Текстильные волокна относятся к классу высокомолекулярных соединений. Они обладают прочностью, гибкостью, упругостью и используются для изготовления тканей и других текстильных изделий.
По происхождению и химическому составу различают главным образом следующие волокна:
натуральные — растительного (хлопок, лен, пенька, джут) и животного (натуральный шелк, шерсть) происхождения;
химические — искусственные, получаемые главным образом из целлюлозы (вискозные, медно-аммиачные и ацетатные), и синтетические, получаемые из хлорвиниловой, поливиниловой, полиамидной, полиакриловой, полиэфирной смол (капрон, анид, нитрон, хлорин, лавсан и др.).
Текстильные волокна состоят из гибких вытянутых больших молекул, называемых макромолекулам и. Для этих соединений характерен весьма значительный молекулярный вес (например, для хлопка 1 620 000—2 430 000, для льна 5 832 000, для вискозного волокна 50000—100000 и т. д.). Макромолекулы построены из многократно повторяющихся элементарных звеньев, связанных между собою силами главных валентностей; отсюда и название высокомолекулярных соединений — высокополимерные, или просто полимеры.
Количество элементарных звеньев, которые составляют макромолекулу, называется коэффициентом полимеризации. Так, у целлюлозы хлопка (C6H10O5)n коэффициент полимеризации п равен 10000—15000, у капрона [—HN(CH2)5CO]n он составляет 100—200. От величины п зависит длина макромолекул. Естественно, чем больше коэффициент полимеризации, тем длиннее молекула волокна и, что очень важно, тем оно прочнее, поскольку увеличиваются силы межмолекулярного взаимодействия.
Волокнистые материалы отличаются не только величине своих макромолекул, но и структурой, формой и степенью ориентации.
|
|
Структура может быть линейной, сетчатой и разветвленной Макромолекулы линейной структуры состоят из элементарных звеньев, каждое из которых связано с двумя сосед ними, образуя силы главных валентностей:
(здесь А — элементарное звено; например, у целлюлозы это С6Н10О5). Из линейных макромолекул построены некоторые натуральные волокна (хлопок, лен, джут, пенька), искусственные (вискозные, медно-аммиачные, синтетические (капрон, найлон, лавсан и др.). Сетчачая структура характеризуется тем, что линейные цепи связаны поперечными химическими связями:
Представителем сетчатой макромолекулы является волокно шерсти — кератин разветвленную структуру имеют соединения соединения, часть звеньев которых связан более чем с двумя соединениями соединениями:
Форма макромолекул оказывае влияние на физико-механические свойства волокон. Различают несколько форм волокон: вытянутую,изогнутую, извитую и разветвленную (рис. 1). В частности, вытянутая форма характерна для целлюлозы хлопка и других волокон растительного происхождения. В этом случае волокно приобретает большую механическую прочность, так как четче проявляются межмолекулярные связи. Извитую форму имеют макромолекулы кератина шерсти.
Степень ориентации макромолекулы в волокне, т.е. расположение их относительно продольной оси волокна, влияет на прочность последнего. Различают ориентированную, неориентированную и высокоориентированную структуры (рис. 2).
Рис. 1. Схематическое форм макромолекул: а - вытянутая; б – изогнутая; в - извитая, г – разветвленная.
| 
Рис. 2. Схема волокон с макромолекулами изображение возможных разной степени ориентации: а -неориентированными; б - ориентированными, в – высокоориентированными.
|
|
|
Неориентированная структура макромолекул характеризуются чается тем, что они в волокне расположены хаотично. Волокна с такой структурой обладают малой прочностью. Ориентированное расположение отличается тем, что большая их часть ориентирована относительно продольной оси волокна, а меньшая расположена беспорядочно. В этом случае волокна обладают большей прочностью. Наконец, высокоориентированная структура характеризуется высокой степенью ориентации макромолекул, что обеспечивает наибольшую прочность волокна.
 |
Рис. 3. Расположение молекулярных цепей целлюлозы в волокне хлопка
На основании ряда исследований, в том числе посредством рентгеноскопического метода, установлено,что в структуре целлюлозных волокон можно отметить кристаллические и аморфные области (рис. 3). В кристаллической области макромолекулы имеют относительно высокую степень ориентации, чего, нельзя сказать о макромолекулах аморфной области.
ХЛОПКОВОЕ ВОЛОКНО
 |  |
Хлопок представляет собой волокно, получаемое из семенных коробочек хлопчатника. Хлопчатник является культурным растением, которое произрастает в районах с жарким климатом. В СССР к таким районам хлопководства относятся Средняя Азия и Закавказье. Кроме СССР, хлопок разводят в Индии, ОАР, Болгарии, США и некоторых других странах.
|
|
Хлопковое волокно имеет форму плоской ленточки, закрученной штопорообразно (рис. 4). В нем различают первичную и вторичную стенки (рис. 5), которые расположены концентрически относительно его оси. Внутри волокна имеется канал.
Первичная стенка — это тонкая внешняя оболочка волокна, она содержит наибольшее количество природных примесей (пектиновых, воскообразных и др.) Вторичная стенка является основой волокна и состоит главным образом из целлюлозы. В канале, в виде остатков протоплазмы. находятся азотистые вещества.
Химический состав волокна следующий (%)
Целлюлоза.. 94,5—96,0
Воскообразные вещества 0,5—0,6
Пектиновые вещества 1,0—1,2
Азотистые вещества (в пересчете на белки) 1,0—1,2
Минеральные вещества 1,14
Другие вещества 1,32
В волокне имеются также следы естественного красителя. Указанный состав может меняться в зависимости от климатических условий (температуры, влажности, плодородия почвы) и проводимой агротехники.
Качество волокна определяется его длиной, тониной, прочностью и степенью зрелости. Длина, в зависимости от сорта, колеблется в пределах от 12 до 50 мм, тонина—от 15 до 24 мкм, а прочность при разрыве равна 4—5 Г. Удлинение при разрыве в среднем составляет 8%. Удельный вес— 1,52.
Волокно гигроскопично; в условиях обычной относительной влажности воздуха оно содержит 6—8% влаги.
Под действием медно-аммиачного раствора Сu(NН 
) 
(ОН) 
волокно быстро набухает и приобретает бусовидную форму. При дальнейшем действии этого реактива волокно полностью растворяется.
Строение целлюлозы. Основным веществом хлопка,как и других растительных волокон, является, таким образом, целлюлоза. Она придает волокну прочность, упругость, гибкость и другие ценные свойства, необходимые для получения из него пряжи, тканей и т.п.
Целлюлоза относится к высокомолекулярным соединениям и принадлежит к классу углеводов. Эмпирическая ее формула (С 
Н 
0 
) 
.
 |
Элементарное звено целлюлозы — С
Н О — содержит три активных гидроксильных группы:
Звенья соединены между собой глюкозидной связью через кислородный мостик, в результате чего образуется цепь главных валентностей макромолекулы. Наличие гидроксильных групп придает целлюлозе способность образовывать простые и сложные эфиры, а со щелочами — алкоголяты и другие соединения. Разрушение (деструкция) волокна происходит в результате разрыва глюкозидных связей.
 |
Молекула целлюлозы имеет следующую линейную структуру
Отношение целлюлозы к кислотам. Под действием минеральных кислот, в зависимости от условий обработки (концентрации и температуры), может происходить в большей или меньшей степени разрушение целлюлозы с образованием так называемой гидроцеллюлозы. Последняя представляет собой химически неоднородное вещество, состоящее из целлюлозы и продуктов ее деструкции. При образовании гидроцеллюлозы разрываются глюкозидные связи, что вызывает укорачивание цепей:
Полный гидролиз целлюлозы приводит к получению 
-глюкозы.
Образование гидроцеллюлозы снижает прочность ткани. Гидроцеллюлоза характеризуется повышенной растворимостью в щелочах и обладает восстановительными свойствами благодаря образованию альдегидных групп по месту разрыва глюкозидной связи.
При обработке слабым раствором минеральной кислоты (2—6 г/л) с последующей промывкой целлюлоза не изменяет своих первоначальных свойств.
Отношение целлюлозы к щелочам. Целлюлоза устойчива к действию разбавленных растворов щелочей. При обработке раствором едкого натра, концентрация которого 10—25 г/л, целлюлоза практически не изменяется. В присутствии кислорода воздуха при повышенной температуре (120—140° С) обработка разбавленным раствором щелочи может привести к окислению целлюлозы.
В случае кратковременного действия концентрированного раствора едкого натра (240—280 г/л) и при температуре 25 °С целлюлоза волокна быстро набухает, приобретает блеск, повышается ее реакционная способность. При этом происходят химические процессы с образованием C H O • NaOH и соединения типа алкоголята (C H 
О 
ОNa).
Такая обработка называется мерсеризацией.
Отмытая от щелочи целлюлоза носит название гидратцеллюлозы. Химически она не отличается от исходной целлюлозы, но имеет более рыхлую структуру, благодаря чему обладает высокими адсорбционными свойствами. Последние положительно сказываются при крашении и печатании тканей.
Отношение целлюлозы к окислителям и восстановителям. Целлюлоза довольно легко изменяется под действием окислителей. Например, при обработке ее раствором гипохлорита натрия (активного хлора 3—4 г/л) в условиях повышенной температуры (50—60° С) наблюдается ослабление волокна в результате образования оксицеллюлозы. Оксицеллюлоза не является однородным веществом; она состоит из целлюлозы и продуктов различных степеней ее деструкции. При окислении целлюлозы происходит окисление гидроксильных групп в альдегидные, а альдегидных — в карбоксильные; одновременно может происходить разрыв глюкозидных связей по кислородному мостику.
В кислой среде окисление протекает до образования альдегидных групп, которые окисляются до карбоксильных:
В щелочной среде происходит более быстрое окисление первичных и вторичных гидроксильных групп до карбоксильных:
Отличительными свойствами оксицеллюлозы являются ее кислый характер и способность окрашиваться основными красителями. В зависимости от условий окисления она может обладать и восстановительными свойствами (благодаря образованию альдегидных групп по месту разрыва глюкозидных связей).
Если целлюлозу обрабатывать гипохлоритом натрия малой концентрации (активного хлора 0,5—1 г/л) при температуре не выше 25° С, то целлюлоза практически мало изменяется.
При действии света целлюлоза способна окисляться кислородом воздуха с образованием оксицеллюлозы. Установлено, что прочность хлопка понижается на 50% при освещении его прямым солнечным светом в течение 940 ч.
Восстановители — сернистый натрий, гидросульфит и др. — в небольших концентрациях не изменяют первоначальных свойств целлюлозы.
Отношение целлюлозы к воде и органическим растворителям. При погружении целлюлозы в воду происходит ее смачивание и набухание. Количество поглощенной влаги зависит от предварительной подготовки ткани и температурного режима обработки.
С повышением температуры набухание волокна увеличивается. При действии острого пара может произойти деструкция целлюлозы с образованием оксицеллюлозы. В органических растворителях (бензоле, эфире, спирте) целлюлоза не растворяется.
Отношение, целлюлозы к микроорганизмам. Целлюлоза может изменять свои свойства под действием не только химических веществ, но и бактерий или плесневых грибков. В условиях длительного хранения ткани во влажной среде в результате деятельности микроорганизмов происходит гидролиз целлюлозы с образованием гидроцеллюлозы.
При биохимическом процессе целлюлоза может разлагаться до углекислого газа и воды.
Отношение целлюлозы к действию температуры. Устойчивость целлюлозы к действию температуры зависит от времени обработки. В случае кратковременной обработки ткани при температуре 100° С целлюлоза не изменяет своих свойств: из нее лишь частично удаляется гигроскопическая влага. В тех же условиях, но при продолжительной обработке волокно становится жестким, хрупким и малоэластичным. Если температуру кратковременно повысить до 125—150° С, целлюлоза также не изменит своих свойств. Но при продолжительной обработке волокна в этих условиях произойдет быстрое удаление влаги, волокно слегка пожелтеет и возникнет опасность его ослабления. Наконец, при высоких температурах (порядка 200—275°С и выще) целлюлоза разлагается.
Спутники целлюлозы. Спутниками целлюлозы называются вещества, которые образуются в процессе роста растения. К ним мы относим уже упоминавшиеся выше воскообразные, пектиновые, азотистые, минеральные и красящие вещества. По своей химической природе они являются сложными соединениями, точный их состав пока еще не установлен. Некоторые из этих веществ легко удаляются из волокна при обработке его горячей водой, для удаления других требуется более сложная обработка — отваривание и беление. Находясь в первичной стенке волокна, они препятствуют его смачиваемости, что отрицательно влияет на процесс крашения и печатания.
В состав воскообразных веществ входят высокомолекулярные одноатомные спирты жирного ряда: госсипиловый C 
H 
OH, монтаниловый С 
Н 
ОН, цериловый С 
Н 
ОН и карнаубиловый С 
Н 
ОН. Все эти спирты не растворимы в воде, щелочных кислотах и других химических веществах. Помимо перечисленных спиртов, воскообразные вещества включают свободные жирные кислоты (пальмитиновую C 
H 
COOH, стеариновую C 
H 
COOH, олеиновую С Н 
СООН и их эфиры), а также высшие твердые углеводороды — триаконтан C H 
, гентриаконтан C H и др.
Установлено, что в воскообразных веществах большая их часть представляет собой неомыляемые и трудно удаляемые соединения, которые можно перевести в раствор путем эмульгирования. Эфиры, содержащиеся в воскообразных веществах, легко омыляются при обработке горячим раствором щелочи до соответствующих спиртов и кислот. Жирные кислоты, как остающиеся в воскообразных веществах, так и выделившиеся в результате омыления эфиров, при взаимодействии с едким натром образуют натриевые мыла:
С Н СООН + NaOH — С Н СООNа + Н О.
Эти мыла не только сами растворяются в воде, но и способствуют частичному эмульгированию нерастворимых высокомолекулярных спиртов и твердых углеводородов.
Находящиеся в хлопковом волокне воскообразные вещества отрицательно сказываются на ходе процессов крашения и печатания. Поэтому их удаление составляет одну из главных задач при белении.
Пектиновые вещества представляют собой сложные органические соединения, располагаемые главным образом в первичной стенке волокна. Они хорошо гидролизуются, особенно в присутствии едкого натра. Схему гидролиза можно представить в следующем виде: пектин→гидропектин→пектиновая кислота С 
Н 
O 
. При гидролизе последней образуются галактуроновая кислота С Н О 
, арабиноза С Н О , ксилоза C H O , галактоза C H 
O , метиловый спирт СН ОН и уксусная кислота СН СООН. Продукты гидролиза хорошо растворимы в воде, в связи с чем удаление пектиновых веществ не вызывает больших трудностей.
Азотистые вещества имеются в канале волокна. Они являются остатками протоплазмы и относятся к классу белков. Часть азотистых веществ может быть удалена при обработке горячим раствором слабой щелочи. Большая же их часть удаляется при обработке волокна раствором гипохлорита натрия. При этом образуются хлораминовые кислоты, которые с едким натром дают натриевые соли, растворимые в воде. Образование хлораминов RNHC1 может вызвать ослабление ткани, так как при их гидролизе получается соляная кислота.
В состав всех растительных волокон входят минеральные вещества. Они находятся в волокне в виде различных солей — углекислых, сернокислых, фосфорнокислых и кремниевых, а также образуют с пектиновыми веществами соли — пектанты. Количество минеральных веществ зависит от природы волокна, почвенных и климатических условий. Значительная часть минеральных веществ растворима в воде.
Естественные красители придают волокну желто-бурую или желто-коричневую окраску. Содержание их в волокне незначительно, выделить их в чистом виде современными методами анализа невозможно. Поэтому состав и свойства этих красителей недостаточно еще изучены.
Установлено, что окраска волокна не изменяется при действии слабых растворов щелочи; краситель же разрушается в результате действия окислителей (растворов гипохлорита натрия, хлорита натрия и перекиси водорода).
Удаление естественного красителя является одной из задач процесса беления.
В зависимости от атмосферных условий, хлопковое волокно содержит гигроскопической влаги 6—8%. Эта влага придает волокну гибкость и эластичность.
ЛЬНЯНОЕ ВОЛОКНО
Лен - однолетнее растение, из стебля которого получают волокно, а затем пряжу, предназначенную для выработки разнообразных полотен, плательных, костюмных и технических тканей и плетеных кружев. Льноводство очень рас
пространено в СССР. Лен разводят в Смоленской, Калининской, Псковской, Вологодской, Кировской, Костромской, Ивановской и других областях, в Прибалтике, на Украине, в Сибири.
По строению и составу льняное волокно значительно сложнее хлопкового;
поэтому те технологические обработки, которые характерны для хлопка, здесь повторяют несколько раз (иногда даже четыре раза).
 |
Рис. 6. Стебель льна в разрезе
Стебель льна состоит из эпидермиса1, паренхимы 2, лубяных пучков 3, древесины 4 и сердцевины 5 (рис. 6). Стенки волокна толстые, канал закрыт с обоих концов, что затрудняет смачиваемость.
По химическому составу лен отличается от хлопка тем, что в нем меньше целлюлозы и больше ее спутников.
Состав льняного волокна, который зависит от почвенных и климатических условий, чаще всего следующий (%):
Целлюлоза............... 74—76
Пектиновые вещества и пентозаны.. 4,97—5
Лигнин.............. 4,8
Воскообразные вещества........ 2,7
Азотистые вещества.......... 1,9
Минеральные вещества......... 1
Влага................ 8—9
Из лигнина состоит наружный защитный покров волокна. Будучи высокомолекулярным ароматическим соединением, лигнин химически связан с целлюлозой, хорошо хлорируется гипохлоритами (при этом образуется хлорлигниновая кислота, которая растворяется в щелочах).
Льняное волокно обладает большей по сравнению с хлопковым прочностью при разрыве, имеет приятный блеск, высокую гигроскопичность (12%).