180 H e r m a n s , K n i c k b r u c h f e s t i g k e i t und Spiralstruktur bet Zellulosefasern, XVI. 1- KoUoid- kZeitschrift

Aus clem lnstitut ]fir Zelluloselorschung GlanzstoH-AKU-HKl, Utrecht (HoUancl).

Beitrag zur Frage des Zusammenhanges zwischen Knickbruchfestigkeit und Spiralstruktur bei Zellulosefasern.~)

Won P. H. H e r m a n s (Utrecht , Holland). (Eingegangen am 1. August 1944) In einem neulich erschienenen Aufsatz be-

sch~iftigt sich K. Lauer ~) mit dem Problem tier gogenannten ,,Querfestigkeit" bzw. KnicMestig- keit der Zellulosefasern. Er entwickelt darin eine Hypothese zttr Erkl~irung der viel besseren Knick- festigkeit der nativen Fasern im Vergleieh zu tier der kfinstlichen Fasern. Dfese Hypothese geht von dem spiraligen Aufbau und yon der spezMlen morphologlschen Struktur der nativen Faser aus.

Es ist vielleicht von lnteresse, hier kurz fiber einige schon viele Jahre zurfickliegende, unver- i3ffenflicht gebliebene Beobachtungen zu be- richten, die zttr Kl~irung dieses Problems einen Beitrag liefern dfirften. Aus diesen Versuchen geht hervor, dab ein spiraliger Aufbau die Quer- festigkeit ether Faser tats/ichlich erhtilat, auch wenn dabei eine besondere Biostruktur nicht in Frage kommt. Die Versuche sind mit Modell- tilden gemacht worden. Infolge deren groger Dicke im Vergleich mit technischen Faserarten ist ihre Quer- und Kn~ckfestigkeit immer augen- ffillig niedrig~). Gut orientierte Modellfiiden von ungefiihr 0,2--0,3 mm Durchmesser kann man z.B. in lufttrockenem Zustande schon dureh wenige Biegungen zerbrechen. Die normal be- stimmte Brucbfestigkeit yon Modellf~iden ist hin- gegen mit derienigen aus der gleichen Vis- kose in normaler Weise gesponnenen technischen F~iden durchaus vergleichbar.

Uber die Beziehung zwischen Knickbrucb- festigkeit und Orientiertmg bet Kunstf~iden l~egen bisher NoB zerstreute Zablenangaben vor, aus denen hervorzugehen scheint, dab die erhaltenen Werte augerordentlich stark mit dem ]eweils vor- liegenden speziellen Fabrikat und somit mit den Herstellungsbedingangen schwanken k~nnen. Auch die Apparatur, mit der die Prfifung erfolgt, hat natfirlich einen EinfluB.

W. Sehieber ~) hat Zahlen veriSffentlicht, aus denen hervorgeht, dab die relative Knoten- festigkeit mit zunehmender Orientierung kMner wird. Jedenfalls liegen die ffir Viskosefasern er-

1) Mitteilung Nr. 16 aus dem Institut far Zellu- loseforschung Glanzstoff-AKU-HKI (Utrecht).

~) K. Lauer, Kolloid-Z. 107, 93 (1944). 3) Es ist ohne weiteres einleuchtend, dad Ma-

terialeigenschaften wie Knickfestigkeit, Knotenfestig- keit, Schlingenfestigkeit yon der absoluten Dicke des Objektes stark abh~ingig sein werden. Im allgemeinen ist zu erwarten, dad ihre Werte mit steigendem Faserdurchmesser abnehmen werden; naeh welcher Funktion ist allerdings nicht ohne weiteres voraus- zusehen.

*) W. Schieber, Zellwolle, Kunstseide, Seide 44, 266 (1939).

haltenen Werte im Verglefch mit anderen Fasern schlecht. Stellt man die ffir Baumwolle ange- gebene Knickphasenzahl gleich 1000, so finder man an Hand von der Literatur entnommenen Daten die in tier Tabelie I angegebenen Zahlenwerte.

Tabel le i. Relative Knickfestigkeit verschiede- net Fasern (Baumwolle = 1000).

Seide . . . Wolle . . . Nylon . . . Viskosefasern

Nach 1 Nach Schieber Stau- loc. cit. dinger*)

l 2500

Nach Zart**)

- - 1 9 0 - - 3700 5000 2500 - -

10--260 10 34--160 *) H. Staudinger, Melliands Textilber. 20, 633

(1939). **) A. Zart, Chemie 55, 12 0942).

4-t. L o h m a n n 5) hat Daten fiber die mecha- nischen Eigenschaften trocken gesponnener und nachher in zunehmendem Made in aufgequollenem Zustand nachverstreckter Azetatseiden vertiffent- licht. Er finder eine starke Abnahme tier Knick- festigkeit mit zunehmender Vordehnung und L~ingsfestigkeit. Die Knickfestigkeit fiillt nach 100proz. Verstreckung yon etwa 3500 beim ur- sprfinglichen Material auf etwa 100 herab, w~ih- rend die Festigkeit dabef yon 145g/100den auf 253 g/100den zunimmt.

Er gibt aber zugleich an, dab bessere Quer- festigkeiten erzielbar sind, wenn die V.erstreckung nicht nachher, sondern gleich beim Spinnprozeg vorgenommen wird. Auch bier tril l also der Einflug tier Herstellungsbedingungen hervor.

Durch freundliches Entgegenkommen yon Herrn Prof. Dr. H. Sommer verffigen wir fiber einige im Materialprflfungsamt Berlin-Dahlem ausgeffihrten ,,Dauerbiegfestigkeitsprfifungen" an Modellf~iden, die aus 8proz. V[skose hergestellt wttrden. Es handelt sich dabei um zwei Reihen von Ffiden zunehmender Orientierung. D~e bei- den Reihen unterscheiden sich NoB dutch die absolute Dicke der F~den. Verwendet wurde ein Knickbruchfestigkeitsprfifer nach Dr. Hennig . Die Versuchsbedingungen waren folgende:

Relative Lufffeuchtigkeit 65 Proz. Raumtemperatur 200 Biegewinkel 1800 Belasiung das ]eweilige. abgerundete

100-m-GewichI des Fadens.

~) H. Lohmann, Angew. Chem. 53, 107 (1940).

Band 108 -] H e r m a n s , K n i c k b r u c h f e s t i g k e i t u n d S p i r a l s t r u k t u r be t .Ze l l u l o se f a se rn , X V I . 181 H. 213 (1944)J

Biegegeschwindigkeit 120 Doppelbiegungen/Min.

Mittel aus je 10 Einzelwerten.

Die Beobachtungen sfnd in Tabelle II zu- sammengefagt.

T a b e l l e II. Knickbruchfestigkeit von Modell- ffiden zunehmender Orientierung.

v Anzahl der (Vordeh- Metr. Fein- Vor- Hin- und hung als heitsnummer spann- Herbie- Xanthoge- (Titer den) gewicht gungen bis

nat) ~ zum Bruch

Isofrop 1,4 1,8 2,2

Isotrop 1,4 1,8 2,2

2,17 (4150) 3,01 (2990) 6,88 (1310) 8,75 (1030) 5,97 (1510) 8,80 (1022)

20,4 (441) 26,3 (342)

45 35 15 10 17 11 5 4

14 21 16 3

18 37 19 2

Aus diesen Werten geht hervor:

I. dab die Dauerbiegefestfgke/t bet gMcher Vordehnung der Ffiden um so griSBer ist, je feiner der Faden ist, und

2. dab die Dauerbiegefestigkeit mit zu- nehmender Vordehnung anffinglich, und zwar his etwa 40 Proz. Vordehnung (v ~--1,4), zunimmt, um dann wieder erheblich zu sinken, um bet einer Vordehnung von 120 Proz. (v = 2,2) sehr gering zu werden.

Die bet den htiheren Orientierungsgraden sehr starke Zunahme der SprSdigkeit beim Bean- spruchen auf Biegung kommt sehr auffallend

zum Ausdruck. Auch bet Kunstseide beobachtet man durchwegs eine Verm[nderung der Dauer- biegfestigkeit und der Knotenfestigkeit mit zu- nehmender Orientierung.

Die far gute Bruchfestigkeit erwfinschte hohe Orientierung scheint mit einer guten Querfestig- keit unvereinbar zu seth. Auch bet natfirlichen Fasern liegen die Verh~ltnisse offenbar nicht viel anders. Es ist bekannt, dab die sehr gut often- tierte Ramiefaser eine ffir viele Zwecke unge- nfigende Knickfestigkeit aufweist.

Hingegen hat die Baumwollefaser eine sehr gute Knickfestigkeit. Sie ist zwar ebenfalls aus hochorientierten F[brillen aufgebaut, aber unter- scheidet sich dafin v o n d e r Ramiefaser, dab die Fibrillen stark spiralig angeordnet liegen.

Es lag daher vor tier Hand einmal nachzu- prfifen, ob die Ver/inderung der zur Faserachse parallelen Orientierung in eine mehr spiralig verlaufende auch bet Kunstf~iden eine VerbeS- serung der Querfestigkeit hervorruft.

Wit nahmen dazu frische [sofrope Zellulose- ffiden vom Quellungsgrad 5,5 und dehnten diese in zunehmendem Mage. Diese Ffiden warden dann zum Teil d[rekt getrocknet and zum Teil vorher bet konstant gehaltener L/inge tordiert. Die Torsion ruff dabei eine besondere spiralige Deformation der F~iden hervor, die ebenso wie die Dehnung gr~gtenteils plastisch ist and somit im Faden erhalten bleibt. In den tordjerten F~iden sfellt sich somit eine sp i ra l ige Anord- hung der Textur ein. Von s~imtlichen Ffiden wurden Bruchfestigke[t und Knotenbruchfestig- keit in lafttrocknem Zustande bestimmt. Das E, rgebnis zeigt Tabelle III (Mittelwerte aus ]e- weils 3--5 Bestimmungen).

T a b e l l e III. Bruchfestigkeit (BF) und Bruchdehnung (BD) mit und ohne Knoten ffir Modellf~iden zunehmender Orientierung. v = Vordehnung im frfsch gequolldaem Zustand.

isotrop 1,5 1,75 1,90 2,0

Nicht tordiert ohne Knoten BF BD

g/100den Proz.

90 110 168 18 225 11 240 255 5

mit Knoten BF BD

g/100den Proz.

40 105 108 8 96 4 73 3 38 < 1

Aus Tabelle III geht folgendes hervor: 1. Bet den ungedrehten Ffiden durchl~iuft die

Knotenfesfigkeit ein Maximum, und zwar wieder bet einer Vordehnung von etwa 50 Proz.

2. Die Torsion an sich beeinflugt die normalen Festigkeitswerte NoB wenig.

3. Die Torsion verbessert aber die absolute and relative Knotenfestigkeit sehr bedeutend.

Tordiert ohne Knoten BF BD

g/100den Proz.

157 20 186 8 225 6 212 5

mit Knotbn BF BD

g/100den Proz'~

113 12 110 5 134 2 130 2

Touren pro cm

15 15 12 10

Tordierte F~iden gaben eine sehr viel hShere Knotenfestigkeit als nicht tordierte.

In Tabelle IV haben wir noch die r e l a t i v e n Knotenfestigkeiten ffir nicht tordierte und for- dierte F~iden, sowie das Verhfilfnis Knoten- festigkeit-tordiert zu Knotenfesfigkeit-normal zu- sammengestel!t.

Mit dem Faden v = 2 wurden auch noch ffir

182 Hermans, Knickbruchfestigkeit und Spiralstruktur bei Zellulosefasern, XVI. V Kolloid- LZeltsehrlft

Tabel le IV. Relative Knotenfesfigkeit von Modellf~iden in tordiertem und nicht tordiertem

Zustande.

isotrop 1,5 1,75 4,90 2,0

Relative Knotenfestigkeit

normal

0,36 0,64 0,43 0,30 0,15

tordiert

0,72 �9 0,59

0,60 0,62

Knoten- festigkeit

norm./tord.

1,05 1,21 1,84 3,43

n[edrigere Torsionswerte Messungen'der relativen Knotenfestigkeit ausgeffihrt, und zwar mit dem untenstehenden Ergebnis (Tabelle V; Mitten werte aus 5--6 Einzelbeobachtungen).

Ta belle V. Zellulosef~iden ; Quellungsgrad q = 5,5; Vordehnung v = 2.

Torsion Relative Touren/cm Knotenfestigkeit

10,0 9,2 8,0 7,0 6,0 4,0 2,0 0

0,62 0,60 0,49 0,49 0,36 0,35 0,15 0,15

Wir kSnnen also schlie.6en, dab die beobach- fete SprSdigkeit durch Uberlagerung einer ~pira- ligen Textur fiber einen vorhandenen nniaxialen Orientierungzustand tats~ichlich erheblich ver- minde'tt werden kann.

Durch diese Versuche wird nahegelegt, dal~ man die Querfestigkeff gut orientierter Kunst- fasern bedeutend verbessern kSnnte, wenn es gel~nge, ihnen vorher in gequollenem Zustande durch Tordierung eine spiralige Orientierung zu erteilen, wie sie z.B. auch die gut knickfeste Baumwollfaser aufweist.

Leider ergibt diese Forderung eine fechnisch wohl kaum in wirtschaftlicher Weise 15sbare Aufgabe.

Es sei hier beme'rkt, dab die obengenannten Versuche blo~3 orientierende waren. Die Torsions- zahlen waren ziemlich willkfirlich gew~ihlt, and man mfiBte noch die optimalen Drehzahlen auf-~

suchen. Dabei isf auch noch zu berfickdchtigen, dais man die Drehzahl pro Zentimeter umgekehrt proportional dem Durchmesser w~ihlen muB, Oamit bei F~iden verschiedenen Durchmessers vergleichbare Drehzahlen angewandt werden.

Sei n = Anzahl Drehungen/cm; w = rela- tive Verl/ingerung einer Zylindererzeugenden; 8-----Winkel der Erzeugenden nach der Torsion gegen Achsenparalle]; d = Durchmesser, so gel- ten die folgenden Beziehungen:

tg 6 = dn r (1)

sin 6 = dn :~/w (2)

cos ~ -- 1 (3) W

w 2 = 1 + d "~n 2n 2. (4)

Aus (3) folgt, daB, unabh~ingig yore Durch- messer, derselbe Winkel ~ an verschiedenen Ob- jekten gleiche Ver/~ingerungen der Erzeugenden bewirkt. Um bei verschiedenem d gleiche Win- kel ~ an der Oberfl~iche zu erzielen, muB nach (1) die Torsionszahl n umgekehrt proportional dem Durchmesser d sein.

Formel (4) erlaubt zu bestimmen, wie groB ncl maximal gew/ihlt werden daft, damit w die Bruehdehnung des Objektes nicht fiberschreitet. Diese Beziehung wurde experirnentell geprfift ffir F~iden von verschiedenem Durchmesser, die noch eine Dehnbarkeit yon 10 Proz. aufwiesen. Ffir w = 1,1 ergibt sich nd ~ 0,146.

Das Ergebnis war f~lr: d = 0,0142 cm noer. 10,3 ngef. 10 d = 0,00946 cm 15,4 16 d = 0,000757 cm 19,3 20

Die ZahIen in der letzten Spalte geben die Tourenzahlen n pro Zentimeter an, bei deren Uberschreitung der Faden beim Torsionsversuch brach. Die Ubereinst immung mit den berech- netea Werten ist auffallend gut.

Z u s a m m e n f a s s u n g .

Es werden Beobachtungen mitgeteflt fiber die ,,Querfestigkeit" yon Modellf~iden aus rege- nerierter Zellulose in Funktion ihrer Orientierung, sowie Beobachtungen fiber eine erhebliche Ver- besserung dieser Materialefgenschaft durch Ver- tinderung der uniaxialen Orientierung in eine durch Torsion erzielte spiralig verlaufende.