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.-СОО^-

в 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 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 100^оС. Волокно становится жёстким и теряет прочность, однако последующее увлажнение практически возвращает шерсть к исходным свойствам. Длительное нагревание шерсти при температуре выше 105^оС 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 обработке, 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 a-аминокислот. 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 240-280^оС.

 

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.

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 , а модифицированные кроме него 4-10% по массе диметилизофталата . Этот мономер имеет более объёмную структуру, что снижает уровень межмолекулярного взаимодействия, 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.

Всё возрастающее значение приобретают полиакрилонитрильные (ПАН) волокна (другие названия – нитрон, куртель, акрилен, верен). В основе их лежит мономер акрилонитрил , 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 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.

 

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