Никольская С.А., Циркина О.Г. Химическое строение и свойства текстильных волокон

Подождите немного. Документ загружается.

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 дисципли-

ны «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

ТЕКСТИЛЬНЫЕ ВОЛОКНА

1. Классификация

По происхождению все текстильные волокна делятся на при-

родные 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 уг-

лерода другие атомы – О, N). Схема классификации представлена

на рис. 1.

Рис. 1. Классификация текстильных волокон

На текстильном рынке в настоящее время доминируют цел-

люлозные (хлопок, лен, вискоза) волокна. Однако постоянно растет

выпуск химических и в первую очередь синтетических волокон, ко-

торые по объему производства приблизились к хлопку. Из синтети-

ческих самыми динамично развивающимися являются полиэфир-

ные волокна. Они занимают второе после хлопка место, затем идут

полиамидные и полиакрилонитрильные. Динамика мирового про-

изводства 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 полиэфир-

ных волокон.

2. Структура волокон

Независимо от своего происхождения все текстильные волок-

на являются высокомолекулярными соединениями (имеющими

большую молекулярную массу), полимерами (состоящими из мно-

гократно 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.

Второй уровень – надмолекулярная структура, которая харак-

теризует взаимодействие между макромолекулами, различные виды

структурных образований макромолекул.

Третий уровень – микроструктура, которая показывает харак-

тер внешней и внутренней поверхности волокон.

2.1. Молекулярная структура

Молекулярная структура волокна (первичная структура) ока-

зывает первостепенное влияние на формирование надмолекулярной

и микроструктуры волокна.

Молекула полимера построена из многократно повторяющих-

ся звеньев (остатков мономеров), соединенных ковалентными свя-

зями. Рассмотрим, например, образование полимера полипропиле-

на из мономера пропена.

пропилен

остаток

мономера

мономер

(

)

...

n CH

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 ха-

рактеристики волокна, поскольку, во-первых, они зависят от сум-

марного 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 макро-

молекул. Цепь может состоять из одинаковых звеньев

(–А–А–А–А–) – гомополимеры и разных – сополимеры с регуляр-

ным (–А–Б–В–А–Б–В–) и случайным (–А–А–Б–А–В–В–) чередова-

нием различных звеньев.

Приведенные схемы соответствуют линейным полимерам

(

), кроме них существуют разветвленные

(

) и редкосшитые, сетчатые полимеры – шерсть,

ПВС (

). Из трех видов полимеров наибольшей гиб-

костью 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 конфор-

мацию. Так в кристаллических областях они чаще всего имеют вы-

тянутую, а в аморфных – изогнутую и складчатую формы. При из-

менении внешних условий возможны конформационные переходы.

2.2. Надмолекулярная структура

Макромолекулы в полимере взаимодействуют между собой.

Формы и интенсивность этого взаимодействия зависят от химиче-

ского строения макромолекул и условий формирования волокна. В

результате взаимодействия формируется надмолекулярная структу-

ра волокна. Для всех текстильных волокон она носит фибрилляр-

ный характер. Отдельные макромолекулы, взаимодействуя друг с

другом с помощью сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, обра-

зуют ассоциаты – фибриллы. Внутри фибриллы структура неодно-

родна: участки с плотной, упорядоченной структурой – кристалли-

ческие – перемежаются с рыхлой, менее упорядоченной структурой

– аморфной. Соотношение кристаллических и аморфных областей

(степень кристалличности) определяет многие химические, физико-

химические и физико-механические свойства волокон.

Кристаллиты – наиболее плотные и наименее доступные для

диффузии жидкостей структурные зоны волокна, поэтому подав-

ляющая часть процессов отделочного производства не затрагивает

кристаллических областей. Для этого понадобились бы очень жест-

кие (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 отли-

чаются 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 физико-

химические превращения, связанные с отделкой текстильных мате-

риалов, протекают в аморфных зонах волокна. Белящие агенты,

красители и другие ТВВ диффундируют и сорбируются в аморф-

ных зонах.

2.3. Микроструктура

Характеристика микроструктуры волокон включает в себя

форму поперечного сечения волокна , равномерность или неравно-

мерность 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).

Рис. 4. Формы поперечного сечения хлопкового волокна:

а- незрелого, б- зрелого

В силу специфики произрастания (природные) или производ-

ства (химические) волокна имеют структурную неоднородность по

сечению волокна, что выражается наличием слоев структуры с раз-

ной 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 огром-

ное влияние на его диффузионную проницаемость и сорбционную

способность. Наибольшую внутреннюю поверхность имеют нату-

ральные и искусственные волокна. Неразвитая внутренняя поверх-

ность синтетических волокон является причиной их низкой диффу-

зионной проницаемости. Поэтому обработка таких материалов в

отделочном производстве ведется при высоких температурах, пре-

вышающих температуру стеклования волокна. В этом случае воз-

никает свободный объем, через который и обеспечивается диффу-

зия в волокно красителей и других отделочных препаратов.

ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ ВОЛОКНА

1. Классификация

Целлюлозные волокна – наиболее распространённые тек-

стильные волокна, в основе которых лежит природный полимер

целлюлоза.

Все целлюлозные волокна делятся на природные и искусст-

венные. Среди природных наибольшее значение имеют хлопок и

лён (значительно реже используются джут, кенаф, пенька, рами, си-

заль). Эти волокна отличаются друг от друга по морфологическому,

надмолекулярному строению, а также по количеству и составу

примесей. Так, элементарное зрелое хлопковое волокно представ-

ляет собой одну клетку – плоскую сужающуюся к концам ленту,

закрученную по спирали (рис. 5). В поперечнике выделяются пер-

вичная, 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 во-

локна 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 услови-

ях химических предприятий из высококачественной древесины.

Древесную целлюлозу сначала растворяют с помощью какого-либо

химического реагента (в зависимости от типа волокна), а затем рас-

твор продавливают через фильеры и выходящие струи направляют

в осадительную ванну, где они затвердевают и превращаются в во-

локно. Поперечное сечение волокна зависит в основном от условий

производства. Искусственные волокна практически не имеют при-

родных примесей.

2. Молекулярное строение целлюлозы

Целлюлоза – природный полимер класса полисахаридов (уг-

леводов), широко распространённый в природе (стебли растений,

стволы деревьев, семяна).

Элементарным звеном целлюлозы является

β-D-глюкопираноза, в основе целлюлозы лежит дисахарид – целло-

биоза.

Элементарные звенья соединены между собой

β-глюкозидными связями, каждое последующее звено повёрнуто

относительно предыдущего на 180

В каждом элементарном звене целлюлозы содержится по три

спиртовые (гидроксильные) группы. Они играют очень важную

роль в химических взаимодействиях целлюлозного волокна с кра-

сителями и др. реагентами, используемыми в химической отделке

текстильных материалов. Поэтому их называют активными

центрами целлюлозного волокна.

Степень полимеризации целлюлозы наиболее высокая у при-

родных 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. Макромо-

лекулы целлюлозы взаимодействуют между собой за счёт сил Ван-

дер-Ваальса и образования водородных связей между гидроксиль-

ными группами (рис. 6). Большая протяжённость этого взаимодей-

ствия объясняет тот факт, что целлюлоза нерастворима в воде, хотя

является гидрофильным веществом.