Лекция 2. "Текстильные волокна"

На самостоятельную проработку. 1. Способы получения натуральных и химических волокон, а также хим. состав и характеристики строения. 2. Способы получения нитей и пряжи

1. Волокна и нити. Классификация волокон и нитей.

Элементарное волокно и нити - не делятся в продольном направлении без разрушения.

Текстильное волокно - протяженное, гибкое и прочное тело с малым поперечным сечением, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи.

Текстильная нить - протяженное, гибкое и прочное тело с малым поперечным сечением, значительной длины, насчитывающей несколько десятков и сотен метров.

Из текстильных волокон изготавливают в процессе прядения пряжу, а из текстильной нити комплексные нити.

Классификация текстильных волокон и нитей. По происхождению текстильные волокна делятся на натуральные и химические.

К натуральным относятся волокна, формируемые в природе без участия человека, и состоящие из (гетероцепных) природных высокомолекулярных. Делятся на растительные волокна и волокна животного происхождения.

Химические волокна и нити делятся на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна и нити получают из высокомолекулярных соединений растительного и животного происхождения, путем их химической переработки.

Синтетические волокна изготавливают из высокомолекулярных соединений, полученных реакций поликонденсации (гетероцепные) или полимеризации (карбоцепные).

2. Химический состав, строение и способы получения волокон

Хлопковое волокно.1. Хлопковое волокно до 98% состоит из полимера - -целлюлоза, nevотносящийся к классу полисахаридов. Элементарные звенья целлюлозы - C₆Н₁₀О₅ с помощью глюкозидной связи (кисл. мостики) -О- соединяются в линейные циклоцепные макромолекулы,

Характерная особенность -целлюлозы наличие в одном звене макромолекулы 3-х гидроксильных групп -ОН, что оказывает существенное влияние на гигиенические свойства волокна

Степень кристалличности целлюлозы хлопковых волокон около 70%.

Волокно хлопка имеет трубчатое строение. Толщина стенок и извитость волокна зависят от степени зрелости, которая определяется отношением наружного и внутреннего диаметров волокна - Z = D/d. Наиболее пригодные для изготовления материалов считаются волокна хлопка со степенью зрелости 2,5-3,5. В зависимости от вида хлопчатника и места произрастания, длина волокна может составить: до 27 мм - коротковолокнистый; 27-35 - средневолокнистый; 35-50 мм - длинноволокнистый.

Льняное волокно. Льняное волокно получают из растения лен-долгунец, путем механического выделения волокна из стебля растения. В основе льняного волокна также -целлюлоза. Однако, степень кристалличности целлюлозы у льняных волокон составляет 80-85% что определяет более высокую упорядоченность (ориентацию) макромолекул в полимере, и как следствие, более высокую чем у хлопка прочность.

Элементарное волокно льна имеет веретенообразную форму с узким каналом по середине. Длина волокна льна колеблется в пределах 10-24 мм, поперечник 12-20 мкм (мкм=10^-6м). Элементарные волокна льна соединяются в пучки при помощи пектиновых веществ (пектиновая кислота и др. соединения) и лигнина (Лигнин - ВМС содержащие метоксилы -O-CH₃). В пучке от 15-30 элементарных волокон, а в стебле от 20-25 пучков. Выделенные из стебля пучки элементарных волокон образуют технические волокна, длина которых составляет 170-250 мм, а поперечное сечение 150-250 мкм.

К волокнам животного происхождения относятся шерсть и шелк.

Шерстяное волокно. Получают из овец, коз, лам и др. Основным полимерным веществом шерсти является белок кератин - 90%. Макромолекулы белков, и в том числе кератина, состоят из остатков -аминокислот соединенных в полипептидные цепи ковалентными связями

...HN — CH — СОNH — CH — CO ...
	R1		R2

пептидная (она же карбоамидная)

Белки кератин, фиброин, коллаген и другие, отличаются друг от друга составом радикала R. Количество видов остатков аминокислот в полимерной цепи белка для разных волокон различно и колеблется от 20 до 45.

У волокон шерсти их насчитывается до 20. Макромолекулы белка имеют спиралевидную форму. Между группами -СО- и -NH- смежных витков образуются связи (полипептидные). Три макромолекулы белка кератина, свитые в единую спираль, образуют протофибриллу. 11 протофибрилл образуют микрофибриллу. Микрофибриллы группируются в макрофибриллы.

Макрофибриллы агрегируются в кортикалные клетки. Кортикальные клетки составляют основу волокна шерсти.

Волокно шерсти состоит из чешуйчатого слоя - 1, коркового - 2 и сердцевинного - 3. Чешуйчатый слой выполняет защитную функцию. Корковый слой состоит из фибрилл кератина соединенных между собой межклеточным веществом. Сердцевина волокна состоит из высохших пластинчатых клеток расположенных перпендикулярно фибриллам коркового слоя и заполнены воздухом. По характеру строения (точнее по степени зрелости) шерстяное волокно делят на четыре типа: пух, переходный волос, ость, мертвый волос.

Пух - состоит из чешуйчатого и коркового слоя. Короткий, сильно извитый, поперечное сечение (поперечник) волокна - 14-25 мкм.

Переходный волос - содержит чешуйчатый, корковый слои и слаборазвитую сердцевину, малая извитость, поперечник волокна - 25-35 мкм.

Ость - имеет все три слоя, поперечник 35-50 мкм. Мертвый волос - имеет чешуйчатый и сердцевинный слои, поперечник - более 50 мкм.

Шелковое волокно. Шелковые волокна получают из коконов тутового или дубового шелкопряда. Основа - макромолекулы белка фиброина. Степень кристалличности фиброина выше, чем у кератина. Макромолекулы фиброина образуют микрофибриллы, которые в свою очередь образуют фибриллы. Фибриллы имеет продольную ориентацию относительно волокна. Две элементарные нити шёлка скреплены между собой клеящим белковым веществом - серицином. Прочность шелка выше, чем у шерсти.

Гидратцеллюлозные волокна и нити. Сырьем для производства гидратцеллюлозных волокон является целлюлоза с содержанием до 90-98 % -целлюлозы. Формирование нитей осуществляется из щелочного раствора (вискозные нити) или медно-аммиачного раствора (медно-аммиачные нити) - одно или двухванным способом в осадительной ванне, содержащей серную кислоту и ряд других реагентов. Степень кристалличности гидратцеллюлозы 40-50 %.

Вискозные волокна делят, в зависимости от технологии получения и физической модификации на: обычные, высокопрочные, высокомодульным, полинозное (с высокой пластифицирующей вытяжкой) - волокна по свойствам приближаются к натуральным волокнам. Химическая прививка мономеров полиакрилонитрила придает волокну - мтилон шерстоподобность.

Медно-аммиачные волокна по своим физико-механическим свойствам аналогичны вискозным, но обладают меньшей прочностью и удлинением.

Ацетилцеллюлозные волокна и нити получают из -целлюлозы путем её ацетилирования смесью уксусного ангидрида, уксусной и серной кислот, в результате которого получают триацетат целлюлозы [C₆Н₇О₂(ОСОСН₃)₃]_n. При последующем частичном омылении триацетата получают диацетат целлюлозы [C₆Н₇О₂(ОСОСН₃)₂ОН]_n, который используется для получения ацетатных (диацетатных) нитей. Нити формируют из растворов сухим способом. Ацетатные волокна обладают низкими гигроскопическими свойствами. Триацетатные волокна имеют высокую упругость, сохраняют форму в изделие, не усаживаются при влажной и тепловой обработке, устойчивы к действию микроорганизмов, светостойкостью и высокими диэлектрическими свойствами.

Ацетатные и триацетатные волокна и нити термопластичны. При температура 140-150 ^oС (ацетатное) и 180-190 ^oС (триацетатные волокна и нити начинают размягчатся, а при температурах соответственно 230^оС и 290^оС плавятся с разложением.

Белковыми искусственными волокнами и нитями являются казеиновые (белок молока) и зеиновые (белок растительного происхождения). По гигроскопичности и деформации эти волокна приближаются к шерстяным волокнам, но при увлажнении прочность их резко падает.

Полиамидные волокна и нити. Макромолекулы полиамидов представляют собой участки повторяющихся метиленовых групп [-CH₂-]_n, соединенных амидными группами -CONH. Степень полимеризации (80-200) и степень кристалличности 40-60 %. Нити получают из расплава. Разновидности полиамидных нитей: капрон, анид - найлон-6,6, энант - найлон 7. Нити устойчивы к многократному изгибу и превышают этот показатель в 100 раз - визкозных и в 10 раз - хлопковых. Имеют высокую устойчивость истиранию и превышают: в 10 раз - хлопковые волокна. Гигроскопичность волокон и нитей - 3,5-5%. Теплостойкость волокон до 160^оС. Имеют малый коэффициент трения ввиду гладкости поверхности и малую светостойкость.

Модифицированные полиамидные волокна - каприлон и мегалон (прививка сополимеров содержащих гидроксильные группы) позволяет повысить гидрофильность волокон и нитей до 5-7% и не уступают хлопку.

Полиэфирные волокна и нити получают из полиэфиров - полиэтилентерафталата с числом звеньев макромолекул 85-120. Из расплава получают

волокно - лавсан. Волокна малосминаемы, устойчивы к истиранию, более устойчивы к светопогоде, имеют низкую гигроскопичность. Разработанная структурно модифицированная нить шелон-2 - тонковолокнистая, шелкоподобная, тканям придает малоусадочные и малосминаемые свойства и хорошие гигиенические свойства.

Полиуретановые нити - вырабатывают из гетероцепных полимеров, макромолекулы которых содержат уретановую группу -NH-COO-. Наличие дополнительного атома кислорода в уретановой группе обуславливает повышенную гибкость цепи и более низкую температуру плавления по сравнению с полиамидами. Полиуретановые нити - спандекс из растворов и расплавов сухим и мокрым способами. Нити обладают высоким до 800% растяжением и придают материалам высокую эластичность, формоустойчивость, несминаемость и устойчивость к истиранию в 20 раз большую, чем у резиновых нитей. Нити устойчивы к светопогоде и химическим реагентам, однако прочность их невысока. При нагревании до 150 ^оС разлагаются, желтеют, повышается жесткость.

Полиакрилонитрильные (ПАН) волокна и нити (нитрон) получают из полиакрилонитрила и его сополимеров

Нити имеют максимальную светостойкость, достаточно высокую прочность и растяжимость, устойчивы к действию длительного нагрева при 120-130 ^оС. Волокна имеют шерстоподобный вид, инертность к загрязнениям, воздействию кислот, воды и т.п. В результате модификаций улучшается окрашиваемость волокна, повышается гидрофильность, эластичность, устойчивость к истиранию и многократному изгибу.

Поливинилхлоридные волокна и нити получают их карбоцепного полимера поливинилхлорида (ПВХ)

[- CH₂-CHCl -]_n

Однако применение его затруднено из-за ограниченного числа растворителей. Проведение дополнительного хлорирования ПВХ позволяет получить перхлорвинил, который хорошо растворяется в органических растворителях и из него получают перхлорвиниловые волокна - хлорин. Хлориновые волокна обладают достаточно высокой прочностью, инертны ко многим химическим реагентам, накапливают статическое электричество, имеют низкую термостойкость 90-100 ^оС, эксплуатация изделий возможна до температур 70 ^оС, гидрофобны. Сополимеризация с нитроцеллюлозой - волокно винитрон, а с винилиденхлоридом - совиден.

Полиолефиновые волокна и нити получают из полиэтилена среднего и низкого давления [- CH₂ - CH₂ -]_n

и полипропилена

Полиолефиновые волокна формуют из расплава и растворов с последующей вытяжкой и термофиксацией. Волокна и нити имеют низкую гигроскопичность и теплостойкость до 80^о С, высокую устойчивость к действию щелочей, кислот и др. агрессивных сред. Использование их для изготовления текстильных полотен возможно только совместно с другими волокнами, обладающими гигроскопическими свойствами.

4. Волокнистый состав, строение и способы получения нитей.

Для производства текстильных полотен применяют пряжу, комплексные нити и мононити.

Химический состав пряжи и комплексной нити определяется волокнистым составом из которых они изготовлены.

Пряжей - называют нити, состоящие из волокон ограниченной длины, соединенных скручиванием.

Комплексные волокна (нити) - состоят из двух и более элементарных волокон (нитей), соединенных между собой скручиванием или склеиванием.

Трощеная нить - состоит из двух и более продольно сложенных нитей, не соединённых между собой круткой.

Мононить - одиночная нить, которая не делится в продольном направлении без разрушения, пригодная для непосредственного использования в текстильных материалах. Диаметр мононити значительно превосходит диаметр элементарной нити.

Пряжа.

По волокнистому составу пряжа может быть однородной и смешанной. Однородная пряжа состоит из волокон одного химического состава; смешанная - из смеси волокон разного химического состава. Смешением отрицательные качества одних волокон компенсируются положительными качествами других, т.е. получают нити с заданными свойствами.

По строению различают пряжу однониточную, и крученую.

Однониточная пряжа образуется на прядильных машинах путем скручивания элементарных волокон.

Крученая пряжа образуется на крутильных машинах и по способу кручения подразделяется на однокруточную, многокруточную, фасонную, армированную, текстурированную.

Фасонная пряжа состоит из сердцевинной нити, которую обвивает нагонная нить большей длины, чем сердцевинная. Нагонная нить может образовывать по длине сердцевинной нити равномерно расположенные спирали.

Армированная пряжа имеет сердечник (чаще всего из комплексных химических нитей), обвитый снаружи хлопковыми, шерстяными или штапельными химическими волокнами.

Текстурированная пряжа обладает увеличенным объемом, пористостью, пушистостью, мягкостью и высокой растяжимостью.

Получают: - из разноусадочных волокон

- аэродинамическим способом

Комплексные нити

По волокнистому составу комплексную нить, как и пряжу, делят на однородную и смешанную.

Крученые комплексные нити бывают одно-, двух- и многокруточные.

При скручивании комплексной нити с пряжей получают крученые комбинированные нити.

Нити фасонной крутки

Текстурированные нити

5. Характеристики строения волокон и нитей.

Текстильные волокна и нити.

Длина волокна. - l, мм, - расстояние между концами распрямленного волокна.

Высота волокна Н, мм, - расстояние между концами не распрямленного волокна.

Толщина волокна и нити. характеризуют косвенными показателями.

Линейная _плотность - Т, текс = мг/м,

T = m / l ,

где m - масса волокна или нитей, мг; l - длина волокна или нити, м.

Если принять поперечное сечение волокна или нити близким к круглой форме, можно определить их условный диаметр d_усл, мм.

где  - плотность вещества волокна, г/см ³ .

Таблица 2.2

Показатели строения и свойств текстильных волокон

Волокно	Степень полимеризации	Плотность г/см3	Линейная плотность,
натуральные
Хлопковое	5000-6000	1,52	0,2
Льняное элементарное	20 000-30 000	1,5	0,3
техническое	Нет св.	Нет св.	5
Шерстяное	600-700	1,32	0,33
Шелковое	300	1,37	0,13
искусственные
Вискозное обычное	300-350	1,5-1,52	0,33-0,5
высокопрочное	400-450	1,48-1,5	0,33-0,5
Полинозное	500-550	Нет св.	Нет св.
Ацетатное	300-400	1,32	0,2-0,5
Триацетатное	300-400	1,28	Нет св.
Казеиновое	Нет св.	Нет св.	0,3-0,6
синтетические
Полиамидное (капроновое,амид)	100-200	1,14	0,17-0,3
Полиэфирное (лавсан)	100-150	1,3	0,17-0,3
Поливинилхлоридное хлорин	800-1000	1,6	0,17-0,3
винитрон	Нет св.	1,6-1,75	0,17-0,3
Полиакрилонитрильное (нитрон)	1000-2000	1,16-1,18	0,12-0,3
Поливинилспиртовое (винол)	1000-2000	1,30-1,31	0,12-0,3
Полиэтиленовое	Нет св.	0,94-0,96	0.12-0,3
Полипропиленовое	1900-5900	0,91	0,12-0,3
Полиуретановое (спандекс)	Нет св.	1,10-1,25