Целлюлозные волокна
1. Классификация
Целлюлозные волокна – наиболее распространённые текстильные волокна, в основе которых лежит природный полимер целлюлоза.
Все целлюлозные волокна делятся на природные и искусственные. Среди природных наибольшее значение имеют хлопок и лён (значительно реже используются джут, кенаф, пенька, рами, сизаль). Эти волокна отличаются друг от друга по морфологическому, надмолекулярному строению, а также по количеству и составу примесей. Так, элементарное зрелое хлопковое волокно представляет собой одну клетку – плоскую сужающуюся к концам ленту, закрученную по спирали (рис. 5). В поперечнике выделяются первичная, вторичная (80% от массы) стенки и внутренний канал. В первичной стенке фибриллы расположены более хаотично, чем во вторичной.
Рис. 5. Вид зрелого хлопкового волокна
В отличие от хлопковых, элементарные веретёнообразные волокна льна скрепляются срединными пластинками по 15-30 штук в лубяной пучок.
Хлопковое волокно содержит до 96% целлюлозы, а льняное – до 78%, таким образом, в льняном волокне больше примесей.
Искусственные целлюлозные волокна производятся в условиях химических предприятий из высококачественной древесины. Древесную целлюлозу сначала растворяют с помощью какого-либо химического реагента (в зависимости от типа волокна), а затем раствор продавливают через фильеры и выходящие струи направляют в осадительную ванну, где они затвердевают и превращаются в волокно. Поперечное сечение волокна зависит в основном от условий производства. Искусственные волокна практически не имеют природных примесей.
2. Молекулярное строение целлюлозы
Целлюлоза – природный полимер класса полисахаридов (углеводов), широко распространённый в природе (стебли растений, стволы деревьев, семяна).
Элементарным звеном целлюлозы является β-D-глюкопираноза, в основе целлюлозы лежит дисахарид – целлобиоза.
n.
Элементарные звенья соединены между собой -глюкозидными связями, каждое последующее звено повёрнуто относительно предыдущего на 180о.
В каждом элементарном звене целлюлозы содержится по три спиртовые (гидроксильные) группы. Они играют очень важную роль в химических взаимодействиях целлюлозного волокна с красителями и др. реагентами, используемыми в химической отделке текстильных материалов. Поэтому их называют активными центрами целлюлозного волокна.
Степень полимеризации целлюлозы наиболее высокая у природных волокон (у хлопкового 10000-15000, у льняного до 36000) и значительно ниже у искусственных (300-800). Это сказывается на прочностных показателях волокна.
3. Надмолекулярное строение целлюлозы
Целлюлоза имеет сложную надмолекулярную структуру, для которой характерна ярко выраженная фибриллярность. Макромолекулы целлюлозы взаимодействуют между собой за счёт сил Ван-дер-Ваальса и образования водородных связей между гидроксильными группами (рис. 6). Большая протяжённость этого взаимодействия объясняет тот факт, что целлюлоза нерастворима в воде, хотя является гидрофильным веществом.
Рис. 6. Схема образования внутри- и межмолекулярных водородных связей в целлюлозном волокне
Степень кристалличности целлюлозного волокна зависит от его природы. Большую степень кристалличности имеют природные волокна: хлопок – до 70%, лён – до 85%. Высокая степень кристалличности обуславливает низкую растворимость этих волокон (только в водных растворах комплексных солей некоторых металлов). Искусственные волокна имеют меньшую степень кристалличности – 40-50% и растворяются в щелочных растворах.