Строение и свойства шерстяного волокна

Шерсть относится к природным белковым волокнам и является продук­том жизнедеятельности животных, образуя их волосяной покров, который служит для защиты животного от негативного воздействия окружающей сре- ' ды. В текстильной промышленности наибольшее использование получила шерсть овец, меньшее - козья, кроличья и верблюжья. Шерсть имеет непре­взойденные теплоизоляционные, упруго-эластические и эстетические свой­ства.

Гидролитическое расщепление под действием растворов кислот и ще­лочей показало, что шерсть главным образом построена из остатков 23 раз­личных а-аминокислот, соединенных между собой, согласно исследованиям А.Я.Данилевского и Э.Фишера полипептидной связью . Аминокислоты выделенные из белков, за исключением глицина, являются оптически актив­ными, так как содержат асимметрический атом углерода.

Полипептидная цепь кератина шерсти образуется повторением группи­ровок ... — HN-CH-CO-NH-CH-CO- . ..; на концах ее расположены

I I

R, Ri

группы -NH₂ и СООН. Остов цепи имеет зигзагообразную форму, вследст­вие свойственного углеродному атому направления валентностей к верши­нам тетраэдра. Полипептидная цепь характеризуется боковыми цепями, со­стоящими из различных радикалов (R) алифатического, ароматического или циклического характера и составляющих до 45% массы кератина. Природа радикалов определяет значение изоэлектрической зоны (рН=3.4), физико- химические и другие свойства белков.

Кератин шерсти является фибриллярным белком и характеризуется структурами:

-первичной, показывающей последовательность расположения амино­кислотных остатков в полипептидной цепи;

-вторичной, определяющей конформацию единичной полипептидной

цепи.

На основании рентгеноструктурного анализа Л.Полинг в 1951 г. при­шел к выводу, что полипептидным цепям белков свойственна форма правой а-спирали, так как она является наиболее энергетически выгодной и стабильной формой. Для а-спирали характерна предельно плотная упаковка скрученной полипептидной цепи. На каждый виток спирали приходится 3.6 аминокислотных остатков, шаг спирали равен 0.54 нм.

-третичной, характеризующей расположение в пространстве ориенти- рованнных друг относительно друга а-спиралей или участков спирали между которыми возникают меж- и внутримолекулярные водородные, Ван-дер- Ваальсовые, солевые, ковалентные и гидрофобные взаимодействия.

Шерстяное волокно имеет очень сложное морфологическое и гистоло­гическое строение. В зависимости от расположения относительно кожи жи­вотного различают следующие участки: луковицу, корень и стержень.

Шерстяное волокно построено из значительного числа отдельных кле­ток, отличающихся между собой по форме, размерам, составу и свойствам. Волокно состоит из чешуйчатого (кутикула) и коркового (кор- текс) слоев и имеет выраженную природную извитость в результате его дву­дольного строения, наличия орто- и параклеток в корковом слое. Извитость уменьшается с повышением толщины волокна свыше 40-50 мкм. Третий- сердцевинный слой присутствует в грубых мертвых волокнах. Кутикулярные клетки имеют очень сложное строение и состоят из тон­чайшей клеточной мембраны, экзо- и эндокутикулы, последние построены из белков кератиновой и некератиновой природы. Роль кутикулы трудно переоценить. При полном ее удалении шерстяное волокно приобретает иные свойства: шелковый блеск, полную несвойлачиваемость, резко изменяются фрикционные свойства и прядильная способность, возрастает скорость диф­фузии красителей. Каждая клетка кутикулы ограничена мембраной и соеди­нена с другой клеткой межклеточным веществом - клеточно-мембранный комплекс (КМбК), который имеет гидрофильный характер и практически не содержит цистина, только немного цистеиновой кислоты. Он состоит из мембран соседних клеток и заключенного между ними межклеточного веще­ства.

Таблица 1 - Содержание гистологических элементов в мериносовом волокне, %массы сухого волокна

	Керати-	Некерати-	Небелко­	Общее
Компонент	новый	новый	вое	количество,
	белок	белок	вещество	%
Кутикула				10.0-10.2
Эпикутикула	0.22
Экзокутикула	6.4-6.6
Эндокутикула		3.4-3.6
Кортекс				86.0-86.7
Макрофибрилла				73.0-74.1
Микрофибриллы	35.6
Матрица	38.5
Клеточные ядра
или внутримак-
рофибриллярное		12.6-13.0
вещество
КМбК				3.3 (около4)
Растворимые
белки КМбК		1.0
Стойкая мем­
брана*	1.5
Липиды			0.8

Поверхностная часть мембраны называется эпикутикулой и обладает повышенной химической устойчивостью. По составу она отличается от внут­реннего слоя, имеет толщину 5-10 нм и выполняет защитную функцию.

Существует несколько моделей строения эпикутикулы: слоистая, в ко­торой бимолекулярная липидная прослойка расположена между двумя слоя­ми белкового, кератинового вещества и мозаичная, представляющая собой бимолекулярную прослойку липидов с вкрапленными в нее глобулярными белковыми веществами кератиновой природы. Однако ни одна из них полно­стью не соответствует строению эпикутикулы. Состав липидов сложен и со­держит до 80 различных компонентов, таких как холестерин, холестерол, высшие жирные кислоты, амфифильные фосфо- и гликолипиды, стерины, а также разнообразные нейтральные липиды. Амфифильные (ди- фильные) липиды, в отличие от нейтральных, содержат большую полярную головку. Это дает высокую водоотталкивающую способность, низкую поверхностную энергию (35-49 мН/м) шерстяному волокну. Состояние липи­дов КМбК оказывает большое влияние на химические и механические свой­ства шерсти. Поверхностные липиды влияют на структуру волокна и являют­ся наиболее вероятной причиной изменения цвета шерстяного волокна в процессе роста. Желтизна шерсти вызвана взаимодействием липидов, распо­ложенных на поверхности волокна с окружающей средой .

Под эпикутикулой находится слой экзокутикулы, состоящий из двух слоев: тонкого внешнего инертного «а»-слоя — это сильно сшитый кератин, в котором каждый третий аминокислотный остаток цистин. Это очень густая поперечная сетка, служащая барьером для диффузии крупных молекул внутрь волокна;

собственно экзокутикулы, расположенной слоем толщиной около 0.3 мкм вдоль и на концах чешуек. Это белок с высокой гидрофобностью, устой­чивый к действию кислот и щелочей.

Под экзокутикулой идет слой эндокутикулы толщиной примерно 0.3 мкм. Эндокутикула - это слой некератинового белка, практически не содер­жащего серы, гидрофильного, легко растворяющегося в кислотах и щелочах, сильно набухающего в воде, не устойчивого к действию ферментов.

Кортекс находится под кутикулой, составляет основную массу волокна и определяет основные свойства шерсти. Кортекс образован совокупностью большого числа отдельных удлиненных веретенообразных клеток, достаточ­но плотно прижатых друг к другу, направленных параллельно оси волокна, длиной 50-100 мкм и шириной 3-6 мкм и сцементированных матриксом или межклеточным веществом. Клетки кортекса построены из плотно располо­женных цилиндрических нитеобразных макрофибрилл, которые состоят из микрофибрилл. В образовании микрофибрилл участвуют 11 протофибрилл, 9 из которых располагаются по окружности и 2- в центре. Протофибриллы — это скрученные между собой 2 или 3 а-спиральные цепи.

Способность шерсти вступать в химические реакции определяется пер­вичной структурой (химическим строением), а скорость и глубина протека­ния зависят также и от диффузионной проницаемости волокна, то есть от надмолекулярной и гистологической структуры. Химическое строение обусловливает гидрофильные свойства шерсти, которые проявляются в высокой ее гигроскопичности (влагопоглощение до 17% при относительной влажности воздуха 65%) и значительной набухаемо- стью в воде до 36%, что связано с большим содержанием в кератине поляр­ных -NHi, -CONH,-ОН,-СООН групп.

Шерсть обладает значительным сродством к воде. Водоотталкивающие свойства, главным образом, зависят от природы поверхности волокон. Ад­сорбция жидкости, вызывающая набухание, происходит преимущественно внутри волокна, и его диаметр возрастает приблизительно на 17.5%, а длина всего на 1.2-1.8%. Высокая несминаемость и эластичность шерсти обуслов­ливается системой, состоящей из высокоэластичной внутренней части и прочного, относительно малорастяжимого внешнего слоя.