất cao phân tử tạo xơ dệt

Phản ứng trùng ngưng

• Monomer phải là những hợp chất chứa từ hai nhóm chức trở lên,

ví dụ như hydroxyl,carboxyl,amin

• Các nhóm này kết hợp với nhau tạo nên các đại phân tử lớn dần

cho đến khi đạt tới một trạng thái cân bằng nào đó

• Trong quá trình phản ứng có thoát ra các sản phẩm phụ: nước,

rượu,amoniac

6

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

PA,PES,PAN,cellulose

Ví dụ

-A-A-A-A-A-A-A-A-

-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-

-A-A-A-A-B-B-B-B-

7

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

8

Cấu trúc của fibroin trong tơ tằm

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

10

Các liên kết phân tử trong xơ

• 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

11

liền kề

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.

12

Vùng tinh thể và vô định hình

13

Cấu trúc tinh thể của xơ dệt

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

10^-6đến 10^-5mm

• Các tinh thể nằm định hướng dọc trục xơ dệt sẽ làm cho xơ có độ

bền cơ học lớn

• Trạng thái cấu trúc của xơ dệt phụ thuộc vào tương quan giữa lực

liên kết phân tử và dao động nhiệt

14

Cấu trúc tinh thể của xơ dệt

• 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

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

16

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

18

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

19

Ảnh Debye

(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

20

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