Натуральные (природные) волокна

ТЕКСТИЛЬНЫЕ ВОЛОКНА

1.1.Натуральные (природные) волокна.

1.2.Химическиие волокна.

1.2.1.Искусственные волокна.

1.2.2.Синтетические волокна.

 

Текстильными волокнами называются тонкие, гибкие и прочные тела, длина которых значительно превосходит их по­перечник.

Классификация текстильных волокон. Все текстильные волокна делятся на два класса: натуральные и химические.

Натуральные волокна в зависимости от химического сос­тава подразделяются на два подкласса: органические (расти­тельного и животного происхождения) и Минеральные.

Волокна растительного происхождения: хлопок, лен, пень­ка, джут, кенаф, кендырь, рами, канатник, сизаль и др.

Волокна животного происхождения: шерсть овец, коз, вер­блюдов и других животных, натуральный шелк тутового и ду­бового шелкопряда.

К минеральным волокнам относится асбест,

Химические волокна делятся на два подкласса: искусствен­ные и синтетические.

Искусственные волокна делятся на органические (вискоз­ное волокно, ацетатное, триацетатное, медно-аммиачное, мти- лон В, сиблоновое, полинозное и др.) и неорганические (стек­лянные и металлические волокна и нити).

Синтетические волокна в зависимости от природы исходных материалов делятся на полиамидные (капрон, анид, энант), по­лиэфирные (лавсан), полиакрилнитрильные (нитрон), полиоле­финовые (полипропилен, полиэтилен), полиуретановые (спан- декс), поливинилспиртовые (винол), поливинилхлоридные (хло­рин), фторсодержащие (фторлон), а также полиформальдегид- ные, полибутилентерефталатные и др.

 

Натуральные (природные) волокна

Хлопок — это волокно, покрывающее семена однолетнего теплолюбивого кустарникового растения хлопчатника высотой 1—1,5 м. Вегетационный период — 170 дней. Волокно собира­ют по мере созревания вместе с семенами. Зрелое волокно хлоп­ка представляет собой сплющенную, штопорообразную закру­ченную трубочку с узким каналом внутри. Длина хлопковых волокон колеблется в пределах от 1 до 55 мм. Волокна до 20 мм называются непрядомыми; 20—27 мм — коротковолокнистый, 28—34 мм — средневолокнистый, 35—55 мм — длинноволок­нистый хлопок. Основным веществом хлопкового волокна яв­ляется целлюлоза (94,5—97'%).

Льняные волокна получают из лубяного слоя стебля травя­нистого однолетнего растения льна, имеющего две основные бо­танические разновидности: лен-кудряш и лен-долгунец. Веге­тационный период произрастания — 70—90 дней. Различают элементарное и техническое льняное волокно. Длина элемен­тарного волокна льна составляет 4—70 мм. Элементарные во­локна, скрепленные пектиновыми веществами, образуют тех­ническое льняное волокно длиной от 60 доЮО см. По химичес­кому составу, как и хлопок, льняное волокно представляет со­бой целлюлозу (75—80 %). Большой процент примесей затруд­няет отделку льняных тканей.

К прочим лубяным волокнам относятся пенька, джут, ке­наф, кендырь, канатник и другие, которые имеют весьма огра­ниченное применение в производстве текстильных изделий бы­тового назначения.

Шерсть — волосяной покров, состригаемый с овец, коз, верблюдов и других животных. Основную долю волокна (95— 97 %) составляет овечья шерсть, 2—3 % — козья, 1—2 % — верблюжья. Отдельное шерстяное волокно представляет собой цилиндр с волнообразной извитостью. В отличие от хлопковых и элементарных лубяных волокон, каждое из которых пред­ставляет собой одну растительную клетку, шерстяное волокно построено из многих клеток, отличающихся друг от друга фор­мой, размерами и свойствами. Комплексы трех разновидностей клеток образуют три слоя шерстяного волокна — чешуйчатый, корковый и сердцевинный. Чешуйчатый слой образует внеш­нюю оболочку шерстяного волокна. Корковый слой располо­жен под чешуйчатым и является основным в шерстяных волок­нах, так как им определяются такие важные свойства волокон, как прочность, размер и характер удлинения, упругость, мяг­кость и др. Сердцевинный слой расположен в центральной части волокна и состоит из клеток различной формы и воздушных промежутков.

В зависимости от особенностей структуры различают следую- щие типы шерстяных волокон: пух, ость, переходный волос, мертвый волос. Ость имеет все три слоя. Пух — самое тонкое, мягкое, нежное волокно с большой извитостью, приятным мато­вым блеском — состоит из двух слоев: чешуйчатого и коркового.

В зависимости от того, из каких волокон по длине, тонине, извитости состоит шерсть ее подразделяют на однородную и не­однородную, состоящую из смеси волокон различных типов.

В зависимости от тонины волокон различают шерсть тон­кую, полутонкую, полугрубую и грубую.

По химическому составу шерсть представляет собой белко­вое вещество — кератин (90 %).

Натуральный шелк — очень ценное текстильное волокно, которое представляет собой продукт выделения шелкоотдели­тельных желез гусениц тутового (90 %) и дубового (10 %) шел­копрядов. В зрелом возрасте гусеница завивает кокон, который состоит из непрерывной нити длиной 600—1500 м. Коконная нить состоит из двух параллельно расположенных фиброино- вых шелковин, склеенных серицином (20—30 %).

На кокономотальных фабриках для облегчения размотки коконы подвергают запарке в горячей воде (95 °С), в результа­те чего размягчается серицин. Коконная нить очень тонкая и недостаточно прочная, поэтому при размотке нити нескольких коконов (от 3 до 20) соединяют в одну, называемую нитью шел­ка-сырца.

Различные отходы шелкомотания, не пригодные для полу­чения длинной нити, используются для получения (путем пря­дения) шелковой пряжи, или пряденного шелка.

Свойства природных волокон определяют их назначение и свойства готовых изделий. Основными свойствами волокон яв­ляются: длина, тонина, прочность, удлинение, гигроскопич­ность, стойкость к различным воздействиям и др. (см. табл. 1.1).

Длина хлопковых волокон составляет 20—55 мм, техничес­ких льняных — 400—1000 мм, шерстяных —- 30—300 мм и бо­лее. Чем длиннее волокна, тем более прочной, тонкой и гладкой может быть получаемая из них пряжа.

Тонина волокон определяется в тексах и колеблется в преде­лах 10—0,17 текс. Наиболее тонкими волокнами являются хлопковые, нити тутового шелкопряда, пух шерсти.

Прочность на разрыв различных природных волокон неоди­накова. Если принять прочность шерстяного волокна на услов­ную площадь сечения в 1 мм² за единицу, то прочность хлопка превысит ее в 2,5 раза, шелка — в 3,5 раза, льна — в 4 раза.

Наибольшим удлинением обладают волокна шерсти и шел­ка (20—35 и 20—22 % соответственно), наименьшим — льна и хлопка (1,2—2,5 и 5—10 % соответственно). Шерсть и шелк от­личаются большей упругостью, эластичностью. Поэтому изде­лия из этих волокон меньше других сминаются, лучше сохра­няют приданную им форму, более износостойки.

Гигроскопичность, одно из важнейших гигиенических свойств волокон, колеблется от 8 % (хлопок) до 15—17 % (шерсть), максимальная может быть в пределах 45 % (шерсть).

Светостойкость наиболее, высокая у льна, ниже у шерсти, хлопка, натурального шелка.

Хлопок и лен устойчивы к щелочам и не устойчивы к неор­ганическим кислотам (серной, соляной, азотной). Обработка хлопка холодной едкой щелочью изменяет его строение и свой­ства: он набухает, теряет извитость, приобретает блеск, повы­шается прочность, гигроскопичность, усиливается способность волокон окрашиваться. Шерсть и шелк не устойчивы к щело­чам даже небольших концентраций, особенно при нагрева­нии. Разбавленные кислоты на холоде не действуют на эти во­локна. Концентрированные кислоты разрушают их.

Химические волокна

Химические волокна в зависимости от исходных материа­лов делят на искусственные и синтетические.

К искусственным относятся волокна, нити, получаемые хи­мической переработкой природных высокомолекулярных сое­динений (древесная целлюлоза, хлопковый пух), а также во­локна, получаемые на основе низкомолекулярных веществ: стеклянные, металлические, металлизированные.

Синтетические волокна (нити) получают из гетероцепных и карбоцепных синтетических полимеров в результате реакции полимеризации или поликонденсации. Исходным сырьем для производства синтетических волокон являются простые веще­ства (этилен, бензол, фенол, пропилен и др.), которые получают из нефтяных газов, нефти и каменноугольной смолы.

Процесс производства химических волокон состоит из сле­дующих стадий: получение исходного полимера, преобразова­ние полимера в прядильный раствор, формирование нитей че­рез фильеры, отделка нитей. Фильтры изготовляют из плати­ны, золота, палладия и их сплавов.

Волокна формируют из расплавов, растворов (по сухому и мокрому способам), а также волочением, плющением, резкой металлической фольги.

Химические волокна выпускаются в виде: моноволокон, т.е. элементарных нитей, состоящих из одного волокна неопределенной длины; комплексных нитей, состоящих из бесконечно длинных скрученных между собой волокон; волокон, нарезанных на короткие отрезки (по 150 мм) – штапельные волокна; жгутовое штапельное волокно.

Химические волокна имеют ряд преимуществ перед натуральными: их производство является менее трудоемким; оно не зависит от природных условий; не имеет сезонного характера; химическое волокно можно получить с заранее заданными свойствами.

 

Искусственныые волокна

К искусственным относят волокна, вырабатываемые из целлюлозы и ее производных.

Вискозное волокно – одно из наиболее распространенных искусственных волокон. Для выработки вискозного волокна используют древесную целлюлозу и короткое хлопковое волокно. Краткая схема получении вискозного волокна состоит в следующем: чистую целлюлозу обрабатывают 18%-ным раствором едкого натра при температуре 18-20^о С в течение 1 ч. – мерсеризуют. Образующаяся целлюлоза выдерживается в течение 12-14 часов при установленной температуре (процесс пред созревания). Созревшая целлюлоза обрабатывается сероуглеродом – образуется ксантогенат, который растворяют в разбавленном растворе едкого натра и получают вязкий продукт – вискозу, который фильтруют и выдерживают в течение 20-40 часов. Затем он поступает на прядильные машины и продавливается с помощью насосиков через фильеры (цилиндр из золота, платины, нержавеющей стали), на дне которых имеются отверстия различного диаметра. Струйки вискозы через фильеры попадают в ванну с водяным раствором 4-5%-ной серной кислоты и сернокислых солей, где происходит осаждение (коагуляция) твердой части, а также омыление простого эфира до чистой целлюлозы. После продавливания через филь­еры волокно подвергается вытяжке и тепловой обработке в го­рячей воде.

После формования вискозная нить отмывается от кислот и солей и подвергается отделке: удалению серы, отбелке, замас­ливанию, сушке, перемотке.

По химическому составу вискозное волокно представляет собой чистую целлюлозу (С₆Н₁₀О₅)_n. Степень полимеризации целлюлозы вискозного волокна равна 300—600.

Полипозное волокно — разновидность вискозного, для вы­работки которого используют ксантогенат с высокой степенью этерификации. Принцип получения этого волокна основан на образовании при формовании более однородной гидратцеллю- лозы вследствие разложения ксантогената целлюлозы одновре­менно по всей толщине волокна. Такое волокно имеет более од­нородную и плотную структуру, а в результате — меньшую по­терю прочности в мокром состоянии.

Сиблоновое волокно — модифицированное вискозное волок­но. Для выработки его используют однородную по свойствам древесную целлюлозу со степенью полимеризации 500—600. Волокно сиблон формуется из вискозы, в состав которой входят модификаторы (полиэтиленгликоль и др.), что позволяет полу­чить более однородный прядильный раствор.

Мтилон В — химически модифицированное вискозное во­локно, представляет собой привитый сополимер целлюлозы (60—65 %) и акрилнитрила (35—40 %).

Кроме рассмотренных выше вискозных волокон, в настоя­щее время выпускаются бактерицидные волокна, полые вис­козные волокна, масло и грязестойкие, которые получают в ре­зультате прививки к целлюлозе фторсодержащих полимеров.

Медно-аммиачное волокно получают растворением целлю­лозы в медно-аммиачном растворе. Образующийся вязкий рас­твор фильтруют и формируют, продавливая через фильеры в осадительную ванну с водой, а затем во второй ванне разлага­ют 2—3%-ным раствором серной кислоты. Полученное гид- ратцеллюлозное волокно вытягивают, промывают, замаслива­ют и сушат.

Ацетатное волокно. Особенность ацетатного волокна зак­лючается в том, что его получают из сложного уксусного эфира целлюлозы — ацетата целлюлозы. Ацетатное волокно вырабатывается двух видов: диацетатное (ацетатное) и триацетатное. Хлопковую или облагороженную древесную целлюлозу, содер­жащую не менее 0,7 % а-целлюлозы, обрабатывают смесью ук­сусной кислоты, уксусного ангидрида с использованием в каче­стве катализатора серной кислоты. В результате образуется триацетат целлюлозы, который растворяется в метиленхлориде со спиртом. Его используют для получения триацетатного во­локна. При частичном омылении триацетата целлюлозы полу­чают диацетат целлюлозы, который растворяется в ацетоне со спиртом, для получения ацетатного волокна.

Формование ацетатных волокон осуществляется из раство­ров сухим и мокрым способами. Выходящие из фильеры струй­ки раствора попадают в шахты, куда подается сухой подогре­тый воздух. Летучие растворители быстро испаряются и волок­но затвердевает.

Свойства искусственных волокон в определенной степени имеют различия.

Вискозное, медно-аммиачное, полинозное, сиблоновое во­локна характеризуются сравнительно высокой устойчивостью к истиранию. Ацетатное, триацетатное волокна, мтилон-В име­ют сравнительно низкую устойчивость к истиранию, примерно в 5—8 раз¹ ниже вискозного.

Большим недостатком искусственных волокон является по­теря прочности в мокром состоянии (вискозное — до 60 %).

Искусственные волокна сильно сминаются, имеют неболь­шую упругость за исключением ацетатного, триацетатного, сиблона, упругость которых примерно в 2 раза выше вискоз­ного.

Вискозное, медно-аммиачное, сиблоновое, полинозное во­локна горят так же, как и все целлюлозные материалы — при горении издавая запах жженой бумаги. Ацетатное и триацетат­ное волокна спекаются, продукты горения имеют характерный запах уксусной кислоты.

Гидратцеллюлозные волокна малоустойчивы к действию микроорганизмов. Ацетатное и триацетатное волокна обладают высокой устойчивостью к микроорганизмам и плесени. При длительном действии солнечного света и атмосферных воздей­ствий снижается прочность искусственных волокон.

 

Синтетические волокна

К синтетическим относятся волокна из полимерных материалов, полученных синтезом простых веществ (этилена, бензола, фенола, пропилена) в результате реакции полимеризации или поликонденсации.

Полиамидные волокна (капрон, анид, энант) получены из капролактама, гексометилендиамина, адипиновой кислоты и полиэнантоамида. Технологический процесс производства полиамидных волокон различных видов существенных различий не имеет. Он включает три основных этапа: синтез полимера; формование волокна; вытягивание и последующая обработка волокна. В процессе формования свежесформованное синтетическое волокно сильно вытягивается (в 2-20 раз) с целью повышения его механических свойств. После предварительной вытяжки волокна подвергают холодному вытягиванию.

Полиэфирное волокно (лавсан) среди синтетических волокон занимает лидирующее положение. Исходным сырьем для производства волокна лавсан служит этиленгликоль и терефталевая кислота. Реакцией поликонденсации получают смолу лав­сан, а затем из расплава полимера, аналогично способу про­изводства полиамидных волокон, получают волокно лавсан. Скорость формирования составляет 400— 1500 м/мин, фильерная вытяжка — 8—10 раз.

Свежесформированное полиэфирное волокно имеет амор­фное строение, повышенную хрупкость, низкую прочность, большое необратимое удлинение, большую усадку. Поэтому лавсановое волокно подвергается вытяжке при температуре 100—150 °С на 350—500 %.

Вытянутая и скрученная нить подвергается термофикса­ции. Более 50 % полиэфирных волокон составляют штапель­ные волокна.

Полиакрилонитрильные волокна (нитрон) получают полимеризацией акрилонитрила, но чаще всего с сополимерами акрилонитрила (винилпиридина, винилацетата, стирола и др.), способствующими повышению гибкости, эластичности, лучшей накрашиваемости. Полиакрилонитрильное волокно формируют из раствора сухим и мокрым способами (растворяют в диметилформамиде).

Для нитронового волокна наиболее важны отделочные опе­рации, в процессе которых оно приобретает необходимые свой­ства — вытяжку и термофиксацию. Вытяжка свежесформированного волокна нитрон производится в 8—12 раз. После вы­тяжки волокно подвергается термообработке, гофрированию, чтобы придать ему извитость. Нитрон выпускается в основном в виде короткого волокна.

Поливинилхлоридные волокна (ПВХ, хлорин), получают из полимеров и сополимеров винилхлорида. Исходным сырь­ем для получения хлористого винила служит дешевое и дос­тупное сырье — ацетилен, этилен и хлористый водород. Хло­ристый винил подвергают полимеризации. В результате полу­чают полихлорвиниловую смолу. Полимер растворяют в смеси ацетона и сероуглерода. Из вязкого раствора формируют во­локна сухим и мокрым способами. Для повышения физико-ме­ханических свойств волокон они подвергаются вытяжке (в 2—8 раз) и термической обработке.

Поливиниле пир товые волокна (винол) изготовляют из по­ливинилового спирта, который получают из продуктов пере­работки ацетилена и уксусной кислоты. Образовавшийся ви­нилацетат подвергают полимеризации, полученный поливи­нилацетат омыляют, при этом образуется поливиниловый спирт. Формуют виноловое волокно продавливанием через фильеры 15—18%-ного водного раствора поливинилового спир­та, Для коагуляции волокна используют осадительную ванну, состоящую из раствора сернокислого натрия и сернокислого цинка. Но такое волокно водорастворимо. Для того чтобы по­лучить винол нерастворимым в воде, его обрабатывают фор­мальдегидом.

Полиуретановые волокна (спандекс) получают в результате взаимодействия диизоцианатов с гликолями. Формирование волокон можно производить сухим и мокрым способами. При введении в полимер гибких блоков получают высокоэластич­ные нити со свойствами, присущими только каучукоподобным материалам, с растяжимостью до 800 %.

Полиолефиновые волокна (полипропиленовое и полиэтиле­новое) получают полимеризацией сравнительно дешевого сы­рья — пропилена и этилена, продуктов крекинга нефти — и формированием из расплава. Струйки расплава, попадая из фильеры в шахту, охлаждаются и превращаются в элементар­ные нити, которые подвергаются 6—7-кратной вытяжке для улучшения физико-механических свойств волокон.

Фторсодержащие волокна (фторлон, полифен) получают ме­тодом полимеризации тетрафторэтилена. Водная дисперсия по­лимера, в которую входит загуститель (поливиниловый спирт), продавливают через фильеры в шахту, в которую поступает го­рячий воздух. Волокно подвергается нагреву и дополнительной вытяжке на 300—500 % при температуре 360—400 °С, очень устойчиво к действию химических реагентов (не растворяется в царской водке).

В последнее время появились полиформальдегидные, поли- бутилентерефталатные, биокомпонентные, электропроводные, модакриловые, полибензимидальные, поливинилсульфидные, полиэфиркетонные волокна и др.

Свойства синтетических волокон (см. табл. 1.1) различны для разных волокон. Синтетические волокна имеют достаточно высокую прочность и по этому показателю превосходят природ­ные и искусственные волокна. Разрывная длина колеблется от 18 до 70 км, предел прочности — от 20 до 75 сН/текс. Синтети­ческие волокна легче природных и искусственных, удельный вес их колеблется от 0,92 до 1,6. Недостатком этих волокон яв­ляется низкая гигроскопичность, исключение составляет винол.

Полиамидные волокна характеризуются очень высокой ус­тойчивостью к истиранию и действию многократных деформа­ций. По этому показателю они превосходят все текстильные во­локна (например, вискозное — в 100 раз, хлопковое — в 10 раз). Достаточно устойчивы к истиранию лавсан, винол, полипропи­лен, спандекс, не устойчивы нитрон, хлорин и др.

Самой высокой светопогодоустойчивостью отличается нит­рон. После воздействия света и атмосферы в течение года при­родные и химические волокна почти полностью теряют проч­ность, прочность же нитронового волокна снижается на 20 %, Низкая светостойкость характерна хлорину, капрону, полипро­пилену и др.

Лавсан по термостойкости превосходит все синтетические волокна. Устойчивы к действию нагревания нитрон, фторлон. Самые легкие волокна — полиолефиновые, удельный вес кото­рых ниже удельного веса воды (0,92—0,94).

Недостатком синтетических волокон является их сильная электризуемость, плохой гриф, способность к пиллингообразо- ванию. Полиолефиновые волокна при пониженных температу­рах (10—15 °С) становятся хрупкими.