§ 1. Предварительные исследования микроволокон

Первичная дифференциация волокон проводится по их цвету. Для

этого можно использовать либо визуальное определение цвета, что

для микроволокон бывает достаточно трудно сделать, либо установле-

ние его соответствия определенному номеру (коду) по атласу цветов,

либо простое сопоставление сравниваемых объектов при одновремен-

ном исследовании в поле зрения микроскопа.

Человек с нормальным зрением различает в солнечном спектре до

160 цветовых оттенков. С этой точки зрения глаз человека является

весьма точным анализатором для дифференциации окрашенных воло-

кон. Простейший способ распознавания цвета состоит в сравнении во-

локон с эталонами, цветовые характеристики которых известны. Такое

исследование в контексте исследовании микрообъектов может быть

осуществлено с использованием оптических приборов. В качестве эта-

лонов могут использоваться цветовые таблицы или каталоги цветов.

Визуальное определение (сравнение) цвета носит субъективный ха-

рактер, что вызывает определенные трудности при формировании ре-

зультатов исследования1.

1 См.: Скобелева Г. А. О недостатках экспертизы единичных волокон // Экспертная

практика. М., 1983. Вып. 20. С. 84-88.

138

Повысить объективность исследования можно, используя при изуче-

нии окрашенных микроволокон устройство, позволяющее освещать их

монохроматическим светом с известной длиной волны. По сути, такое

исследование представляет собой простейший вариант спектрального

анализа в видимой зоне электромагнитного спектра, когда фиксатором

степени пропускания (отражения) света является глаз человека.

Параллельно с определением цвета волокон по характеру распре-

деления красителя (при его наличии) предположительно устанавлива-

ется и способ крашения.

Большинство природных волокон имеют тусклую окраску, а волокнооб-

разующие химические полимеры, как правило, бесцветны. Поэтому для

придания текстильным волокнам требуемого цвета и оттенка технологиче-

ская схема их получения и переработки включает в себя стадию окраски.

Способ крашения волокон, являющийся одним из дифференцирующих их

признаков, устанавливается на стадии предварительного исследования

микроскопическими методами по морфологическим признакам.

Для дифференциации способа крашения волокон по проявляющим-

ся признакам, помимо специфических вопросов исследования, необхо-

димо коснуться и тривиальных данных. Крашение текстильных мате-

риалов производится тремя основными методами: поверхностным краше-

нием, печатью и крашением в массе.

Поверхностное крашение сводится к погружению текстильного мате-

риала в раствор красителя. Распределение красителя по поверхности

волокна при таком способе обычно бывает равномерным. Возможен

переход одного цвета волокна в другой (при последовательном погру-

жении материала в ванны с красителями разного цвета) (рис. 6).

Крашение способом печати — нанесение на полотно текстильного

материала цветных рисунков с помощью печатных валиков. При микро-

скопическом исследовании таких волокон на их поверхности ясно раз-

личимы отдельные фрагменты красителя, распределенного неравно-

мерно (рис. 7)1.

Поверхностное крашение и печать используются для текстильных

материалов из любых волокон.

Крашение в массе применяется исключительно для химических во-

локон и сводится к введению красителей или пигментов в массу рас-

твора или расплава полимера. Частицы пигмента в некоторых случаях

могут быть обнаружены в виде нерастворимых в массе полимера конг-

ломератов неправильной формы (рис. 8). При введении в массу краси-

телей, т. е. растворимых веществ, волокно окрашено равномерно по

всему объему (рис. 9).

1 См.: Криминалистическое исследование волокнистых материалов и изделий из них.

Методическое пособие для экспертов. М., 1983. Вып. 1-4.; Текстильные волокна источник

розыскной и доказательственной информации. Ч. 1,2, 3. М., 1982.

139

Рис. 6. Волокно, окрашенное методом поверхностного крашения

Рис. 7. Волокно, окрашенное методом печати

Рис. 8. Волокно, окрашенное нерастворимым пигментом в массе

Рис. 9. Волокно, окрашенное растворимым красителем в массе

140

Морфология волокон, их микроструктура, проявляющаяся в макро-

свойствах и признаках, неразрывно связаны с их химическим строени-

ем и структурой волокнообразующего полимера. Текстильные волокна

состоят из органических высокомолекулярных соединений, содержащих

преимущественно линейные макромолекулы различной длины и соста-

ва, достаточно упорядоченно расположенные относительно друг друга

и более или менее ориентированные относительно оси волокна.

Наряду с общими закономерностями в строении, присущими любым

высокомолекулярным соединениям, для каждой разновидности волок-

нообразующего полимера характерна своя, специфическая ориентация

макромолекул (надмолекулярная структура), что и определяет, в конеч-

ном счете, фихико-механические, химические свойства, а также мор-

фологические особенности внешнего и внутреннего строения каждого

вида волокна. Эти характеристики полимеров (волокон) формируются

на стадии их промышленного получения и определяются условиями,

технологическими особенностями, а в ряде случаев и случайными от-

клонениями от технологического регламента производства.

Для натуральных волокон морфологические признаки определяются

ботаническими (натуральные волокна растительного происхождения)

особенностями тех растений, из которых они вырабатываются, или

биологическим (натуральные волокна животного происхождения) про-

исхождением (шерсть, шелк).

Природные волокна имеют индивидуальное морфологическое

строение, и установление их вида с помощью микроскопического ис-

следования не вызывает каких-либо существенных трудностей. Иное

дело — химические волокна, которые, в большинстве своем, не обла-

дают характерным, определяющим вид полимера, морфологическим

строением.

Макроморфология внешнего строения химических волокон и их оп-

тические свойства обусловлены структурными особенностями макро-

молекул и формируются в процессе формования (получения). Эти

свойства и признаки зависят от многих факторов технологического и

случайного характера. При формовании из расплава или раствора по-

сле выхода струек полимера из фильеры (отверстия) образуется про-

межуточный продукт, который подвергается дальнейшей обработке

с получением конечного волокна. При этом формируются как микро-,

так и макроструктура волокон. Решающими моментами здесь являются

такие гидродинамические процессы, как скорость движения массы по-

лимера в каждой точке формуемой нити, скорость растяжения нити,

изменение температуры, концентрации полимера и растворителя вдоль

пути формования. В своей совокупности эти процессы индивидуальны

для каждого производства и могут обусловливать формирование не

только узко групповых, но и индивидуальных признаков волокна.

141

Для исследователя, проводящего родовую (групповую) дифференциа-

цию или определяющего общую видовую, общую родовую (групповую)

принадлежность волокон, знание этих свойств имеет особое значение,

так как эти задачи возможно решить только на основе выявления при-

знаков морфологии строения. Особенность предварительного исследо-

вания заключается в том, что во многих случаях дифференцирующие

признаки выражены недостаточно явно для их выявления без примене-

ния специального оборудования, а специалист не обладает знанием

многих нюансов проявления оптических свойств микроволокон. Это ог-

раничивает возможность решения классификационных задач — уста-

новление вида волокнообразующего полимера. В практическом плане

более реализуемо решение задачи установления общей родовой, а

в отдельных случаях и групповой принадлежности объектов, на основе

системы последовательно выявляемых общих (родовых и групповых)

морфологических признаков сравниваемых волокон.

На стадии предварительного исследования с помощью оптической

микроскопии возможно определение формы поперечного сечения (оп-

ределяется формой, размерами фильер, их дефектами), наличие ра-

диальной неоднородности (определяется технологическими парамет-

рами получения и процессами структурообразования при

формировании надмолекулярной структуры волокнообразующего по-

лимера) и микро- и макропористости (возникает при испарении раство-

рителя в процессе получения волокна).

Существенным признаком, нередко позволяющим дифференциро-

вать волокна, является наличие и распределение в массе волокна дву-

окиси титана (матирующего вещества) и пигментов (крашение в массе).

Картина распределения этих компонентов изучается по всей длине во-

локна. Технологически одинаково выработанными волокнами считают-

ся те, у которых на единицу длины на всех уровнях толщины приходит-

ся равное количество зерен наполнителя или пигментов (рис. 10),

в отличие от неравномерно распределенного (рис. 8).

Особо значимыми признаками общей групповой принадлежности

химических волокон служат производственные дефекты и поврежде-

ния, возникающие при эксплуатации изделия.

Встречающимся дефектом синтетических волокон является изменение

его структуры, вызываемое присутствием низкомолекулярных соедине-

ний, в результате выделения (испарения) которых у волокна образуют-

ся неправильной формы выросты и пустоты. Наличие и одинаковая

степень выраженности этих дефектов может свидетельствовать о при-

надлежности сравниваемых волокон к одной партии продукции (общая

групповая принадлежность), так как эти дефекты относятся к категории

случайно возникающих технологических особенностей (рис.11).

142

Большинство химических волокон имеет неодинаковую плотность

упаковки макромолекул в поверхностных слоях и сердцевине. Это яв-

ление обусловлено разными условиями структурообразования указан-

ных участков элементарных нитей при формовании.

Оболочку волокон, отличающуюся от сердцевины надмолекулярной

структурой, принято называть ориентационной рубашкой. На наличие

ориентационной рубашки, прежде всего, указывает пунктирная исчер-

ченность, расположенная крест-накрест вдоль оси волокна (рис. 12).

Однако, справедливости ради, следует отметить, что два последних из

приведенных признаков встречаются крайне редко.

Наряду с оптическими свойствами, присущими всем физическим телам,

волокна, подобно кристаллам, обладают еще одним особым свойством

— анизотропией, т. е. различием оптических свойств среды в зависи-

мости от направления распространения в ней оптического светового

излучения и его поляризации. Оптическая анизотропия проявляется

в изменении элиптичности поляризации света, дихромизме, двойном

лучепреломлении и др1.

Сущность оптической анизотропии текстильных волокон проявляет-

ся в различии скоростей распространения световой волны в разных

направлениях, что связано с химическим строением макромолекул во-

локнообразующих полимеров и их надмолекулярной структурой, ориен-

тированной преимущественно в одном направлении (вдоль оси волок-

на). Свойства оптической анизотропии волокон проявляются в их

интерференционной окраске, возникающей при прохождении через об-

разец поляризованного света.

Интерференционная картина (окраска) — регулярное чередование

областей повышенной и пониженной интенсивности света. При прохож-

дении монохроматического поляризованного света через анизотропный

объект интерференционная картина будет представлена чередующи-

мися светлыми и темными участками. Интерференционная окраска

возникает при прохождении через анизотропный объект белого (поли-

хроматического) света (рис.13)

Механизм возникновения интерференционной картины при прохож-

дении через анизотропную среду поляризованного света достаточно

сложен и рассматривается в соответствующем курсе физики — оптике.

Он основан на таких свойствах света, как поляризация, интерференция,

когерентность и др.

1 Криминалистическое исследование волокнистых материалов и изделий из них: метод, пособие для экспертов. Вып. 1-4. М., 1983.

143

Рис. 10. Вискоза матированная (освещение проходящим светом

по методу светлого поля)

Рис. 11. Волокно полиамида с признаками выделения низкомолекулярных веществ

(освещение проходящим светом по методу светлого поля

Рис, 12. Волокно вискозы с ярко выраженной исчерченностью ориентационной рубашки

(освещение проходящим светом по методу светлого поля)

Рис. 13. Интерференционная окраска волокна вискозы в поляризованном свете

при скрещенных поляризаторе и анализаторе

144

Приведенные свойства химических волокон позволяют, при наличии

соответствующих справочных данных, проводить их классификацию

с разделением на натуральные и химические, а также сравнительное

исследование без выделения вида волокнообразующего полимера.

Согласно общей схеме исследования единичных волокон вначале

проводится их дифференциация по внешним признакам: цвету, внеш-

нему виду и характеру поверхности.

В зависимости от вида освещения для исследования волокон ис-

пользуют следующие методы:

— светлого поля в проходящем и отраженном свете, применимые

практически к любым волокнам, представляющим собой препараты,

у которых различные участки неодинаково поглощают или отражают свет;

— темного поля в проходящем свете для исследования неокрашен-

ных волокон, когда структурные особенности плохо различимы при на-

блюдении в светлом поле;

— метод изучения волокон в поляризованном свете, используемый

для выявления структурных особенностей неокрашенных и слабоокра-

шенных неоднородных прозрачных объектов;

— метод люминесцентной микроскопии, применяющийся при иссле-

довании бесцветных и окрашенных волокон.

Оптические методы исследования волокон в проходящем и отра-

женном свете по методу темного и светлого поля используются в ос-

новном для родовой дифференциации природных волокон, морфоло-

гические признаки внешнего строения которых очевидны.

При известных навыках специалист на стадии предварительного ис-

следования уже только по внешнему виду может различить волокна

хлопка, льна, пеньки, шерсти и шелка (натуральные волокна).

Для химических волокон оптическая микроскопия дает возможность

выявить лишь признаки, присущие всем химическим волокнам:

— основной цвет, его насыщенность и оттеночность;

— блеск или его отсутствие за счет матирования;

— микроморфологическое строение поверхности, обусловленное

способом формования волокна: наличие продольных борозд (полос),

штриховатости и др.;

— толщину волокна.

Установив, что исследуемые волокна относятся к химическим, на

этой стадии можно классифицировать их по внешним признакам на че-

тыре множества:

1. Матированные гладкие бесструктурные волокна.

2. Матированные с продольными полосами или штрихами (царапи-

нами).

3. Блестящие гладкие бесструктурные.

4. Блестящие с продольными полосами или штрихами.

145

На стадии предварительного исследования обычно невозможно точ-

но установить тип волокнообразующего полимера по признакам его

морфологического строения. Однако для установления общей родовой

принадлежности волокон бывает вполне достаточно и тех методов и

средств, которые доступны исследователю, работающему не в специ-

альной лаборатории физико-химического анализа.

Для этого волокна с совпадающими признаками, выявленными на ста-

дии оптической микроскопии, подвергаются исследованию в поляризован-

ном свете. Совпадение интерференционных окрасок в поляризованном

полихроматическом свете или полос интерференции в поляризованном

монохроматическом свете дает веские основания к предположительному

выводу об их общей родовой принадлежности (для установления их

общей групповой принадлежности необходимо кроме этого проведение

исследований по виду красителя и его классификации).

При изучении волокон в поляризованном свете при их предвари-

тельном исследовании возможна упрощенная схема, при которой не

определяются количественные характеристики двойного лучепрелом-

ления, а проводится только качественная оценка интерференционной

окраски при различных взаиморасположениях поляризатора, анализа-

тора и волокна.

От обычных микроскопов поляризационные отличаются тем, что в их

оптическую схему введены линейный поляризатор, преобразующий

обычный свет в поляризованный и анализатор, которые последова-

тельно расположены на одной оптической оси. Обычно интерференци-

онную окраску определяют при следующих взаимных расположениях

поляризатора и анализатора:

1) их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны — схема не

пропускает свет (установка на гашение);

2) их плоскости взаимно параллельны;

3) при скрещенных поляризаторе и анализаторе волокно или его

участок расположено под углом 45°.

Одним из вариантов микроскопии, применяющейся при исследовании

бесцветных и окрашенных в светлые тона волокон, является люминес-

центная микроскопия, представляющая собой разновидность люминес-

центного анализа. Например, шерстяные волокна обладают свойством

светиться при обычной температуре под действием ультрафиолетового

света.

Таким образом, методы светопольной, поляризационной и люми-

несцентной микроскопии дают возможность определения качественных

признаков волокна, которые используются при установлении родовой, а

в дальнейшем и групповой принадлежности объектов волокнистой при-

роды.

146

Существенным по значимости сравниваемым признаком волокна

является величина показателя светопреломления, которая зависит от

его текстуры. При установлении же вида волокна точное определение

показателя преломления лишено смысла, так как эта величина зависит

от очень многих факторов. Однако при сравнительном исследовании

с целью установления общей родовой (общей групповой) принадлеж-

ности волокон совпадение (несовпадение) этого показателя в совокуп-

ности с другими характеристиками повышает достоверность получен-

ных результатов и обоснованность выводов.

Для измерения показателя светопреломления волокон применяется

рефрактометрия. Одним из вариантов рефрактометрии является им-

мерсионный метод Бекке, заключающийся в определении интервала

значений показателя преломления света волокном при использовании

иммерсионных жидкостей.

Рефрактометрический метод дает возможность судить о величине

светопреломления в поверхностных слоях волокна, наиболее подвер-

женных воздействию эксплуатационных факторов, что наиболее важно

при проведении сравнительного исследования.