Химическая технология текстильных материалов - Эмиль Вознесенский

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 200оС. При длительном нагревании (при температуре > 100оС) происходят необратимые структурные изменения.

Разбавленные растворы минеральных кислот (до 5 г/л) при температуре 20–30оС 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 20–30оС. 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:

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

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

Разбавленные минеральные кислоты (до 5 %) на шерстяное волокно не действуют, при повышении температуры раствора до 100оС 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 40оС 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.