Текст книги "Химическая технология текстильных материалов"

1.4. Особенности строения и свойств текстильных волокон

Сырьем для текстильного производства являются волокна и нити. Особенности строения и свойств волокон определяют выбор технологии ткачества и химической отделки.

По источникам происхождения текстильные волокна подразделяют на натуральные и химические. По происхождению волокнообразующего вещества натуральные волокна подразделяют на три подкласса: растительного, животного и минерального происхождения. Химические волокна подразделяют на искусственные и синтетические.

Натуральные волокна

Различают природные волокна растительного (хлопок, лен, джут) и животного (шерсть, шелк) происхождения. Главным образом они используются для изготовления текстильных изделий. В основе природных растительных волокон лежит целлюлоза, волокнообразующими полимерами волокон животного происхождения являются белки. Натуральные волокна обладают чрезвычайно развитой микроструктурой и высокой гигроскопичностью.

Хлопок

Хлопок – это волокна, покрывающие семена растений хлопчатника. Хлопчатник – однолетнее растение высотой 0,6–1,7 м, произрастающее в районах с жарким климатом. Основным веществом (94–96 %), из которого состоит хлопковое волокно, является целлюлоза. Хлопковое волокно нормальной зрелости под микроскопом имеет вид плоской ленточки со штопорообразной извитостью и с каналом, заполненным воздухом. Один конец волокна со стороны его отрыва от семени хлопчатника открыт, другой, имеющий коническую форму, закрыт.

Количество волокна зависит от степени его зрелости. Хлопковым волокнам присуща извитость. Волокна нормальной зрелости имеют наибольшую извитость – 40–120 извитков на 1 см. Длина хлопкового волокна колеблется от 1 до 55 мм. В зависимости от длины волокон хлопок делят на:

– коротковолокнистый (20–27 мм);

– средневолокнистый (28–34 мм);

– длинноволокнистый (35–50 мм).

Химическое строение и свойства целюлозы определяют свойства хлопчатобумажных тканей в целом и технологию их обработки в отделочном производстве. Кроме того, в хлопковом волокне имеются сопутствующие целлюлозе примеси, которые удаляют из нее в процессе подготовки тканей к крашению и печатанию. Основными примесями являются: воскообразные, азотсодержащие (белковые), пектиновые вещества, минеральные соли и естественные красители (следы).

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение, образованное остатками β-Д-глюкопиранозы, которые соединены друг с другом 1–4 глюкозидными связями. Отдельные макромолекулы целлюлозы в волокне связаны между собой межмолекулярными водородными связями. Общую формулу целлюлозы можно представить в виде [C₆H₇O₂(OH)₃]_n, где n – степень полимеризации. Для целлюлозы хлопка n = 10000–15000. Хлопковое волокно устойчиво к действию органических растворителей, набухает в водных растворах, особенно при нагревании, выдерживает кратковременное воздействие температуры 200^оС. При длительном нагревании (при температуре > 100^оС) происходят необратимые структурные изменения.

Разбавленные растворы минеральных кислот (до 5 г/л) при температуре 20–30^оС в течение 15–60 мин не оказывают деструктирующего воздействия на целлюлозу. При повышении температуры и длительности обработки происходит разрушение волокна по причине гидролиза целлюлозы до низкомолекулярных продуктов, смесь которых называют – гидроцеллюлоза. Водные растворы органических кислот на целлюлозу не действуют.

К водным растворам едкого натра (до 1 %) целлюлоза хлопка устойчива при температуре 20–30^оС. При повышении температуры и концентрации щелочи целлюлоза окисляется кислородом воздуха с образованием смеси продуктов различной степени деструкции – оксицеллюлозы. В концентрированных растворах щелочей (25–30 %) происходит набухание хлопкового волокна. При этом щелочь вступает в химическое взаимодействие с целлюлозой. Образующаяся при этом щелочная целлюлоза легко гидролизуется до гидратцеллюлозы.

Лен

Лен – однолетнее травянистое растение, имеет две разновидности: лен-долгунец и лен-кудряш. Из льна-долгунца получают волокна. Льняное волокно, подобно хлопковому, на 75 % состоит из природного полимера целлюлозы, химическая структура и свойства которого определяют свойства льняных тканей. Природных трудноудаляемых примесей в техническом льняном волокне содержится значительно больше, чем в хлопковом. К сопутствующим веществам льна относятся: лигнин, пектиновые, жировосковые, азотистые, красящие, зольные (минеральные) вещества, вода. Волокно гигроскопично, его кондиционная влажность – 12 %, и поэтому оно обладает хорошими гигиеническими свойствами и достаточно легко окрашивается всеми классами красителей, рекомендуемыми для колорирования изделий из целлюлозных волокон.

Химические свойства льняного волокна аналогичны хлопковому, поскольку определяются свойствами природной целлюлозы.

Шерсть

Шерстяное волокно является продуктом жизнедеятельности животных: овец, коз, верблюдов и снимается с них при стрижке.

Главной составной частью шерстяного волокна является природный белок – кератин. По химической структуре белок кератина имеет полипептидную природу и состоит из остатков различных аминокислот, соединенных пептидными связями .

Установлено, что в состав кератина входит 19 аминокислот сложного химического строения, в том числе цистиновая кислота, определяющая некоторые специфические особенности структуры и свойств шерстяного волокна. Это связано с наличием между молекулами цистина дисульфидных связей (– S – S –).

Макромолекулы кератина, помимо главных продольных цепей, имеют боковые ответвления, содержащие функциональные группы – NH₂ , – COOH, – OH. Они могут взаимодействовать между собой и с функциональными группами другой макромолекулы, образуя боковые поперечные связи между главными полимерными цепями. Таким образом, кератин шерсти имеет сложную пространственную структуру в виде складчатых цепей, связанных друг с другом ковалентными дисульфидными, солевыми (ионными) и водородными связями.

Исследования кератина и изучение его упругих свойств позволили установить, что кератин может существовать в трех формах:α-спирали, β-складчатого листа и сверхсокращенной, которые прежде всего различаются длиной цепи. Образованию складчатой структуры главных цепей способствует электростатическое притяжение соседних противоположно заряженных амино– (–NH3+) и карбоксильных (–СОО–) групп. Складчатая структура полипептидных цепей кератина и наличие между ними прочных поперечных связей обусловливают извитость и высокую эластичность шерстяных волокон. Под действием влаги, тепла, механических нагрузок волокна могут вытягиваться и вновь возвращаться к исходной форме, что не присуще целлюлозным материалам.

Благодаря присутствию основных (–NH₂) и кислотных (–СООН) групп, кератин шерсти проявляет амфотерные свойства. Он может находиться в неионизированном (NH₂– R–COOH) или чаще ионизированном (NH₃⁺– R–COO^-) состояниях. При погружении в раствор кислоты подавляется ионизация кислотных групп, и волокно приобретает положительный заряд:

NH ₃⁺ – R –COO ^– + H⁺ → NH₃⁺ – R – COOH

Если волокно погрузить в щелочной раствор, то подавляется ионизация аминогрупп и волокно приобретает избыточный отрицательный заряд:

NH₃⁺ – R – COO ^– + OH ^– → NH₂ – R – COO ^– + HOH

Шерстяное волокно устойчиво к действию органических растворителей. При нагревании свыше 100^оС желтеет, теряет прочность и эластичность, при температуре 130^оС – разрушается.

Разбавленные минеральные кислоты (до 5 %) на шерстяное волокно не действуют, при повышении температуры раствора до 100^оС шерсть повреждается. Органические кислоты действуют слабо. По сравнению с целлюлозой шерсть к действию кислот значительно более устойчива.

Щелочи разрушают солевые связи между макроцепями, дисульфидные группы цистиновой кислоты и частично гидролизуют пептидные связи макромолекул кератина. Под действием щелочей шерсть желтеет, волокна становятся хрупкими и ломкими. В 3 %-ых кипящих растворах КОН и NaOH шерсть почти мгновенно растворяется.

Окислители (гипохлорит и хлорит натрия) в слабощелочной среде удаляют наружный чешуйчатый слой с волокон шерсти. Кератин взаимодействует с активным хлором с образованием хлораминокислот, вызывающих пожелтение волокна. В разбавленных водных растворах перекиси водорода при температуре не выше 40^оС значительных изменений в волокне не наблюдается. Фотохимическому разрушению под действием света кератин подвергается значительно интенсивнее, чем целлюлоза.

Шерсть очень чувствительна к действию восстановителей, особенно в щелочной среде. При этом разрываются солевые и дисульфидные связи, что приводит к повреждению шерсти.

Шелк

Натуральный шелк по своим свойствам и себестоимости – ценнейшее текстильное сырье. Получают его разматыванием коконов, образуемых гусеницами шелкопрядов. Наибольшее распространение и ценность имеет шелк тутового шелкопряда, на долю которого приходится 90 % мирового производства шелка.

Из всех природных волокон натуральный шелк – самое легкое волокно и наряду с красивым внешним видом обладает высокой гигроскопичностью (11 %), мягкостью, шелковистостью, малой сминаемостью.

Натуральный шелк – сырец состоит в основном из природного белка фиброина (75–80 %) и растворимого шелкового клея – серицина (20–25 %). Нить содержит также примеси, растворимые в спирте и эфире, минеральные соли и природные красящие вещества.

Несмотря на многолетние исследования, окончательный химический состав фиброина и его структура до сих пор не установлены. Считают, что макромолекула фиброина шелка образована остатками простейших аминокислот, соединенных пептидными связями. Полипептидные цепи макромолекул фиброина, имеющие подобно кератину шерсти складчатую структуру, на 40–60 % ориентированы вдоль оси волокна и в поперечных направлениях связаны между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Натуральный шелк не имеет клеточного строения и это роднит его с синтетическими волокнами.

Химические свойства шелкового волокна близки к шерсти. Основные различия обусловлены особенностями химического состава и структуры фиброина шелка.

Фиброин выдерживает нагревание до температуры 140^оС, а при 180^оС он разрушается. Его гигроскопическая влажность составляет 11 %, при набухании в воде поперечное сечение волокна увеличивается на 19 %, длина на 1,2 %.

Фиброин обладает относительно хорошей устойчивостью к действию кислот. Разбавленные растворы минеральных кислот разрушают его лишь при кипячении в течение 30 мин. Обработка фиброина разбавленными растворами органических кислот заметно повышает блеск волокна, и оно приобретает характерный для натурального шелка скрип.

Растворы щелочей деструктируют фиброин шелка, но не настолько интенсивно как кератин шерсти. При этом происходит гидролитичесое расщепление макромолекул по пептидным связям.

Восстановители не оказывают разрушающего воздействия на шелк по причине отсутствия в фиброине остатков цистиновой кислоты, то есть ковалентных дисульфидных связей.

Заметную чувствительность шелк проявляет к действию окислителей, особенно хлорсодержащих. Они вызывают пожелтение волокна и придают ему жесткость. Под действием света и кислорода воздуха происходит фотохимическое окисление фиброина, что сопровождается деструкцией волокна и снижением износостойкости шелковых тканей.

Фиброин достаточно устойчив к действию микроорганизмов и к процессу гниения.

Натуральный шелк перерабатывают в промышленности из непрерывных нитей, полученных при размотке коконов тутового шелкопряда, а также в виде шелковой пряжи, вырабатываемой из отходов кокономотального производства.

Искусственные волокна

Наибольшее значение для текстильной промышленности имеют искусственные волокна: вискозные и ацетатные. Их получают из природных полимеров (древесная или хлопковая целлюлоза) путем химической модификации. Искусственные волокна сочетают в себе свойства, характерные как для натуральных, так и для синтетических волокон.

Гидратцеллюлозные волокна

Исходным сырьем для получения гидратцеллюлозных волокон является хлопковая или древесная целлюлоза, которая химическим путем перерабатывается в вискозное и медно-аммиачное волокна.

Вискозное волокно получают из ксантогената целлюлозы, представляющего собой продукт взаимодействия щелочной целлюлозы с сероуглеродом. При осаждении прядильного раствора, продавленного через фильеры в раствор серной кислоты, струйки превращаются в твердые элементарные волокна, состоящие из гидратцеллюлозы.

В основе производства медно-аммиачного волокна лежит способность целлюлозы растворяться в аммиачном растворе гидроксида меди с образованием вязких систем. Формование нити осуществляют в осадительной ванне в присутствии 10 %-ной серной кислоты. При этом целлюлозно-медноаммианый комплекс разлагается с образованием гидратцеллюлозной нити.

Гидратцеллюлоза имеет такое же химическое строение, как и природная целлюлоза – [C₆H₇O₂(OH)₃]_n, но является ее структурной модификацией. К характерным особенностям гидратцеллюлозных волокон следует отнести:

– небольшую длину макромолекул (степень полимеризации 400 – 600);

– более рыхлую физическую структуру (степень кристалличности 30–40 %);

– повышенную гигроскопичность (12–14 %);

– повышенную сорбционную способность.

К существенным недостаткам гидратцеллюлозных волокон относятся:

– значительная потеря прочности в мокром состоянии (на 40–45 %);

– большая сминаемость и значительная эксплуатационная усадка изделий;

– неэкологичность производства.

Основные химические свойства гидратцеллюлозы аналогичны ранее рассмотренным для целлюлозы. Однако, вследствие менее упорядоченной структуры и большей активности, она более чувствительна к действию химических реагентов. В частности, она сильно набухает и затем частично растворяется в 10 %-ном растворе гидроксида натрия. Это свойство используют при распознавании гидратцеллюлозных и целлюлозных волокон.

В зависимости от назначения гидратцеллюлозные волокна производят в виде непрерывных нитей, штапельного волокна или в форме жгута. Штапельные волокна смешивают с натуральными или синтетическими и с успехом перерабатывают на оборудовании, применяемом в хлопчатобумажной и шерстяной отраслях.

Помимо обычного вискозного штапельного волокна, выпускаются высокомодульные гидратцеллюлозные хлопкоподобные волокна (полинозное, сиблон и др.) Они отличаются более равномерным расположением макромолекул по поперечному сечению волокна, что достигается в процессах формования и вытяжки. Физико-механические свойства этих волокон выше, чем у обычных гидратцеллюлозных и близки к соответствующим показателям хлопкового волокна. Они в меньшей степени теряют прочность в мокром состоянии, более эластичны, отличаются стабильностью размеров и меньше усаживаются в процессе эксплуатации. Вискозное высокомодульное волокно сиблон обладает рядом существенных пороков: не прорезанные волокна, склейки, неравномерная влажность, недостаточная рассыпчатость и др.

Ацетилцеллюлозные волокна

К ацетилцеллюлозным относятся ацетатные и триацетатные волокна. По химическому составу они представляют собой уксуснокислые эфиры целлюлозы и этим отличаются от гидратцеллюлозных волокон, состоящих из чистой регенерированной целлюлозы.

Триацетатные нити состоят из триацетилцеллюлозы [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]_n, а ацетатные – из продукта частичного омыления триацетилцеллюлозы, называемого диацетилцеллюлозой [C₆H₇O₂(OH)(OCOCH₃)₂]_n.

В отличие от гидратцеллюлозных волокон ацетатное волокно менее гигроскопично, имеет меньшую способность к набуханию в воде, меньше теряет прочность в мокром состоянии. Оно обладает повышенной мягкостью и эластичностью, более высокими упругими свойствами и меньшим блеском. Одновременно с этим оно имеет сравнительно низкую термостойкость, высокую термопластичность и не окрашивается большинством красителей, используемых для колорирования целлюлозных волокон и натурального шелка.

Различие в химическом составе определяет особенность свойств ацетатных и триацетатных волокон. Последние имеют пониженную адсорбционную способность, более высокую термостойкость (выдерживают нагревание до температуры 180^оС), еще менее гигроскопичны и труднее окрашиваются.

Химические свойства ацетатных волокон, в отношении действия кислот, окислителей, восстановителей, близки к гидратцеллюлозным волокнам. Они неустойчивы к действию минеральных кислот и особенно чувствительны к действию щелочей, которые вызывают гидролиз эфирных связей и омыление волокна вплоть до образования гидратцеллюлозы. При этом оно полностью теряет ценные свойства, присущие ацетатным волокнам. Триацетатное волокно к действию щелочей более устойчиво. Существенным недостатком ацетатных волокон является низкая прочность к истиранию.

Диацетатные волокна, благодаря хорошим эластическим свойствам, мягкости, приятному внешнему виду и невысокой гидрофобности особенно пригодны для трикотажа. Ткани из ацетатных волокон выпускают в широком ассортименте, преимущественно бытового назначения. Большое распространение получили также шелковые ткани, выработанные из смеси ацетатных нитей с вискозными, полиамидными и полиэфирными волокнами. Этим достигается высокая стабильность размеров, легкость ухода за изделиями, более низкая электризуемость, что делает подобные смеси пригодными для изготовления тканей бельевой группы.

Синтетические волокна

Синтетические полимеры – это высокомолекулярные вещества, полученные из низкомолекулярных продуктов в процессе химического синтеза. Волокна из синтетических полимеров обладают рядом свойств отличных от натуральных и искусственных, такие как: управляемый размер волокон, высокая прочность, низкая гигроскопичность, блеск и др.

Полиакрилонитрильные волокна

В качестве основного синтетического заменителя шерстяных волокон используются полиакрилонитрильные (ПАН-волокна). Они обладают рядом свойств, выделяющих их из среды других синтетических волокнообразующих полимеров. По внешнему виду они напоминают шерсть, по разрывной нагрузке и стойкости к истиранию – близки к натуральным волокнам. ПАН-волокна обладают высокой устойчивостью к поражению молью, к действию света и атмосферных условий. Изделия из них быстро высыхают, требуют минимального ухода и хорошо сохраняют форму.

К недостаткам полиакрилонитрильных волокон следует отнести низкую гигроскопичность, повышенную электризуемость, пиллингуемость, загрязняемость и сложность окрашивания.

Для устранения этих недостатков ряд фирм выпускает модифицированные химическими и физическими методами ПАН-волокна с улучшенными свойствами.

В России выпускается сополимерное ПАН-волокно – нитрон-3. Его получают радикальной цепной полимеризацией из нитрила акриловой кислоты путем формования из раствора диметилформамида. В качестве сополимеров используют метакриловую и итаконовую кислоты. Схематично строение этого волокна можно представить следующим образом:

При нагревании выше 165^оС волокно желтеет, но не теряет механической прочности; при 235–250^оС – размягчается, а при 250– 300^оС – происходит необратимое изменение его химической структуры.

Волокно устойчиво к действию кислот и разбавленных растворов щелочей и окислителей. При нагревании в щелочах наблюдается пожелтение волокна по причине омыления нитрильных групп.

В настоящее время ряд зарубежных фирм выпускает полиакрилонитрильные нити с улучшенными свойствами. Например, гидрофильная ПАН – нить «Данова» покрыта плотной оболочкой с тонкими каналами, по которым вода поступает вглубь пористого сердечника. Нити «Долан-40» и «Долан-44» отличаются низкой пиллингуемостью, а нити «Дайлен» и «Лафнен» – повышенной устойчивостью к горению. Указанные волокна хорошо перерабатываются в смесях с шерстяными и хлопковыми волокнами.

Полиэфирные волокна

Полиэфирные волокна (лавсан, тесил, терилен, дакрон) выпускают на основе полиэтилентерефталата.

Наряду с целлюлозными волокнами полиэфирные (ПЭФ) волокна являются основным текстильным сырьем в мировой практике. В производстве многих видов одежды они находятся вне конкуренции, для некоторых типов ассортимента доля потребления ПЭФ достигает 70 %.

Высокий спрос на полиэфирные волокна обусловлен созданием материалов нового типа, обладающих комплексом свойств, за счет которых они составляют конкуренцию природным волокнам и могут имитировать шерсть, хлопок и натуральный шелк.

Полиэфирные волокна обладают высокой эластичностью, свето– и термостойкостью, а по прочностным показателям и по устойчивости к истиранию уступают лишь полиамидным волокнам.

К недостаткам полиэфирных волокон следует отнести крайне низкую гигроскопичность, высокую электризуемость и степень кристалличности. Это затрудняет процесс их крашения, который, как правило, проводят при температурах порядка 130^оС, на работающем под давлением оборудовании. Однако в настоящее время выпускаются полиэфирные волокна нового поколения, способные окрашиваться при температурах ниже 100^оС, что решает проблемы колорирования тканей из смеси полиэфирных и натуральных волокон.

Полиэфирные волокна устойчивы к действию высоких температур и химических реагентов. Они размягчаются при 230–240^оC, устойчивы к действию разбавленных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей. Только концентрированные минеральные (серная, азотная) и некоторые органические кислоты, а также концентрированные растворы щелочей (NaOH 40 %) способны разрушать волокно.

Важнейшей тенденцией совершенствования ассортимента тканей из полиэфирных волокон является использование текстурированных комплексных нитей. Изделия из них имеют достаточно хорошие гигиенические и эксплуатационные свойства. При этом на качество готовых изделий в основном влияет линейная и поверхностная плотность, а также объемность нитей.

Полиамидные волокна

Полиамидные волокна состоят из линейных гетероцепных макромолекул, включающих различное сочетание метиленовых (–СН₂–) и карбамидных (–СО–NH–) групп. Особенно широкое применение в шелковой промышленности получило полиамидное волокно – капрон. Его общую формулу можно представить как:

Н–[–HN – (CH₂)₅ – CO – ]_n– OH

Полиамидные волокна характеризуются высокой степенью кристалличности. Отдельные макромолекулы соединены между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Основными функциональными группами являются амино– (–NH₂) и карбоксильные (–СООН). В этой связи капроновое волокно приближено к натуральному шелку.

Капрон выпускают в виде непрерывных комплексных нитей и в виде штапельного волокна. Важнейшими достоинствами волокна являются прочность, устойчивость к истиранию, действию микроорганизмов, значительная упругость, более высокая гигроскопичность в сравнении с другими синтетическими волокнами. Капрон окрашивается практически всеми известными классами красителей. Недостатками волокна являются сильная электризуемость, что затрудняет его переработку в ткань, невысокая свето– и термостойкость.

Волокно устойчиво к действию щелочей и восстановителей, но разрушается кислотами и окислителями. Муравьиная кислота и фенолы вызывают неограниченное набухание и растворение полиамидных волокон.

Ткани из комплексных капроновых нитей как бытового, так и технического назначения выпускаются шелковой промышленностью в широком ассортименте.