Лекция 1 Целлюлозные волокна

Учебные вопросы

1. Текстильные волокна и нити;

2. Надмолекулярная структура волоконообразующих полимеров;

3. Классификация натуральных волокон и нитей;

4. Строение целлюлозы;

5. Состав, свойства хлопка и льна;

6. Основные характеристики свойств целлюлозных волокон;

7. Состав шерсти;

8. Строение волокна шерсти;

9. Классификация шерстяных волокон по характеру строения;

10. Состав и строение волокон шелка;

11. Основные свойства волокон животного происхождения

Основными структурными элементами всех текстильных материалов являются текстильные волокна и нити. Текстильное волокно - это протяженное, гибкое и прочное тело с малыми поперечными размерами, ограниченной длины пригодное для изготовления пряжи и текстильных изделий. Текстильная нить отличается от волокна значительной длиной, насчитывающей несколько десятков и сотен метров. Элементарные волокна и нити не делятся в продольном направлении без разрушения. Комплексные волокна состоят из продольно скрепленных элементарных волокон (нитей ).

Большинство текстильных волокон и нитей состоят из вы­сокомолекулярных соединений-полимеров. Макромолекулы, которых различаются не только по химическому составу, но и по строению. В большинстве случаев они сильно вытянуты по длине, которая во много раз превышает их поперечник. Возможны боковые ответвления. В состав макромолекул могут входить звенья различных полимеров.

Волокнообразующие полимеры по своей надмолекулярной структуре относятся к фибриллярным соединениям. Развернутые макромолекулы благодаря действию межмолекулярных сил объединяются в линейные пачки, в которых они располагаются последовательно - параллельно относительно друг друга. Отдельные пачки и пучки макромолекул образуют микрофибриллы, на основе которых формируются более крупные агрегаты надмолекулярной структуры - фибриллы. Длинные ценные макромолекулы могут проходить через несколько кристаллических и аморфных областей микрофибриллы и даже переходить из одной микрофибриллы в другую, соседнюю, прочно соединяя их в структуре фибриллы.

Поры, возникающие из-за неплотного расположения макромолекул, имеют радиусы порядка 1-2 нм; радиусы пор, появившихся из-за неплотной упаковки микрофибрилл , колеблются в пределах 3-5 нм, а радиусы пор между крупными элементами структуры - фибриллами достигают 10-15 нм.

В основу классификации текстильных волокон и нитей положено их происхождение, то есть способ получения и их химический состав.

По происхождению все волокна подразделяют на натуральные и химические (схема 1 и 2).

К натуральным относятся волокна растительного, животного и минерального происхождения (схема 1)

Волокна растительного происхождения можно получить с поверхности семян растений (хлопок), из стеблей (лен, пенька, джут, кенаф) и из листьев (абака, сизаль).

Основным полимером, из которого состоят природные волокна растительного происхождения, является -целлюлоза, относящаяся к классу полисахаридов . Элементарные звенья целлюлозы-(- C₆H₁₀O₅ -)с помощью глюкозитной связи-О-соединяются в линейные циклоцепные макромолекулы.

 

Целлюлоза представляет собой сравнительно жесткоцепной полимер и благодаря действию межмолекулярных сил (водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса) образует довольно высокоориентированную структуру. Степень кристалличности целлюлозы хлопковых волокон составляет 70%,а элементарных льняных 80-85%.Макромолекулы целлюлозы группируются в микрофибриллы бахромчатого типа

Характерная особенность целлюлозы - наличие в каждом элементарном ее звене трех гидроксильных групп, что определяет ее физико - химические свойства.

Схема 1

Классификация текстильных волокон и нитей

Натуральные текстильные волокна и нити

Органические Неорганические

Растительного Животного

происхождения происхождения

Целлюлозные Белковые Минеральные

Хлопковые Льняное, джут, Абака, Шерстяное Шелковое Асбестовое

пенька рами сизаль

CH₂ OH

O Н

H

O ОН Н О

Н Н OH

n

Хлопком называют волокна, покрывающие поверхность семян однолетнего растения хлопчатника.

В течение всего периода созревания фибриллы целлюлозы отлагаются на стенках волокна, образуя суточные концентрические слои. Основным полимером хлопка является  - целлюлоза(96%), кроме того волокна имеют в своем составе низкомолекулярные фракции целлюлозы (1,5%), жиры и воски (около1%), азот, белковые, зольные вещества(до 0,5%) и др. Сопутствующие вещества располагаются между пачками макромолекул и фибриллами.

В конце периода созревания протоплазма в канале высыхает, стенки спадают, а волокна приобретают вид скрученных сплющенных ленточек, имеющих определенной толщины стенки и канал. По степени зрелости, которая оценивается исходя из соотношения наружного и внутреннего диаметров волокна, хлопковые волокна подразделяются на 11 групп от 0 (незрелое волокно) до 5 (предельно зрелое волокно) с интервалом в 0,5. Наиболее пригодны для изготовления текстильных материалов волокна со степенью зрелости 2,5 – 3,5. По изменению интерференционной окраске в поляризационном свете хлопковые волокна подразделяются на 4 группы (самые зрелые, зрелые, недозрелые, совершенно незрелые).

В зависимости от длины волокон различают коротковолокнистый хлопок длиной до 27мм, средневолокнистый хлопок длиной 27-35мм и длинноволокнистый 35-50мм.

Для получения льняных волокон выращивают специальный вид льна - лен - долгунец. Элементарное волокно льна представляет собой растительную клетку веретенообразной формы длиной 10-26 мм и в поперечнике 12-20 мкм.

Основным полимером льняного волокна является - -целлюлоза (80%), низкомолекулярные фракции -8,5%, лигнин -5,2%, жировосковые вещества -2,7%, белковые и зольные -3,2%. Лигнин придает большую жесткость, хрупкость и ломкость волокну. Пучки элементарных волокон, состоящие из 15-30 элементарных волокон, образуют технические волокна длиной 170-250 мм и в поперечнике 150-250 мкм.

Основными характеристиками свойств волокон и нитей являются следующие:

Линейная плотность "Т", текс, выражается массой единицы длины волокна или нити и определяется по формуле:

Т = m / L (1),

где m - масса волокна или нити, г;

L - длина волокна или нити, км

Номер "N" показывает отношение длины волокна (L),м к его весу, г.

N=L/m (2)

[мм/мг, м/г, км/кг]

(TN=1000), чем выше номер, тем меньше линейная плотность и тоньше волокно.

Относительная разрывная нагрузка "Ро", сН/текс ,характеризует разрывную нагрузку (Рр), приходящуюся на единицу толщины:

Ро=Рр/Т (3)

Относительное разрывное удлинение Ер,%, показывает , какую часть от первоначальной длины образца составляет его абсолютное удлинение к моменту разрыва:

Ер=100Lр/Lo (4)

где Lp - абсолютное разрывное удлинение (показывает увеличение длины волокна или нити к моменту разрыва); Lo - начальная длина образца волокна или нити.

Фактическая влажностьW_ф, %, показывает, какую часть от массы сухого волокна составляет влага, содержащаяся в нем при данных атмосферных условиях:

W_ф=100(m-m_c) / m_c (5)

где m и mc-соответственно масса волокна, г, до и после высушивания до постоянной массы.

Основные свойства хлопковых и льняных волокон приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Свойства волокон растительного происхождения.

Волокно	Степень полимеризации	Плотность, г/см3	Линейная плотность, Текс	Относительная разрывная нагрузка для волокна
				сухого, сН/Текс	мокрого, % от натурального
Хлопковое	5000-6000	1,52	0,2	27-36	110-120
Льняное	20000-30000	1,5	0,3	54-72	110-120

Продолжение таблицы 1.

Волокно	Удлинение волокна, %		Влажность, %	Термостойкость
	сухого	мокрого		Температура эксплуатации, оС	Температура разрушения, оС
Хлопковое	7-9	8-10	6	140-150	170-180
Льняное	2,5	3,5	11-12	140-150	170-180

Физико-химические свойства хлопковых и льняных волокон имеют много общего, что связано с одинаковым их химическим составом.

Однако, в связи с тем, что лен имеет более плотную и ориентированную структуру, он имеет наибольшую относительную разрывную нагрузку и наименьшее разрывное удлинение.

Наличие в целлюлозе гидроксильных групп обуславливает высокие гигроскопические свойства хлопковых и особенно льняных волокон. При увлажнении целлюлозные волокона набухают, увеличивая свои размеры, особенно поперечные, разрывное удлинение их несколько увеличивается, а прочность повышается на 10-12%

До 150⁰ С целлюлозные волокна практически не изменяют своих свойств, а свыше начинается процесс разрушения.