Mechanische Relaxationsuntersuchungen zur Charakterisierung des Eigenschaftsspektrums von Polyester-Multifilamentgarnen in der Textilveredlung

134 Pages·1980·4.187 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Giselher Valk, Dr.-Ing. Ulrich Schröder (auth.)

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2980 / Fachgruppe Textilforschung
Herausgegeben vom Minister für Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. rer. nat. Giselher Valk
Dr.-Ing. Ulrich Sehröder
Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e. V.
- Textilforschungsanstalt -, Krefeld
Mechanische Relaxationsuntersuchungen
zur Charakterisie rung des
Eigenschaftsspektrums von
Polyester-Multifilamentgarnen
in der Textilveredlung
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1980
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Valk, Giselher:
Mechanische Relaxationsuntersuchungen zur
Charakterisierung des Eigenschaftsspektrums
von Polyester-Multifilamentgarnen in der Tex
tilveredlung / Giselher Valk ; Ulrich Schröder.
- Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2980 : Fachgruppe Textil
fcrschung)
ISBN 978-3-531-02980-1
NE: Schröder, Ulrich:
© 1980 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1980
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN 978-3-531-02980-1 ISBN 978-3-663-19747-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-19747-8
- III -
Inhalt
A. Zusammenfassung
B. Einleitung 6
c. Stand der Forschung 7
1. Manifestationen viskoelastischen Verhaltens 7
1.1 Relaxation und Viskoelastizität 7
1.2 Untersuchungsverfahren für das zeitab-
hängige mechanische Verhalten von Körpern 7
1 • 2. 1 Untersuchungen mit nichtperiodischem
Deformationsverlauf 8
1. 2. 2 Versuche mit periodischem Deformations
verlauf (dynamische Versuche) 9
1.3 Analoge mechanische Modelle des visko-
elastischen Verhaltens 9
1 • 4 Lineare Viskoelastizität und Boltzmann
Prinzip 10
1.5 Nichtlineare Effekte 10
2. Das viskoelastische Verhalten von Polymeren 11
2. 1 Temperaturabhängigkeit des visko
elastischen Verhaltens 11
2.2 Der molekulare Ursprung des visko
elastischen Verhaltens von Polymeren 1 2
2. 2. 1 Theorien für verdünnte Lösungen 1 2
2.2.2 Theorien für nicht gelöste Polymere 13
2.3 Relaxationsmechanismen in Polymeren 13
2.3.1 Hauptrelaxationsgebiet 14
2.3.2 Relaxationen im Glaszustand 15
2.3.3 Relaxationen in teilkristallinen Polymeren
oberhalb des Glasüberganges 15
2.4 Einfluß physikalischer Parameter eines
Polymeren auf das Relaxationsverhalten 16
2.4.1 Analyse von Mehrphasensystemen 16
2.4.2 Analyse der Feinstruktur von Polymeren 17
2.5 Einfluß der Plastifizierung mit Lösungs
mitteln 19
- IV -
3. Physikalische und chemische Struktur von
PES-t:asern 20
3.1 Chemische Struktur 20
3.2 Physikalische Struktur 21
4. Mechanische Relaxationsuntersuchungen an
PES 23
4. 1 Isotrop nichtkristallines PES 23
4.2 Einfluß der Kristallisation 25
4.3 Einfluß der Verstreckung 27
4.4 Einfluß eines thermisch-mechanischen
Fixierprozesses 30
4.5 Einfluß der Aufnahme niedermolekularer
Substanzen 32
4.6 Relaxationseigenschaften und Anfärbbarkeit 35
D. Problemanalyse 36
E. Eigene Versuche 39
1. Versuchsmaterial 39
2. Versuchsdurchführung 42
3. Abhängigkeit des temperaturabhängigen
mechanischen Relaxationsverhaltens von der
thermischen und mechanischen Vorbehandlung
des Substrats 43
3. 1 Einfluß der Verstreckung 43
3.2 Einfluß der thermisch-mechanischen
Vorbehandlung 46
3.2.1 Glasübergangstemperatur 46
3.2.2 Verlustwinkel 47
3.2.3 Speichermodul 49
3.2.4 Frequenzabhängigkeit des viskoelastischen
Verhaltens 51
4. Relaxation und Struktur 54
5. Einfluß der Aufnahme niedermolekularer
Substanzen auf das mechanische Relaxations
verhalten 59
- V -
5.1 Wasser 59
5.2 Waschhilfsmittel 62
5.3 Carrier 63
5. 3. 1 Einfluß der Behandlungsdauer in der
Carrierflotte 64
5.3.2 Einfluß der thermisch-mechanischen
Vorbehandlungsbedingungen 70
5.3.3 Einfluß der Carrierkonzentration in der
Flotte 74
5.3.4 Einfluß der Art des aufgenommenen Carriers 76
5.4 Mechanische Eigenschaften nach dem
Austreiben des Carriers 79
F. Diskussion der Untersuchungsergebnisse 82
1. Strukturänderungen durch die thermisch
mechanische Vorbehandlung der FES
Multifilamentgarne 82
2. Korrelationen zwischen Faserstruktur und
mechanischem Relaxationsverhalten 92
3. Mechanische Relaxationseigenschaften nach
der Aufnahme von Weichmachern 94
4. Mechanisches Relaxationsverhalten und
textile Eigenschaften von PES-Multi
filamentgarnen 101
5. Orientierung der nichtkristallinen
Bereiche 107
G. Experimenteller Teil 112
1. Thermisch-mechanische Probenvorbehandlung 112
2. Viskoelastische Untersuchungen 112
2. 1 Meßgerät 112
2.2 Probentemperierung 113
2.3 Messungen in Flüssigkeiten 114
3. Dichtebestimmungen 116
ll. Literaturverzeichnis 117
- 1 -
A. Zusammenfassung
1. An handelsüblichen FES-Multifilamentgarnen wurden
mechanische Relaxationsuntersuchungen als Funktion der
Temperatur mit periodischer Probendeformation durchge
führt. Das Material wurde vor der Versuchsdurchführung
unterschiedlich vorbehandelt. Die Behandlungsstufen und
die Parameter ihrer Prozeßführung waren:
a) thermisch-mechanische Vorbehandlung
Parameter: Vorbehandlungstemperatur, feinheitsbe
zogene Vorbehandlungszugkraft
b) Behandlung mit Weichmachern
Parameter: Chemische Konstitution, Behandlungs
dauer, Behandlungstemperatur, Konzen
tration
c) Nachbehandlung zum Austreiben der Weichmacher
Parameter: Behandlungstemperatur, Behandlungs
dauer
2. Die Glasumwandlungstemperatur Tg von unter der Wirkung
von Fadenzugkräften vorbehandeltem PES-Material durch
läuft in Abhängigkeit von der Vorbehandlungstemperatur
ein Maximum. Im für die Veredlung wichtigen Temperatur
bereich oberhalb 160 °C nimmt sie mit wachsender Vor
behandlungstemperatur bei allen in der Praxis vorkommen
den feinheitsbezogenen Fadenzugkräften ab. Mit wachsen
der Vorbehandlungsspannung steigt Tg an.
3. Alle bei 190 °c vorbehandelten Proben weisen unabhängig
von der Vorbehandlungsspannung im gummielastischen Be
reich den höchsten elastischen Modul auf. Ab einer
Vorbehandlungstemperatur von 190 °C nimmt mit steigen
der Vorbehandlungstemperatur die viskose Komponente im
elasto-viskosen Verhalten der Multifilamente zu.
- 2 -
4. Die unter 2. und 3. beschriebenen Befunde können mor
phologisch durch einen Entmischungsvorgang zwischen
kristallinen und nichtkristallinen Anteilen der Proben
erklärt werden, der dann einsetzt, wenn die Vorbehand
lungstemperatur über ca. 190 °C hinaus erhöht wird.
Die Entmischung führt zu einer Abnahme der Kristallit
zahl in der Probe und dadurch zu einer Vergrößerung
des nichtkristallinen Volumens pro Kristallit.
Mit wachsender Vorbehandlungsspannung nimmt bei gleicher
Vorbehandlungstemperatur die Anzahl der Kristallite in
der Probe zu.
S. In einer Versuchsreihe wurde die Frequenzabhängigkeit
der mechanischen Relaxationseigenschaften einiger aus
gewählter, thermisch-mechanisch vorbehandelter PES
Multifilamente untersucht. Mit den Meßergebnissen
konnten die Aktivierungsenergien und -entropien für
einen Platzwechselvorgang im Hauptrelaxationsgebiet
des Materials ermittelt werden. Diese Daten geben Hin
weise auf die Stabilität des nichtkristallinen Gefüges
und auf das dort vorliegende freie Volumen.
6. Für eine direkte Zuordnung mechanischer Relaxations
eigenschaften zu Strukturparametern von PES-Material
wurden Untersuchungen an unverstrecktem Material durch
geführt, das zu Versuchszwecken unterschiedlich ther
misch und mechanisch behandelt worden war. Der doppelte
Glasübergang einer kaltverstreckten und nichtkristal
linen PES-Probe kann auf unterschiedliche nichtkristal
line Strukturanteile zurückgeführt werden. So besitzt
diese Probe einen isotrop nichtkristallinen Anteil,
der seinen Glasübergang bei der gleichen Temperatur
wie eine vollständig amorphe Probe hat.
Auch nach einer Heißluftbehandlung des anisotrop nicht
kristallinen Materials manifestiert sich der isotrop
nichtkristalline Strukturanteil in den Ergebnissen der
mechanischen Relaxationsuntersuchungen.
- 3 -
7. Für die Durchführung von mechanischen Relaxationsver
suchen in flüssiger Umgebung der Probe wurde eine
neuartige Ofenkonstruktion entwickelt.
8. Bei mit Wasser weichgemachten Multifilamenten führten
Messungen in ebenfalls wäßriger Umgebung der Proben
zu folgenden Ergebnissen:
a) Die Glastemperatur der trockenen und der weichge
machten Proben zeigt qualitativ die gleiche Ab
hängigkeit von den Fixierbedingungen. Durch die
Wasseraufnahme wird die Glastemperatur bei allen
fixierten Proben um ca. 30 K gesenkt.
b) Die Verlustwinkel- und Verlustmodul-Temperatur
Kurven der trockenen und der mit Wasser weichge
machten Proben lassen sich durch eine Verschiebung
längs der Temperaturachse zur Deckung bringen.
Dies läßt sich durch eine gleichmäßige Verkürzung
aller Relaxationszeiten des Relaxationszeitspek
trums der Proben durch die Wasseraufnahme erklären.
9. Nach einer Probenbehandlung und Versuchsdurchführung
in Waschflotten, deren Zusammensetzung den Standard
rezepturen der Waschmittelhersteller für die Vorreini
gung von PES-Material entsprach, gaben die Versuchs
ergebnisse keinen Hinweis auf eine Veränderung der
mechanischen Eigenschaften der Proben, die auf die
Waschhilfsmittel zurückgeführt werden konnten. Die
Meßergebnisse entsprachen denjenigen nach Behandlung
des Materials und Versuchsdurchführung in Wasser.
10. Durch Carrierbehandlung werden die Relaxationseigen
schaften der Proben deutlich verändert. Es erfolgt
eine im Mittel erhebliche Verkürzung der Relaxations
zeiten im Material. Allerdings erfolgt die Weich
machung mit Carriern in Bereichen des Materials mit
- 4 -
unterschiedlichen Ordnungszuständen und Zugänglichkei
ten für die Carriermoleküle verschieden stark.
11. Die Weichmacherwirkung der Carrier wird arn deutlich
sten durch deren chemische Konstitution bestimmt. Die
Carrierkonzentration in der Flotte ist demgegenüber
von geringerer Bedeutung. Die Unterschiede in den
Wirkungen der in dieser Arbeit verwendeten verschieden
artigen Carrier können durch Vergleich ihrer Löslich
keitspararneter mit demjenigen von PES und Beachtung
ihrer Molekülgrößen verstanden werden.
12. Die unter Pkt. 4 erwähnten Entrnischungseffekte sind
für den Weichmachereffekt des Carriers für PES-Mate
rial von Bedeutung. Die deutlichste Verkürzung der
Relaxationszeiten wird bei solchen Proben erzielt, die
aufgrund der thermisch-mechanischen Vorbehandlung arn
stärksten entmischt sind. Bei Weichrnachung mit einem
stark wirkenden Carrier auf Basis eines aromatischen
Esters liegt die Glastemperatur aller bei 190 °C vor
behandelten Proben arn höchsten. Wie bereits erwähnt,
führt eine Probenvorbehandlung bei dieser Temperatur
zur Bildung einer maximalen Kristallitzahl in der
Probe.
13. Alle mit Carriern weichgernachten Proben zeigen im
Hauptrelaxationsgebiet zwei Relaxationsschwerpunkte,
von denen einer unabhängig von den Vorbehandlungsbe
dingungen der Proben immer bei ca. 35 °c in den
Kurvenverläufen erscheint. Diese Relaxation kann dem
Glasübergang des weichgernachten, isotrop nichtkristal
linen Anteils der Proben zugeordnet werden.
14. Durch eine Heißluftbehandlung mit in der Praxis üb
lichen Parametern (T = ZOO °C, t = 90 s) kann ein
Carrier auf Basis eines aromatischen Esters nicht
vollständig aus FES-Multifilamenten ausgetrieben