оригинальный документ PDF

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Ивановская государственная текстильная академия"
Кафедра химии
ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
ТЕКСТИЛЬНЫХ ВОЛОКОН
Методические указания
для студентов технологических специальностей
Иваново 2003
Методические указания разработаны для изучения дисциплины «Химическая технология текстильных материалов» студентами
технологических специальностей. В них рассмотрены химическое
строение и свойства текстильных волокон.
Составители: канд. техн. наук, доц. Никольская С.А.,
канд. техн. наук, доц. Циркина О.Г.
Научный редактор канд. хим. наук, проф. Л.А. Гарцева
2
ТЕКСТИЛЬНЫЕ ВОЛОКНА
1. Классификация
По происхождению все текстильные волокна делятся на природные и химические. Химические производятся на химических
предприятиях из натурального (искусственные) и синтетического
(синтетические) сырья. По строению главных цепей макромолекул
синтетические волокна делятся на карбоцепные (построенные
только из атомов углерода) и гетероцепные (содержащие кроме углерода другие атомы – О, N). Схема классификации представлена
на рис. 1.
Рис. 1. Классификация текстильных волокон
3
На текстильном рынке в настоящее время доминируют целлюлозные (хлопок, лен, вискоза) волокна. Однако постоянно растет
выпуск химических и в первую очередь синтетических волокон, которые по объему производства приблизились к хлопку. Из синтетических самыми динамично развивающимися являются полиэфирные волокна. Они занимают второе после хлопка место, затем идут
полиамидные и полиакрилонитрильные. Динамика мирового производства волокон дана на рис. 2.
Рис. 2. Динамика мирового производства
текстильных волокон
Важной тенденцией в ассортименте текстильных материалов
является увеличение выпуска смешанных тканей и, прежде всего,
смесей из природных (хлопок, шерсть) и синтетических полиэфирных волокон.
2. Структура волокон
Независимо от своего происхождения все текстильные волокна являются высокомолекулярными соединениями (имеющими
большую молекулярную массу), полимерами (состоящими из многократно повторяющихся звеньев). Свойства текстильных волокон
зависят от их структуры. Структура волокна имеет три уровня.
Первый уровень – молекулярная структура, которая включает
химическое строение и геометрию отдельных макромолекул и их
звеньев.
4
Второй уровень – надмолекулярная структура, которая характеризует взаимодействие между макромолекулами, различные виды
структурных образований макромолекул.
Третий уровень – микроструктура, которая показывает характер внешней и внутренней поверхности волокон.
2.1. Молекулярная структура
Молекулярная структура волокна (первичная структура) оказывает первостепенное влияние на формирование надмолекулярной
и микроструктуры волокна.
Молекула полимера построена из многократно повторяющихся звеньев (остатков мономеров), соединенных ковалентными связями. Рассмотрим, например, образование полимера полипропилена из мономера пропена.
n CH2 CH
CH3
мономер
...
CH2
CH CH2 CH
CH3
CH3
остаток
мономера
CH2
CH CH2
CH
CH3
CH3
...
( CH2 CH ) n
CH3
пропилен
Молекулярная масса полимера равна произведению массы
элементарного звена (остатка мономера) и степени полимеризации
(n). Природные полимеры (кроме фиброина шелка) отличаются от
химических высокой степенью полимеризации. Это обусловлено
ограниченной возможностью приготовления прядильных растворов
и расплавов определенной вязкости, позволяющих продавливать их
через фильеры.
От величины молекулярной массы зависят прочностные характеристики волокна, поскольку, во-первых, они зависят от суммарного межмолекулярного взаимодействия а во вторых, прочность
волокна является функцией микродефектов в волокне, а каждый
конец молекулы является дефектом структуры.
Общим для всех полимеров является цепное строение макромолекул. Цепь может состоять из одинаковых звеньев
(–А–А–А–А–) – гомополимеры и разных – сополимеры с регуляр5
ным (–А–Б–В–А–Б–В–) и случайным (–А–А–Б–А–В–В–) чередованием различных звеньев.
Приведенные схемы соответствуют линейным полимерам
), кроме них существуют разветвленные
(
(
) и редкосшитые, сетчатые полимеры – шерсть,
ПВС (
). Из трех видов полимеров наибольшей гибкостью обладают, конечно, линейные.
Макромолекулы линейных, разветвленных и редкосшитых
полимеров могут иметь различные формы конформаций
(рис. 3).
Рис. 3. Различные формы конформаций макромолекул
полимера:
1- вытянутая; 2- складчатая; 3- статический клубок; 4- глобула;
5- α-спираль
В различных надмолекулярных структурных зонах одного и
того же полимера макромолекулы могут иметь различную конформацию. Так в кристаллических областях они чаще всего имеют вытянутую, а в аморфных – изогнутую и складчатую формы. При изменении внешних условий возможны конформационные переходы.
2.2. Надмолекулярная структура
Макромолекулы в полимере взаимодействуют между собой.
Формы и интенсивность этого взаимодействия зависят от химического строения макромолекул и условий формирования волокна. В
результате взаимодействия формируется надмолекулярная структу6
ра волокна. Для всех текстильных волокон она носит фибриллярный характер. Отдельные макромолекулы, взаимодействуя друг с
другом с помощью сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, образуют ассоциаты – фибриллы. Внутри фибриллы структура неоднородна: участки с плотной, упорядоченной структурой – кристаллические – перемежаются с рыхлой, менее упорядоченной структурой
– аморфной. Соотношение кристаллических и аморфных областей
(степень кристалличности) определяет многие химические, физикохимические и физико-механические свойства волокон.
Кристаллиты – наиболее плотные и наименее доступные для
диффузии жидкостей структурные зоны волокна, поэтому подавляющая часть процессов отделочного производства не затрагивает
кристаллических областей. Для этого понадобились бы очень жесткие (температура, рН среды, концентрация реагентов) условия. Все
процессы деструкции волокна также начинаются с более рыхлых
аморфных областей и только затем переходят в кристаллиты.
Аморфные участки не гомогенны по своей структуре и отличаются по степени ориентации макромолекул, по их конфигурации
(вытянутые, изогнутые, складчатые). Все дефекты, физическая и
химическая неоднородность полимеров сосредотачиваются в
аморфных областях. Практически все химические и физикохимические превращения, связанные с отделкой текстильных материалов, протекают в аморфных зонах волокна. Белящие агенты,
красители и другие ТВВ диффундируют и сорбируются в аморфных зонах.
2.3. Микроструктура
Характеристика микроструктуры волокон включает в себя
форму поперечного сечения волокна, равномерность или неравномерность надмолекулярной структуры по сечению и пористость.
Поперечное сечение природного волокна зависит в основном
от его природы и зрелости. Так, незрелое хлопковое волокно имеет
форму овала, а зрелое – боба (рис. 4).
7
Рис. 4. Формы поперечного сечения хлопкового волокна:
а- незрелого, б- зрелого
В силу специфики произрастания (природные) или производства (химические) волокна имеют структурную неоднородность по
сечению волокна, что выражается наличием слоев структуры с разной степенью ориентации и плотности упаковки макромолекул.
Так, хлопковое волокно имеет отличные друг от друга первичную и
вторичную стенки волокна, шерстяное – чешуйчатый и корковый
слой и т.д.
Внутренняя поверхность волокна (пористость) имеет огромное влияние на его диффузионную проницаемость и сорбционную
способность. Наибольшую внутреннюю поверхность имеют натуральные и искусственные волокна. Неразвитая внутренняя поверхность синтетических волокон является причиной их низкой диффузионной проницаемости. Поэтому обработка таких материалов в
отделочном производстве ведется при высоких температурах, превышающих температуру стеклования волокна. В этом случае возникает свободный объем, через который и обеспечивается диффузия в волокно красителей и других отделочных препаратов.
ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ ВОЛОКНА
1. Классификация
Целлюлозные волокна – наиболее распространённые текстильные волокна, в основе которых лежит природный полимер
целлюлоза.
8
Все целлюлозные волокна делятся на природные и искусственные. Среди природных наибольшее значение имеют хлопок и
лён (значительно реже используются джут, кенаф, пенька, рами, сизаль). Эти волокна отличаются друг от друга по морфологическому,
надмолекулярному строению, а также по количеству и составу
примесей. Так, элементарное зрелое хлопковое волокно представляет собой одну клетку – плоскую сужающуюся к концам ленту,
закрученную по спирали (рис. 5). В поперечнике выделяются первичная, вторичная (80% от массы) стенки и внутренний канал. В
первичной стенке фибриллы расположены более хаотично, чем во
вторичной.
Рис. 5. Вид зрелого хлопкового волокна
В отличие от хлопковых, элементарные веретёнообразные волокна льна скрепляются срединными пластинками по 15-30 штук в
лубяной пучок.
Хлопковое волокно содержит до 96% целлюлозы, а льняное –
до 78%, таким образом, в льняном волокне больше примесей.
Искусственные целлюлозные волокна производятся в условиях химических предприятий из высококачественной древесины.
Древесную целлюлозу сначала растворяют с помощью какого-либо
химического реагента (в зависимости от типа волокна), а затем раствор продавливают через фильеры и выходящие струи направляют
в осадительную ванну, где они затвердевают и превращаются в волокно. Поперечное сечение волокна зависит в основном от условий
производства. Искусственные волокна практически не имеют природных примесей.
9
2. Молекулярное строение целлюлозы
Целлюлоза – природный полимер класса полисахаридов (углеводов), широко распространённый в природе (стебли растений,
стволы деревьев, семяна).
Элементарным
звеном
целлюлозы
является
β-D-глюкопираноза, в основе целлюлозы лежит дисахарид – целлобиоза.
n.
Элементарные
звенья
соединены
между
собой
β-глюкозидными связями, каждое последующее звено повёрнуто
относительно предыдущего на 180о.
В каждом элементарном звене целлюлозы содержится по три
спиртовые (гидроксильные) группы. Они играют очень важную
роль в химических взаимодействиях целлюлозного волокна с красителями и др. реагентами, используемыми в химической отделке
текстильных материалов. Поэтому их называют активными
центрами целлюлозного волокна.
Степень полимеризации целлюлозы наиболее высокая у природных волокон (у хлопкового 10000-15000, у льняного до 36000) и
значительно ниже у искусственных (300-800). Это сказывается на
прочностных показателях волокна.
3. Надмолекулярное строение целлюлозы
Целлюлоза имеет сложную надмолекулярную структуру, для
которой характерна ярко выраженная фибриллярность. Макромолекулы целлюлозы взаимодействуют между собой за счёт сил Вандер-Ваальса и образования водородных связей между гидроксильными группами (рис. 6). Большая протяжённость этого взаимодействия объясняет тот факт, что целлюлоза нерастворима в воде, хотя
является гидрофильным веществом.
10
Рис. 6. Схема образования внутри- и межмолекулярных водородных связей в целлюлозном волокне
Степень кристалличности целлюлозного волокна зависит от
его природы. Большую степень кристалличности имеют природные
волокна: хлопок – до 70%, лён – до 85%. Высокая степень кристалличности обуславливает низкую растворимость этих волокон
(только в водных растворах комплексных солей некоторых металлов). Искусственные волокна имеют меньшую степень кристалличности – 40-50% и растворяются в щелочных растворах.
4. Химические свойства целлюлозных волокон
Действие воды.
Целлюлоза – гидрофильное вещество, т.к. содержит гидроксильные группы, взаимодействующие с водой с образованием водородных связей. Вода проникает в аморфные участки волокна и
взаимодействует со свободными гидроксильными группами и
группами, разорвавшими связи с другими макромолекулами волокна. Природные целлюлозные волокна, имеющие высокую степень
кристалличности, взаимодействуют с водой менее эффективно, чем
искусственные, и, как следствие, меньше набухают в ней и не теряют прочность в мокром состоянии (она даже несколько увеличивается). Искусственные волокна в мокром состоянии теряют до 5060% прочности.
Действие кислот.
Глюкозидные связи между элементарными звеньями целлюлозы не устойчивы к действию кислоты, так как подвержены гидролизу. В результате снижается степень полимеризации целлюлозы
и, как следствие, прочность волокна. Ошибочно думать, что кисло11
та разрывает сразу все глюкозидные связи. Она в первую очередь
действует на поверхностные участки волокна, а затем на внутренние, прежде всего в аморфных зонах. Скорость гидролиза, а следовательно, и степень повреждения волокна зависят от силы кислоты
(соляная > азотная > серная > фосфорная > щавелевая > муравьиная
> уксусная > борная), её концентрации, от температуры и времени
процесса. Обработку текстильных материалов кислотой в отделочном производстве проводят в условиях, не допускающих снижение
прочности волокна.
Действие щелочей.
Разбавленные растворы щелочей при обычных температурах
не вызывают изменения целлюлозы. При высоких температурах
щёлочь выступает как катализатор окислительной деструкции волокна, в результате чего снижается его прочность.
Концентрированные растворы щёлочи при обычных температурах не разрушают природные целлюлозные волокна. Более того,
при обработке в натянутом состоянии они улучшают их свойства
(гигроскопичность, накрашиваемость, прочность и т.д.), что используется в специальной операции отделки – мерсеризации, разработанной английским исследователем Мерсером.
Искусственные целлюлозные волокна растворяются в концентрированных растворах щёлочи.
Действие окислителей.
Каждое элементарное звено целлюлозы содержит три гидроксильные группы, способные окисляться до альдегидных, кетонных и карбоксильных, после чего следует разрыв глюкозидных связей, что приводит к снижению степени полимеризации волокна, а
следовательно, и его прочности. Степень окислительной деструкции, так же как и степень гидролиза, зависит от природы окислителя и условий проведения процесса.
В отделочном производстве окислители используют в процессах беления для удаления окрашенных примесей волокна. Условия
подбираются такими, чтобы свести к минимуму повреждение волокна.
Действие микроорганизмов.
В условиях повышенной влажности в целлюлозном волокне
развиваются микроорганизмы – плесневые грибы, бактерии, которые разрушают текстильный материал. Разработаны специальные
виды отделок, защищающие волокно от биодеструкции.
12
Действие температуры.
Целлюлоза весьма чувствительна к нагреву. Она не относится
к термопластичным материалам и поэтому не плавится. Разрушение волокна в присутствии кислорода начинается уже при температуре 160-180оС, при 400оС происходит самовозгорание волокна. В
отделке целлюлозных материалов иногда используется кратковременный нагрев до 200оС.
5. Особенности строения и свойств ацетатных волокон
Элементарным звеном ацетатного волокна является не
β-D-глюкопираноза, а её уксуснокислый эфир (ацетат). В ацетатных
волокнах гидроксильные группы частично заменены на эфирные, а
в триацетатных – практически полностью.
Ацетатные волокна, как и любые эфиры, чувствительны к
гидролизу, который наиболее эффективно протекает в щелочах
(омыление) и менее в кислотах. Концентрированными щелочами
при низких температурах и разбавленными при высоких ацетилцеллюлозу можно полностью перевести в гидратцеллюлозу.
Гидрофильность ацетатных волокон ниже целлюлозных, что
объясняется меньшим количеством гидроксильных групп. По гидрофильности они занимают промежуточное положение между целлюлозными и синтетическими. Как следствие более низкой гидрофильности отличительными свойствами ацетатных волокон являются: 1 – меньшее набухание в воде и меньшая потеря прочности в
мокром состоянии, чем у гидратцеллюлозных волокон; 2 – повышенная электризуемость.
К воздействию окислителей и микроорганизмов ацетатные
волокна устойчивее целлюлозных волокон.
Ацетатные волокна термопластичны, что приближает их к
синтетическим волокнам. При 180-190оС они начинают деформироваться, а при 230-290о – плавиться с разложением.
БЕЛКОВЫЕ ВОЛОКНА
Белковыми называют волокна животного происхождения, в
основе которых лежит природный полимер-белок. Наибольшее
13
значение имеют шерсть и шёлк, искусственные белковые волокна
(из казеина молока или бобов) не нашли практического применения.
1. Шерсть
Наиболее важным белковым волокном в практическом отношении является шерсть различных животных (овец, коз, верблюдов, ламы и т.д.).
В отличие от целлюлозных волокон шерстяное обладает
сложным морфологическим строением. В элементарном волокне
шерсти выделяют три слоя: чешуйчатый, корковый, сердцевинный.
Каждому слою соответствует своя разновидность клеток, отличающихся по форме, размеру, составу и свойствам. Чешуйчатый
слой представляет собой внешнюю защитную оболочку волокна
(рис. 7). Основную массу волокна (90%) составляет внутренний
корковый слой, образованный совокупностью веретёнообразных
клеток, соединённых межклеточным веществом. Сердцевинный
слой характерен только для волокон грубой шерсти, он представляет собой внутренний канал, заполненный высохшими клетками и
воздухом.
Рис.7. Микрофотография поверхности шерстяного волокна
1.1. Молекулярное строение кератина
Макромолекулы белка построены из остатков α-аминокислот
(мономеры), соединённых между собой пептидной связью. Схема14
тично реакцию образования пептида из
представить следующим образом:
α-аминокислот можно
где R1, R2, Rn – остатки α-аминокислот
,
В кератине шерсти обнаружено 19 остатков α-аминокислот
(R1-R19), содержащих различные функциональные группы (активные центры), способные взаимодействовать как между собой, так и
с отделочными препаратами – -OH, -NH2, -SH, -COOH. Отличительной особенностью шерсти является наличие в ней атомов серы.
Последовательность соединения аминокислот в кератине пока не
установлена.
Макромолекула кератина имеет конформацию спирали, которая стабилизируется внутримолекулярными взаимодействиями активных центров, в основном за счёт образования водородных связей между –СО– и –NН– группами соседних витков спирали
(рис. 8). Такая форма макромолекулы в значительной степени определяет упругоэластические свойства шерстяного волокна: спираль, как пружина, растягивается при деформационных нагрузках и
возвращается в исходное положение после их снятия.
Рис. 8. Схема α-спирали полипептидной цепи
15
1.2. Надмолекулярное строение кератина
Надмолекулярное строение шерстяного волокна очень сложное (рис. 9). Три макромолекулы (1), взаимодействуя между собой с
помощью активных центров (при этом образуются связи ковалентные
дисульфидные
–S–S–,
водородные,
солевые
+
NH3 COO ), объединяются в протофибриллу (2), имеющую вид
трёхжильного троса (рис. 9а). 11 протофибрилл (9 по окружности и
2 в центре) образуют микрофибриллу (рис. 9б). Микрофибриллы в
свою очередь объединяются в макрофибриллы, из которых и построена клетка.
Рис.9. Модель строения прото- и микрофибриллы
кератина шерсти
Множество клеток, пространство между которыми заполнено
межклеточным аморфным веществом, образует основной корковый слой волокна. Дополнив его защитным чешуйчатым слоем, получаем представление об элементарном волокне шерсти
(рис. 10).
Рис. 10. Схема строения волокна шерсти
16
Фибриллы неоднородны в продольном направлении, в них чередуются участки с более и менее интенсивным взаимодействием
между элементами структуры. Это приводит к чередованию кристаллических и аморфных зон волокна. Чешуйчатый слой, в отличие от коркового, имеет более плотную структуру и соответственно
обладает меньшей диффузионной проницаемостью, что затрудняет
проникновение красителей и др. отделочных препаратов в основную часть волокна.
1.3. Химические свойства шерсти
Амфотерные свойства кератина.
Амфотерные свойства кератина обусловлены наличием в его
макромолекуле как кислотных (–СООН) так и основных (–NH2)
функциональных групп. В воде шерстяное волокно ионизируется и
в зависимости от pН среды приобретает избыточный положительный или отрицательный заряд:
Н+
ОН+
Н3N-Вол.-СООН ↔ +NH3-Вол.-СОО- ↔ H2N-Вол.-СООв кислой среде
в воде
в щелочной среде
Действие воды и пара.
Большое содержание в кератине активных групп, взаимодействующих с водой (-NН2, -ОН), обуславливает высокую гигроскопичность шерстяного волокна. Оно имеет самое наибольшее влагопоглощение (17%) среди всех волокон. Под действием воды
шерсть интенсивно набухает, а длительное кипячение или пропаривание волокна приводит к его разрушению, что сказывается на потере массы.
Действие кислот.
В отличие от целлюлозы шерсть более устойчива к действию
кислот.
Разрыв пептидных связей протекает в более жёстких условиях (концентрация, температура, время), чем разрыв глюкозидных.
Действие щелочей.
В отличие от целлюлозы шерсть менее устойчива к щелочам.
Она растворяется уже в 3%-ном горячем растворе щёлочи. Разрушение протекает по трём направлениям, разрываются пептидные
17
связи в макромолекуле, а также солевые и дисульфидные, объединяющие макромолекулы между собой.
Действие окислителей.
Кератин шерсти чувствителен к действию окислителей, которые атакуют пептидные и дисульфидные связи и снижают механическую прочность волокна. Это необходимо учитывать при выборе
окислителя и условий процесса беления.
Иногда обработку окислителем проводят специально для частичного разрушения чешуйчатого слоя волокна с целью повышения
его диффузионной проницаемости – операция хлорирования шерсти (обработка гипохлоритом).
Действие восстановителей.
Наличие дисульфидных связей в шерстяном волокне делает
его чувствительным к действию восстановителей. Разрушение этих
связей сопровождается ухудшением физико-механических свойств
шерсти.
Действие температуры.
Шерсть – одно из самых термочувствительных волокон. Она
начинает терять физико-механические свойства уже в процессе
сушки при 100оС. Волокно становится жёстким и теряет прочность,
однако последующее увлажнение практически возвращает шерсть к
исходным свойствам. Длительное нагревание шерсти при температуре выше 105оС приводит к необратимому повреждению волокна.
2. Шёлк
Волокно натурального шёлка является единственным природным волокном неклеточного строения. Шёлк является продуктом
жизнедеятельности насекомого тутового или дубового шелкопряда.
Через специальные железы, выполняющие роль фильеры, червь
выпускает две бесконечные шёлковые нити (белок фиброин), покрытые снаружи и скреплённые шёлковым клеем (белок серицин).
В организме насекомого фиброин и серицин находятся в жидком
состоянии. Пройдя через железы, белки отверждаются и служат материалом для кокона. Активность гусеницы как прядильщицы продолжается 24-72 часа, затем гусеница превращается в куколку, а
далее в бабочку.
Человек использует коконы для производства натурального
шёлка. Для этого куколки подвергаются специальной тепловой об18
работке, облегчающей размотку кокона. После размотки получают
шёлк-сырец (75% фиброина и 25% серицина), который проходит
все стадии механической переработки – кручение, прядение, ткачество. На стадии отделки серицин удаляют, и готовые текстильные
материалы содержат только фиброин.
Фиброин, так же как и кератин, построен из остатков αаминокислот. В отличие от кератина, основная часть полипептидной цепи фиброина (87% по массе) построена из трех аминокислот,
две из которых (75% по массе) имеют очень простое строение (аланин и глицин). Макромолекулы фиброина имеют складчатую форму.
Участки макромолекул с более простым аминокислотным составом, взаимодействуя между собой, образуют кристаллические
зоны волокна с плотной упаковкой макромолекул. Фрагменты с более сложными аминокислотами формируют более рыхлые аморфные области. Поскольку макромолекулы фиброина имеют менее
разветвлённое строение по причине более простого аминокислотного состава, степень кристалличности шёлкового волокна выше,
чем шерстяного, и составляет 40-60%.
По своим химическим свойствам шёлк мало отличается от
шерсти. Фиброин проявляет амфотерные свойства. Он также прекрасно впитывает влагу, интенсивно набухает в воде, теряет прочность при кипячении, более устойчив к действию кислоты и менее
– к щёлочи. Имея более плотную структуру и не имея дисульфидных связей, фиброин более, чем кератин, устойчив к действию
окислителей. Вместе с тем шёлк – одно из самых нестойких к свету
волокон. Шёлк, в отличие от шерсти, не разрушается восстановителями, т.к. у него нет дисульфидных связей и более термически устойчив: термодеструкция наступает при температуре 240-280оС.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА
Все синтетические волокна получают на химических предприятиях в результате реакции полимеризации. Раствор или расплав полимера продавливают через фильеры, выходящие струи направляют в осадительную ванну, где происходит их затвердевание
и превращение в волокнистый полимер. Свойства его определяются
химическим строением и условиями формирования волокна.
19
Так же как и природные волокна, синтетические построены в
основном из углерода и водорода и, кроме того, могут содержать
азот (полиамидные, полиакрилонитрильные), кислород (полиэфирные), хлор (полихлорвиниловые), фтор (фторсодержащие).
Для синтетических волокон характерна более низкая степень
полимеризации, чем для природных. Это объясняется ограниченной возможностью приготовления прядильных растворов и расплавов определённой вязкости, позволяющей продавливать их через
фильеры.
Все синтетические волокна отличаются высокой степенью
кристалличности. Это обуславливает хорошие прочностные показатели, а с другой стороны, низкую гигроскопичность. Гигроскопичность синтетических волокон ниже таковой природных волокон.
Это одновременно недостаток (для тканей бытового назначения) и
достоинство (для технических тканей). Низкая гигроскопичность
обусловлена не только плотной упаковкой макромолекул, но и отсутствием или меньшим количеством гидрофильных групп. Следствием гидрофобности является плохая накрашиваемость и высокая электризуемость синтетических текстильных материалов.
Отличительным свойством синтетических волокон является
термопластичность – способность деформироваться при нагревании. При высоких температурах они переходят в высокоэластическое состояние, увеличивается их внутренняя поверхность (количество и размер пор). Таким образом, создаются условия для эффективного проникновения красителя вглубь волокна, что и используется в процессах крашения.
Недостатки синтетических волокон и прежде всего низкая накрашиваемость устраняются путём модификации волокон. Модификация предполагает введение в структуру полимера из основного
мономера небольшого количества (до 15%) другого мономера. Так,
например, классические полиэфирные волокна содержат только
мономер этилентерефталат HOCH2CH2OOC
COOCH2CH2OH
, а мо-
дифицированные кроме него 4-10% по массе диметилизофталаO
та
H3CO
C
C
OCH3
. Этот мономер имеет более объёмную
O
структуру, что снижает уровень межмолекулярного взаимодейст20
вия, волокно становится более эластичным и способным окрашиваться. Новый мономер разрыхляет структуру волокна и вводит в
него активные центры, способные взаимодействовать с красителями.
Полиэфирные (ПЭ) волокна (другие названия – лавсан, дакрон) являются доминирующими среди синтетических на
мировом текстильном рынке. Это обусловлено их ценными свойствами. Высокая прочность и хемостойкость делает ПЭ волокна незаменимыми в производстве технических изделий: транспортёрных
лент, приводных ремней, канатов, тентов, парусов, бензо- и нефтестойких шлангов, электроизоляционных материалов и фильтров.
Полиэфирные волокна не только очень прочные, но и очень
эластичные, что обеспечивает высокую формоустойчивость изделий из них, превосходящую таковую изделий из шерсти – самое
формоустойчивое из природных волокон.
ПЭ волокна наиболее термостойкие из всех волокон. Они гораздо устойчивее многих других (например полиамидных) к действию светопогоды, поэтому в большом объёме используются в производстве гардинного полотна, занавесей.
ПЭ волокна хорошо совместимы с другими волокнами, поэтому основная их часть используется в смеси с шерстью, хлопком,
льном, вискозным волокном для выработки плательных, костюмных, пальтовых, постельных, сорочечных тканей, обладающих повышенной износостойкостью (вклад полиэфирных волокон) и высокими санитарно-гигиеническими свойствами (вклад натуральных
или искусственных волокон).
Второе место после полиэфирных по объёму выпуска среди
синтетических занимают полиамидные (ПА) волокна (другие названия – капрон, найлон, анид, антрон). Это большая группа волокон, в основных цепях содержащих многократно повторяющиеся
амидные группы –СО–NH–. Такие же группы (пептидные) имеют и
белковые волокна (шерсть, шёлк), но их свойства сильно отличаются от свойств полиамидных волокон, имеющих низкую гигроскопичность.
По физико-механическим свойствам (прочность при растяжении, к истиранию, к ударным нагрузкам) капрон превосходит все
природные и химические волокна. Он широко используется в технике как шинный корд и в резинотехнических изделиях. В быту используется в производстве тканей и трикотажа.
21
Всё возрастающее значение приобретают полиакрилонитрильные (ПАН) волокна (другие названия – нитрон, куртель, акрилен, верен). В основе их лежит мономер акрилонитрил CH2 CH2 ,
CN
но гомополимерное волокно обладает комплексом отрицательных
свойств – полная ненакрашиваемость, жёсткость, высокая электризуемость. Поэтому в настоящее время выпускают волокна на основе сополимеров акрилонитрила с другими мономерами.
ПАН волокна по гигроскопичности занимают промежуточное
положение между натуральными волокнами и синтетическими. По
своим физико-механическим свойствам они близки к шерсти, поэтому часто используются взамен или в смеси с ней при производстве верхнего трикотажа. Кроме того, эти волокна применяются для
изготовления одеял, пледов, портьерных и мебельных тканей.
В качестве высокоэластичных волокон в текстильной промышленности используют полиуретановые волокна (спандекс).
Эти волокна содержат уретановые группы –NH–СО–О–, между которыми включаются гибкие блоки с молекулярной массой
500-5000, не содержащие полярных групп. Полиуретановые волокна, наподобие каучука, способны растягиваться на 600-800% без
заметной потери прочности с практически мгновенным возвращением в исходное состояние. На рис. 11 представлена схема растяжения волокна спандекс.
Рис. 11. Модели структуры невытянутого (а) и вытянутого
на 500% (б) волокна спандекс
Волокна типа спандекс выпускаются в виде непрерывной нити
и реже в штапельной форме. Часто полиуретановая нить оплетается
22
нитями из хлопка, вискозного или полиамидного волокна. Такие
нити используются в производстве трикотажа и тканей, применяемых для изготовления блузок, плащей, спортивных костюмов, колготок и т.д. Наиболее известное полиуретановое эластомерное волокно – лайкра.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: Учеб. для вузов в 3 т. М., 2000. – Т.1.
2. Мельников Б.Н. и др. Прогресс текстильной химии. –М.: Легпромбытиздат, 1988.
3. Балашова Т.Д. и др. Краткий курс химической технологии волокнистых материалов. –М.: Легкая и пищевая промышленность,
1984.
4. Балашова Т.Д. и др. Отделка шелковых тканей. –М.: Легпромбытиздат, 1986.
5. Новородовская Т.С., Садов С.Ф. Химия и химическая технология
шерсти. - М.: Легпромбытиздат, 1986.
6. Мельников Б.Н. и др. Физико-химические основы процесса отделочного производства. –М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.
23
Химическое строение и свойства текстильных волокон
Методические указания
для студентов технологических специальностей
Составители:
Светлана Августовна Никольская
Ольга Германовна Циркина
Научный редактор Л.А. Гарцева
Редактор Т.В. Лукьянова
Корректор И.Н. Худякова
Лицензия ИД №06309 от 19.11.2001. Подписано в печать
21.06.2003.Формат 1/16 60х84 Бумага писчая. Плоская печать.
Усл.печ.л. 1,40. Уч.-изд.л. 1,33. Тираж 50 экз. Заказ №
__________________________________________________________
Редакционно-издательский отдел Ивановской государственной текстильной академии
Участок оперативной полиграфии ИГТА
153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 21
24