Волокна растительного происхождения

Основным полимером, из которого состоят природные волокна растительного происхождения, является целлюлоза, относящаяся к классу полисахаридов. Элементарные звенья целлюлозы (-С₆Н₁₀О₅-) с помощью глюкозидной связи (–О–) соединяются в линейные макромолекулы. Число звеньев в макромолекулах природных волокон достаточно велико и достигает у хлопка 5000–6000, у льна 20 000–30 000.

Целлюлоза представляет собой сравнительно жесткоцепный полимер и благодаря действию межмолекулярных сил образует довольно высокоориентированную структуру. Макромолекулы целлюлозы группируются в микрофибриллы, из которых, в свою очередь, строятся более крупные структурные образования – фибриллы.

Хлопок – это волокна, покрывающие семена хлопчатника – однолетнего теплолюбивого растения семейства мальвовых. Основным веществом хлопка (94-96 %) является целлюлоза. К сопутствующим веществам (4-6%) относятся пектиновые (склеивающие), жировосковые, азотсодержащие, минеральные вещества и др.

Формирование структуры волокна происходит в процессе его роста и созревания. В течение периода созреванияхлопчатника фибриллы целлюлозы отлагаются на стенках волокна, образуя суточные концентрические или спирально расположенные слои. В конце созревания волокна приобретают вид плоских ленточек со штопорообразной извитостью и с каналом, заполненным внутри воздухом. В зависимости от толщины стенок волокна для хлопка установлено 11 групп зрелости: от 0 (незрелое волокно) до 5 (предельно зрелое волокно) с интервалом 0,5. В незрелых волокнах целлюлозные стенки развиты слабо, волокна тонкостенные, малопрочные, плохо окрашиваются. Зрелые волокна имеют хорошо развитые стенки, вследствие чего обладают высокими механическими свойствами, форма перезрелых волокон приближается к округлой, канал этих волокон мал, они обладают большой хрупкостью. Наиболее пригодны для изготовления текстильных материалов волокна со степенью зрелости 2,5 – 3,5.

Длина хлопковых волокон колеблется от 1 до 55 мм. Хлопок длиной менее 20 мм непригоден к прядению. Между длиной и тониной волокна существует зависимость: чем длиннее волокно, тем оно тоньше. Различают тонковолокнистый (130-150 мтекс) и средневолокнистый (160-220 мтекс) хлопок.

Рис. 2 Классификация текстильных волокон и нитей

Лучшим по длине волокна, тонине и прочности является тонковолокнистый хлопок.

Хлопковое волокно обладает многими положительными свойствами. Следует отметить достаточно высокую механическую прочность. Относительная разрывная нагрузка зрелых хлопковых волокон составляет 24-36 сН/текс, что обусловливает высокие показатели механических свойств готовых текстильных изделий. Хлопковое волокно имеет высокую гигроскопичность (8-12 %),поэтому хлопчатобумажные ткани обладают хорошими гигиеническими свойствами. Хлопок обладает способностью быстро впитывать влагу и быстро ее испарять, то есть быстро высыхает. При погружении в воду волокна набухают, и их прочность увеличивается на 10-20 %. Хлопок устойчив к действию щелочей и неустойчив к действию минеральных кислот, в растворе которых он разрушается в результате гидролиза целлюлозы.

На способности хлопка набухать в щелочах и повышать при этом прочность, окрашиваемость и приобретать шелковистость и блеск основана специальная отделочная операция хлопчатобумажных тканей – мерсеризация. Хлопок имеет сравнительно высокую термостойкость – не разрушается при температуре до 130⁰С. Хлопковое волокно более стойкое, чем вискозное и натуральный шелк, к действию света, но по светостойкости уступает лубяным и шерстяным волокнам. Отрицательными свойствами хлопкового волокна являются высокая сминаемость (из-за малой упругости), большая усадка, низкая стойкость к действию кислот.

Различают понятия хлопок-сырец и хлопковое волокно. Хлопок-сырец – это семена хлопчатника, покрытые волокнами. Первичную обработку хлопка-сырца осуществляют на хлопкоочистительных заводах, которая заключается в последовательном отделении хлопкового волокна со средней длиной более 20мм, пуха (линта) с длиной менее 20мм и подпушка (делинта) с длиной менее 5мм. Для транспортирования на прядильные фабрики хлопковое волокно прессуют в кипы массой 150-200кг.

Лен. Волокна, которые получают из стеблей, листьев или оболочек плодов растений, называются лубяными. Наиболее распространены лубяные волокна следующих видов: тонкие стеблевые – лен и рами, применяемые для выработки бытовых, а также мешочных и различных технических тканей;грубые стеблевые – пенька (волокно конопли), джут, кенаф и другие, используемые в основном для изготовления тарных тканей и крученых изделий – шпагатов, веревок, канатов и т.п.; жесткие листовые – манилла, сизаль, генекен и другие, перерабатываемые преимущественно в крученые изделия – морские канаты и т.п.

К менее распространенным лубяным волокнам относятся:из стеблевых – кендырь, канатник; из листовых – юкка, новозеландский лен, драцена; из плодовых – койр, извлекаемый из покрова скорлупы орехов кокосовой пальмы и используемый для изготовления веревок, плетеных изделий и как набивочный материал.

Из всех лубяных волокон наибольшее применение получило льняное. Льняные волокна получают из лубяной части стебля льна – однолетнего травянистого растения. В составе волокна 80 % целлюлозы и 20 % примесей – воскообразных, жировых, красящих, минеральных веществ и лигнина (5%). Лигнин – полимерное вещество, относящееся к высшим углеводам, он придает огрубление (одревеснение) растительным клеткам, что обусловливает потерюмягкости, гибкости, эластичности, повышенную ломкость волокон. Значительное содержание нецеллюлозных примесей в льняном волокне затрудняет отделку текстильных материалов.

Элементарное волокно льна представляет собой вытянутую растительную клетку, оба конца которой заканчиваются конусом. Длина элементарного волокна льна составляет 4-70 мм (в среднем около 25 мм), толщина 15-17 мкм (125-556 мтекс). Элементарные волокна тесно прижаты друг к другу и соединены пектином в длинные волокнистые пучки в среднем по 30 волокон, которые проходят параллельно от стебля растения по всей его длине. Эти волокнистые пучки составляют комплексное (техническое) волокно, максимальная длина которого соответствует длине стебля растения (60-100 см).

Прочность элементарных волокон льна в 3-5 раз превышает прочность хлопка, а растяжимость – во столько же раз меньше, поэтому льняные прокладочные ткани лучше сохраняют форму изделий, чем хлопчатобумажные. Гигроскопичность льняного волокна выше, чем у хлопка (нормальная гигроскопичность – 12 %, максимальная 0 30-35 %), поэтому изделия из льняных тканей отличаются хорошими гигиеническими свойствами. Лен быстрее других текстильных волокон поглощает и выделяет влагу, поэтому в льносодержащих тканях и трикотаже комфортно в жару или при физических нагрузках. Особенностью льна является его высокая теплопроводность, так как волокно имеет более узкий, чем у хлопка, канал, в котором находится меньше воздуха, поэтому льняные ткани прохладные на ощупь. Благодаря гладкой и ровной поверхности льняные волокна имеютповышенный блеск, меньше загрязняются и легче очищаются от загрязнений, чем волокна хлопка. Термического разрушения волокна не происходит до температуры 160⁰С. Уникальной является устойчивость льна к микробным разрушениям. Льняная вата быстро впитывает все гнойные выделения, обладая бактерицидными свойствами, угнетает болезнетворные бактерии и грибки.

Отрицательным свойством льняного волокна является его сильная сминаемость из-за низкой упругости. Льняное волокно трудно отбеливается и окрашивается вследствие большой плотности упаковки макромолекул в стенках волокна, а также значительного содержания жировосковых веществ, которые не удаляются полностью из волокна в процессе его отделки.

Волокна животного происхождения.

К волокнам животного происхождения относят шерсть и натуральный шелк.

Шерсть – это волокна волосяного покрова овец, коз, верблюдов и других животных, снятогострижкой или реже вычесыванием в период линьки. Основную долю (около 95-97 %) шерстяного волокна, используемого в текстильном производстве, составляет шерсть овец, в меньшем количестве – шерсть коз (до 2 %), верблюдов и других животных (до 1 %).

При изготовлении шерстяных материалов используется натуральная, заводская и восстановленная шерсть. Шерсть, получаемая с живых животных, называется натуральной; снимаемая со шкур – заводской или шубной; получаемая переработкой шерстяного тряпья – восстановленной.

Шерсть по химическому составу относится к белковым соединениям типа кератинов. Макромолекулы кератина состоят из остатков аминокислот (лейцин, аргинин, цистин и др.), образующих цепи главных валентностей с боковыми ответвлениями, при помощи которых главные цепи соединяются друг с другом за счет поперечных связей.

Группой, связующей остатки аминокислот, является пептидная (карбамидная) CONH, поэтому белки часто называют полипептидами. Общая формула аминокислоты имеет вид:

NH₂ ­­–CH–COOH

ê

R

Через R обозначены различные, иногда очень сложные радикалы, за счет которых между извитыми макромолекулами белка образуются поперечные связи. В частности, для кератина характерно наличие поперечных связей (-S–S-), так называемых цистиновых мостиков. Наличием поперечных связей в макромолекуле кератина объясняют высокую упругость шерстяного волокна.

Шерстяное волокно представляет собой роговидное образование в кожном покрове животного; его легко можно отличить под микроскопом от других волокон – оно имеет форму, близкую к цилиндрической, его поверхность покрыта чешуйками, и видна волнообразная извитость. Шерстяное волокно может иметь три слоя: чешуйчатый, корковый и сердевидный (канал).

Чешуйчатый слой волокна состоит из тончайших роговидных пластинок (чешуек) и выполняет защитную роль: предохраняет внутренние слои волокна от атмосферных и механический воздействий. Чешуйчатый слой обусловливает свойлачиваемость шерсти, т.е. способность его под действием тепла, влаги и механических воздействий образовывать войлокообразную массу. Между чешуйками находится воздух, что делает шерстяные волокна менее теплопроводными.

Корковый слой располагается непосредственно под чешуйчатым и является основным слоем волокна, состоящим из фибрилл кератина, имеющих форму веретенообразных клеток

Сердцевидный слой расположен в центральной части волокна и состоит из клеток различной формы и воздушных промежутков. Наличие сердцевидного слоя повышает толщину и жесткость волокна.

В зависимости от строения различают следующие типы шерстяного волокна: пух, ость, переходный волос, мертвый волос.

Пух состоит из двух слоев – чешуйчатого и коркового. Чешуйки имеют преимущественно кольцеобразное строение. Это самое тонкое, мягкое волокно.

Ость состоит из трех слоев – чешуйчатого, коркового и сердцевидного, который проходит через все тело волокна. Чешуйки имеют черепицеобразную форму. Волокна наиболее толстые, грубые, мало извитые.

Переходный волос занимает промежуточное положение между пухом и остью. Эти волокна имеют больший поперечник, чем волокна пуха, и на некоторых участках могут иметь канал.

Мертвый волос – толстое, грубое, малопрочное волокно, весь поперечник которого занят сердцевиной. Мертвый волос плохо окрашивается, легко ломается и выпадает из готовых изделий.

Шерсть, состоящая из волокон одного типа (пуха, ости или переходного волоса), называется однородной. Шерсть, содержащая различные по типу волокна, называется неоднородной. Качество шерстяного волокна (длина, тонина, однородность) во многом зависит от породы овцы, с которой получено волокно. Так, например, однородная шерсть делится по наименованиям на мериносовую, кроссбредную и кроссбредного типа, цигайскую и цигай грубошерстную, помесную тонкую и полутонкую. Шерсть каждого наименования, в свою очередь, подразделяется на группы по тонине. Самые тонкие и, следовательно, более высококачественные волокна имеют диаметр от 17,5 до 25 мкм, средние по тонине волокна имеют диаметр от 25,6 до 31,5 мкм и наиболее толстые – от 31,6 до 43 мкм.

По длине шерстяное волокно также неоднородно и зависит от вида и породы животного. Длина однородной овечьей шерсти находится в диапазоне 40-70 мм, а длина верблюжьей шерсти – 70-100 мм.

Шерстяное волокно имеет высокую упругость, а, следовательно, малую сминаемость. Шерсть – достаточно прочное волокно, удлинение при разрыве высокое. В мокром состоянии волокна на 30% теряют прочность.

Волокнам шерсти присуща высокая свойлачиваемость, что объясняется наличием на поверхности волокна чешуйчатого слоя. Это свойство учитывается при отделке (валке) суконных тканей, фетра, войлока, одеял, при производстве валяной обуви.

Шерсть обладает низкой теплопроводностью, поэтому ткани отличаются высокими теплозащитными свойствами.

По гигроскопичности шерсть превосходит все волокна (15-17% в нормальных условиях, при повышенной влажности – 35-45%). Она медленно впитывает и испаряет влагу, оставаясь на ощупь сухой. На способности шерсти менять растяжимость и усадку при влажно-тепловой обработке основано проведение ряда отделочных операций шерстяных тканей: сутюживание, оттягивание и декатировка. При высыхании шерсть дает максимальную усадку, поэтому изделия из нее рекомендуется подвергать химической чистке.

К действию света шерстяное волокно более устойчиво, чем хлопковое и льняное, но при длительном облучении оно разрушается.

Щелочи на шерсть действуют разрушающе, к минеральным кислотам она устойчива. Поэтому если шерстяные волокна, содержащие растительные примеси, обработать раствором кислоты, то эти примеси, состоящие из целлюлозы, растворятся, и шерстяные волокна останутся в чистом виде. Такой процесс очистки шерсти называется карбонизацией.

Недостатком шерстяных волокон является малая термостойкость – при температуре 100-110 ⁰С волокна становятся ломкими и жесткими, снижается их прочность.

Натуральный шелк. Шелком называются нити, являющиеся продуктом выделения особых белкоотделительных желез различных животных – гусениц тутового и дубового шелкопрядов, моллюсков, пауков. Наибольшее распространение и ценность имеет шелк тутового шелкопряда, на долю которого приходится 90 % мирового производства шелка.

Тутовых шелкопрядов разводят в специализированных шелководческих хозяйствах. Шелкопряд в своем развитии проходит четыре стадии: яичко (грена), гусеница, куколка и бабочка. В период выкармливания гусениц листьями тутового дерева в их теле совершается белковый обмен. Под действием ферментов пищеварительного сока белки, содержащиеся в листьях тутового дерева, распадаются на отдельные аминокислоты, которые усваиваются клетками организма гусеницы. Затем в организме гусеницы происходит синтез аминокислот и образование высокомолекулярного соединения фиброина и шелкового клея серицина. В момент образования кокона гусеница выделяет через шелкоотделительные протоки две тонкие шелковины, которые на воздухе застывают, склеиваются также выделяемым серицином, укладываются слоями и образуют плотную замкнутую оболочку – кокон. В процессе первичной обработки коконы разматывают. Разматывание осуществляется на специальных кокономотальных автоматах, где несколько нитей с 4-9 коконов, сложенных вместе, наматываются на мотовило. Получаемая нить называется шелком-сырцом. Таким образом, коконная нить шелка длиной 500-1500 м представляет собой две элементарные шелковины, склеенные серицином, и содержит обычно 75 % фиброина и 25 % серицина; однако при последующих обработках содержание серицина снижается до 4–5 %.Линейная плотность коконной нити составляет 300–400 мтекс. Из шелка сырца получают крученые нити, из коротких отходов шелка получают шелковую пряжу.

Из всех природных волокон натуральный шелк самое легкое волокно; наряду с красивым внешним видом обладает высокой гигроскопичностью (11%), мягкостью, шелковистостью, малой сминаемостью. Механическая прочность шелка несколько выше, чем прочность шерсти, что связано с более плотной упаковкой макромолекул в его структуре, но под действием влаги прочность снижается примерно на 15%. Химические свойства шелка аналогичны шерсти, то есть шелковая нить устойчива к кислотам и не устойчива к щелочам. Недостатками натурального шелка являются низкие светостойкость и термостойкость (100–110 ⁰С), а также высокая усадка, особенно крученых нитей.