2. Строение волокон и нитей

2.1. Изучение строения волокон методами световой микроскопии

Цель работы. Освоение методов микроскопического исследования строе­ния волокон. Изучение особенностей строения основных видов текстильных волокон.

Задание. 1. Ознакомиться с устройством светового микроскопа. Изу­чить правила работы на нем и методику приготовления препаратов продоль ного вида и поперечных срезов волокон.

2. Зарисовать и описать наблюдаемые под микроскопом препараты про­дольного вида и поперечных срезов различных волокон (хлопковых, льняных, шерстяных, шелковых, вискозных, ацетатных, капроновых, лавсановых и др.).

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Сущность методов световой микроскопии. Для изучения особен­ностей строения текстильных волокон широко применяется микроскопия. Микроскопией называют метод исследования мель­чайших объектов с помощью светового, электронного или других микроскопов для зарисовки, фотографирования или просто рас­смотрения их в увеличенном виде [2.1].

Световая микроскопия использует для освещения объектов дневной свет, а также свет от различных источников освещения. При исследовании строения текстильных волокон чаще всего пользуются биологическими микроскопами, предназначенными для изучения прозрачных объектов в проходящем обыкновенном свете.

Оптическая схема биологического микроскопа (рис. 2.1) де­лится на две системы: осветительную, включающую в себя зеркало 1 и конденсор 4 с апертурной ирисовой диафрагмой 3 и откидной линзой 2, и наблюдательную, состоящую из объектива 5, призмы 6 и окуляра 7. Осветительная система фор­мирует пучок света, попадающего на объект. Свет от источника падает на зеркало, которое отражает его к диафрагме, проходит через конденсор, исследуемый объект и попадает в объектив. В наблюдательной системе микроскопа происходит двухступен­чатое увеличение объекта: первая ступень осуществляется объек­тивом, вторая — окуляром (рис. 2.2).

Объектив — это система из нескольких соединенных вме­сте линз, обращенная к рассматриваемому объекту и дающая его действительное обратное увеличенное изображение.

Окуляром называется система линз, обращенная к глазу. По принципу работы она аналогична обычной лупе, но, кроме того, дополнительно увеличивает действительное изображение, даваемое объективом.

Призма (см. рис. 2.1, поз. 6) служит для отклонения пучка лучей от вертикали на 45°, что удобно при работе с микро­скопом.

Для правильной работы с микроскопом необходимо знать и уметь определить его основные оптические характеристика/об­щее увеличение, разрешающую способность и диаметр поля зрения.

Общее увеличение U₀ микроскопа определяют по фор­муле

U₀=U₁U₂

где U1, U2 — собственное увеличение соответственно объектива и окуляра.

в табл. 2.1 и 2.2. В принятом обозначении объективов (в виде произведения двух чисел) первое число показывает увеличе­ние объектива, второе — его апертуру. Так, например, объек­тив с обозначением 8x0,20 имеет увеличение 8^х и апертуру 0,20. Объективы с увеличением от 40^х и выше снабжены спе­циальной пружинной оправой, исключающей возможность по­вреждения фронтальной линзы объектива и препарата при их

Таблица 2.1

Обозначение объектива	Собствен­ное увеличе­ние, крат		Числовая апертура	Фокусное расстоя­ние, мм		Свобод­ное расстоя­ние, мм		Поле зрения в плоскости предмета с окуляром , мм		Предельная разрешающая сила при пря­мом освещен и и для ?«=589 им. мм
8x0,20	8	0,20			18,2		8,53	2,25
40X0,65	40	0,65			4,25		0,41	0,45
90X1,25	90	1,25			1,9		0,1	0,2
(масляная
иммерсия)

0,55 0,29

соприкосновении. Увеличение окуляров награвировано на их оправах. Например, окуляр 7^х имеет семикратное собственное увеличение.

В микроскопе «Биолам СИ» используется конденсор КОН-3 с апертурой 1,2. Откидная линза применяется для работы с объ­ективом малого увеличения (8^х).

При работе с микроскопом прежде всего приступают к на­стройке освещения. Для этого на предметный столик микроскопа

Таблица 2.2

Обозначение окуляра	Собственное увеличение, крат	Фокусное расстояние, мм	Линейное поле зрения, мм
ух 7 35 18 15Х 15 16,7 11

укладывают препарат, ставят в рабочее положение объектив 8X0,20, а в тубус микроскопа вставляют окуляр 7^х. Затем открывают апертурную диафрагму 12 (см. рис. 2.3), вводят в ход лучей откидную линзу и ручкой 2 фокусируют микроскоп на препарат. Установкой зеркала по отношению к источнику света добиваются максимальной, но равномерной освещенности объекта. Зеркало должно быть повернуто к свету плоской сторо­ной. Вогнутой стороной зеркала пользуются в очень редких слу­чаях и только при работе со слабыми объективами.

Так как объектив 8X0,20 имеет небольшую разрешающую способность (см. табл. 2.1), при исследовании строения тек­стильных волокон наблюдения и зарисовки следует вести с объективами 40X0,65 или 90x1,25. Однако надо помнить, что объектив 90X1,25 рассчитан на масляную иммерсию. Для пе­рехода от объектива 8X0,20 на объективы большего увеличения необходимо препарат поставить так, чтобы выбранный для наблюдения участок объекта попал точно в центр поля зрения. После этого поворотом револьвера 8 в ход лучей включают объектив 40X0,65 или 90X1,25, выводят из хода лучей откид­ную линзу и меняют окуляр 7^х на окуляр 15^х. Так как все объективы согласованы между собой, то при переходе на работу с объективом большего увеличения для исправления фокуси­ровки достаточно немного повернуть диск 16 механизма механи­ческой фокусировки. Конденсор поднимают вверх до упора руч­кой 15. Апертурную диафрагму прикрывают так, чтобы изобра­жение получилось наиболее контрастным.

Приготовление препаратов. При исследовании строения тек­стильных волокон с помощью светового микроскопа готовят пре­параты продольного вида и поперечных срезов волокон.

Препараты продольного вида готовят путем нарезания на среднюю часть чистого предметного стекла коротких (длиной 1—2 мм) отрезков волокон. При этом необходимо следить, чтобы отрезки волокон не лежали плотным пучком, в случае необхо­димости их разъединяют препаровальной иглой. При рассмотре­нии волокон в водной или масляной иммерсии на предметное стекло сначала капают предварительно воду или глицерин, а по­том уже нарезают волокна. Иногда, если необходимо рассмот­реть продольный вид волокна на сравнительно большой его длине (например, при исследовании хлопка), волокна не режут, а укладывают на предметном стекле тонким слоем. Сверху препарат накрывают покровным стеклом.

Препараты поперечных срезов волокон можно приготовить различными методами. По методу проф. А. Г. Архангельского слегка скрученный вручную тонкий пучок волокон закладывают внутрь шерстяной ровницы, окрашенной в контрастный цвет. Через небольшое круглое отверстие в тонкой металлической пластинке / (рис. 2.4, а) пропускают петлей швейную нить 2. В петлю закладывают приготовленную ровницу с исследуемыми волокнами 3 и протаскивают через отверстие в пластинке. В ре­зультате пучок волокон оказывается зажатым в отверстии вместе с ровницей и располагается перпендикулярно пластинке /. Выступающие концы ровницы с волокнами срезают бритвой с обеих сторон (рис. 2.4, б) и пластинку помещают на предмет­ном столике микроскопа для просмотра.

По методу А. Н. Бояркина [2.2] пучок исследуемых волокон густо смазывают коллодием с помощью стеклянной палочки. Полученную «заливку» просушивают, а затем опускают на 10 мин в воду. Из пробки вырезают четырехгранный столбик 1 (рис. 2.5), надрезают его и в получившуюся щель вставляют заливку 2. Срезы делают бритвой, получая тонкие слои пробки с расположенной в ней заливкой. за Более тонкие и равномерные по толщине срезы получают с помощью специальных микротомов. Например, на микротоме системы ЦНИИшерсти (рис. 2.6) срезы готовят следующим об­разом. Перед работой на приборе пластины / и 4 разъединяют,

На поворотную пластину 7 вместе со стержнем 2 отводят вправо. Пучок волокон заправляют в щель 5 и закрепляют в ней высту­пом 3 пластины 4. Концы волокон, выступающие с обеих сторон пластины 1, срезают острой бритвой. После этого поворотную пластину 7 со стержнем 2 возвращают в исходное положение и с обратной стороны пластины 1 наносят на волокна каплю кол­лодия. Винтом 6 двигают стержень 2, подавая таким образом волокна из щели, и острым лезвием бритвы срезают тонкие срезы волокон. Срезы наносят на предметное стекло и просма­тривают под микроскопом.

Особенности строения текстильных волокон. При исследо­вании текстильных волокон различных видов с помощью све­тового микроскопа выявляются следующие особенности их строения.

Хлопковое волокно (рис. 2.7) имеет вид трубочки, сплюснутой в той или иной степени в зависимости от толщины стенок, которая увеличивается по мере созревания волокна. При рассмотрении волокна под микроскопом отчетливо виден ка­нал— характерная особенность всех растительных волокон. Хлопковое волокно скручено вокруг продольной оси, причем витки крутки идут попеременно в обоих направлениях. Скру­ченность волокон хлопка объясняется тем, что микрофибриллы и фибриллы целлюлозы, лежащие послойно в стенке волокна, располагаются по винтовым линиям, поднимающимся под углом 20—45° к оси волокна. Поскольку волокно растет на семени, от которого его потом отрывают, один конец волокна неровный, с рваными очертаниями, а другой — заостренный, закрывающий канал. Канал волокна заполнен протоплазмой, которая у ото­рванного от семени волокна высыхает, в результате чего попе­речный срез волокна приобретает сплюснутую форму. У незре­лых волокон поперечный срез имеет сильно сплюснутую ленто­видную форму, у среднезрелых — бобовидную, у очень зрелых эллипсовидную, иногда почти круглую.

Элементарные волокна льна (рис. 2.8) имеют за­остренные концы и поперечное сечение в виде неправильного пятиугольника с узким каналом или почти овальной формы с более широким и слегка сплюснутым каналом (у более грубых волокон, в частности, расположенных в нижней части стебля). При рассмотрении продольного вида волокон хорошо заметны темные штрихи, расположенные поперек волокна. Эти штрихи называются «сдвигами». Элементарные волокна имеют в сред­нем длину 10—2,6 мм. Техническое волокно, выделяемое из стебля льна при его первичной обработке, представляет собой сложный комплекс пучков элементарных волокон, склеенных между собой срединными пластинками, которые состоят из пектиновых веществ и лигнина. Средняя длина технического волокна колеблется от 50 до 250 мм.

Рис. 2.9. Строение шерстяных воло­кон различных типов:

а — пух; б— переходное волокно; в — ость; г — мертвый волос

Волокна овечьей шер­сти в зависимости от строе­ния делятся на четыре типа: пух, переходный волос, ость и мертвый волос (рис. 2.9). Пух — наиболее тонкое изви­тое волокно, имеет круглое по­перечное сечение и состоит из двух основных слоев: на­ружного — чешуйчатого и внутреннего — коркового. Чешуйки у пуха подобны кольцам с неровными краями, вставленными друг в друга. Корковый слой состоит из веретенообразных кле­ток фибриллярной структуры длиной 80—90 мкм. Клетки рас­положены вдоль оси волокна и склеены межклеточным веще­ством, которое при химических воздействиях распадается раньше, чем кератин веретенообразных клеток.

Веретенообразные клетки коркового слоя можно наблюдать под микроскопом, воздействовав на шерстяное волокно серной кислотой (Н25О₄).

У переходного волоса в отличие от пуха, кроме чешуйчатого и коркового слоев, имеется еще и третий слой — сердцевинный. Он находится в середине волокна и встречается лишь на корот­ких участках. Рыхлый сердцевинный слой заполнен пластинча­тыми клетками, лежащими одна над другой и расположенными перпендикулярно веретенообразным клеткам коркового слоя. Между ними имеются промежутки, заполненные воздухом (ва­куоли), жировыми веществами и пигментом.

Ость значительно толще и грубее пуха, почти не имеет изви­тости. Чешуйки, покрывающие волокно, имеют форму отдельных пластинок.

Наряду с чешуйчатым и корковым слоями ость содержит до­статочно развитый сердцевинный слой, проходящий по всей длине волокна.

Мертвый волос — наиболее грубое неизвитое волокно. Оно покрыто крупными пластинчатыми чешуйками и имеет узкое кольцо коркового слоя и очень большую сердцевину. Поперечное сечение ости и мертвого волоса имеет неправильную овальную форму.

Шелк, полученный при разматывании коконов шелкопряда, представляет собой тонкие нити. При рассмотрении коконной нити под микроскопом (рис. 2.10) отчетливо видно, что она со­стоит из двух элементарных нитей — шелковин, расположенных параллельно друг другу. Шелковины, состоящие из фиброина, склеиваются слоем серицина. Коконная нить неравномерна по толщине (при рассмотрении продольного вида наблюдаются складчатость, местные наплывы серицина), достаточно тонкая, в поперечном сечении имеет две шелковины в виде треугольни­ков со скругленными углами, склеенные между собой серици-ном

Рис. 2.10. Строение шелко­вых нитей:

а — шелк тутового шелкопряда; б — шелк дубового шелкопряда; 1,3 — коконная нить; 2 — нить обесклеенная (шелковина)

Рис. 2.11. Химические во­локна:

а — вискозное; б — ацетатное; в — капроновое, лавсановое (блестящее и матированное)

При разматывании коконов несколько коконных нитей склеиваются вместе в одну нить. Серицин придает нити жест­кость, поэтому шелк-сырец часто подвергают специальной обра­ботке для растворения серицина.

После обработки обесклеенный шелк содержит только фи-броиновые шелковины.

Вискозные волокна (рис. 2. И, а) имеют частые про­дольные полосы, представляющие собой грани зазубрин и изви­лин. Причина появления зазубрин — неодновременное отверде­ние вискозных струек по поперечному сечению при формо­вании волокна. Отвердение начинается с поверхности струйки, после чего застывшая твердая оболочка струйки стягивается постепенно затвердевающей внутренней массой. При рассмотре­нии поперечных срезов вискозных волокон обнаруживается не­равномерность структуры наружного и внутреннего слоев. Это объясняется тем, что при формовании структурные элементы (микрофибриллы), расположенные на поверхности струйки, ориентируются вдоль волокна в большей степени в результате трения о края отверстия фильеры, а микрофибриллы внутрен­него слоя ориентированы меньше.

У ацетатных волокон (рис. 2.11,6) также обнаружи­ваются характерные продольные полосы, правда, менее частые, чем у вискозных волокон. Поперечные срезы волокон имеют сложный контур с глубокими впадинами. Эти впадины возни­кают в результате испарения растворителя в процессе формова­ния волокон.

Синтетические волокна, формуемые из расплавов (капрон, лавсан и др.), имеют поперечное сечение круглой формы (рис. 2. 11, в). Строение волокон сравнительно однородно, поверхность довольно гладкая. Поскольку эти волокна при фор­мовании подвергаются сильному вытягиванию, различные неплотности и пузырьки газов, имеющиеся в их толще, образуют вытянутые в осевом направлении поры.

Для получения матированных (неблестящих) химических во­локон в растворы (или расплавы), из которых их формуют, до­бавляют мелкий порошок двуокиси титана (ТЮ₂). Частицы порошка, оказавшиеся на поверхности волокон, делают ее бо­лее шероховатой и рассеивают световые лучи, в результате чего блеск волокон уменьшается. При рассмотрении матированных волокон под микроскопом как на продольном, так и на попереч­ном срезе отчетливо видны мелкие черные точки — частички порошка ТiO₂.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Для изучения особенностей строения волокон готовят препараты продольного вида, просматривают их под микроскопом и делают зарисовки волокон. За­тем изучают препараты поперечных срезов волокон, которые вследствие трудоемкости методов их приготовления студенты получают готовыми. Про­сматривая препараты, делают зарисовки продольных видов и поперечных срезов волокон с кратким описанием их строения.

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: перечень основных частей микроскопа; схему хода лучей в микроскопе; определение и расчет основных оптических характери­стик микроскопа; зарисовки продольного и поперечного сечений волокон с кратким описанием особенностей их строения.