Лекція 1 Целюлозні волокна

Основними структурними елементами всіх текстильних матеріалів є текстильні волокна і нитки. Текстильне волокно - це протяжне, гнучке і міцне тіло з малими поперечними розмірами, обмеженої довжини придатне для виготовлення пряжі і текстильних виробів. Текстильна нитка відрізняються від волокна значною довжиною, що нараховує кілька десятків і сотень метрів Елементарні волокна і нитки не поділяються в подовжньому напрямку без руйнування. Комплексні волокна складаються з подовжньо скріплених елементарних волокон (ниток ).

Більшість текстильних волокон і ниток складаються з високомолекулярних сполук-полімерів. Макромолекули, яких розрізняються не тільки по хімічному складу, але і за будовою. У більшості випадків вони сильно витягнуті по довжині, що у багато разів перевищує їхній поперечник. Можливі бічні відгалуження. У склад макромолекул можуть входити ланки різних полімерів.

Волокнотворні полімери по своїй надмолекулярній структурі відносяться до фібрілярних сполук. Розгорнуті макромолекули завдяки дії міжмолекулярних сил поєднуються в лінійні пачки, у який вони розташовуються послідовно - паралельно відносно один одного. Окремі пачки і пучки макромолекул утворять мікрофібріли, на основі яких формуються більш великі агрегати надмолекулярної структури - фібріли. Довгі ланцюгові макромолекули можуть проходити через кілька кристалічних і аморфних областей мікрофібріли і навіть переходити з однієї мікрофібріли в іншу, сусідню, міцно з'єднуючи їх у структурі фібріли.

Пори, що виникають через нещільне розташування макромолекул, мають радіуси порядку 1-2 нм; радіуси пор, що з'явилися через нещільне упакування мікрофібріл , коливаються в межах 3-5 нм, а радіуси пор між великими елементами структури фібрілами досягають 10-15 нм.

В основу класифікації текстильних волокон і ниток покладено їхнє походження, тобто спосіб одержання і їхній хімічний склад.

По походженню усі волокна підрозділяють на натуральні і хімічні. До натуральних відносяться волокна рослинного, тваринного і мінерального походження (додаток 1)

Волокна рослинного походження можна одержати з поверхні насінь рослин (бавовна), зі стебел (льон, прядиво, джут, кенаф) і з листя (абака, сизаль).

Основним полімером, з який складаються природні волокна рослинного походження, є -целюлоза, що відноситься до класу полісахаридів Елементарні ланки целюлози (- C₆H₁₀O₅ -) з допомогою глюкозитного зв'язку (–О–) з'єднуються в лінійні циклоцепні макромолекули.

Целюлоза являє собою порівняно жорстко цепний полімер і завдяки дії міжмолекулярних сил (водневих зв'язків і сил Ван-дер-Ваальса) утворює досить високозорентовану структуру. Ступінь кристалічності целюлози бавовняних волокон складає 70%,а елементарних лляних 80-85%.Макромолекули целюлози групуються в мікрофібріли торочкуватого типу

Характерна особливість целюлози - наявність у кожній елементарній її ланці трьох гідроксильних груп, що визначає її фізико - хімічні властивості.

Бавовною називають волокна, що покривають поверхню насінь однолітньої рослини бавовнику.

Протягом усього періоду дозрівання фібріли целюлози відкладаються на стінках волокна, утворити добові концентричні шари. Основним полімером бавовни є - целюлоза(96%), крім того волокна мають у своєму складі низькомолекулярні фракції целюлози (1,5%), жири і воски (біля1%), азот, білкові, зольні речовини(до 0,5%) та ін. Супутні речовини розташовуються між пачками макромолекул і фібрілами. Наприкінці періоду дозрівання протоплазма в каналі висихає, стінки спадають, а волокна здобувають вид скручених сплющених стрічечок, що мають визначеної товщини стінки і канал По ступеню зрілості, що оцінюється виходячи зі співвідношення зовнішнього і внутрішнього діаметрів волокна, бавовняні волокна підрозділяються на 11 груп від 0 (незріле волокно) до 5 (гранично зріле волокно) з інтервалом у 0,5. Найбільш придатні для виготовлення текстильних матеріалів волокна зі ступенем зрілості 2,5 – 3,5. За зміною інтерференційного фарбування в поляризаційному світлі бавовняні волокна підрозділяються на 4 групи (самі зрілі, зрілі, недоспілі, зовсім незрілі).

У залежності від довжини волокон розрізняють коротко волокнисту бавовна довжиною до 27мм, средньо волокнисту бавовна довжиною 27-35мм і довговолокнисту 35-50мм.

Для одержання лляних волокон вирощують спеціальний вид льону – льон-довгунець. Елементарне волокно льону являє собою рослинну клітку веретеноподібної форми довжиною 10-26 мм і в поперечнику 12-20 мкм.

Основним полімером лляного волокна є - целюлоза (80%), низькомолекулярні фракції -8,5%, лігнін -5,2%, жировоскові речовини -2,7%, білкові і зольні -3,2%. Лігнін додає велику твердість, крихкість і ламкість волокну. Пучки елементарних волокон, що складаються з 15-30 елементарних волокон, утворять технічні волокна довжиною 170-250 мм і в поперечнику 150-250 мкм

Основними характеристиками властивостей волокон і ниток є наступні:

Лінійна щільність "Т", текс, виражається масою одиниці довжини волокна чи нитки і визначаються по формулі:

Т = m / L (1),

де m - маса чи волокна нитки, м;

L - довжина чи волокна нитки, км;

Номер "N" показує відношення довжини волокна (L),м до його ваги, м. N=L/m (2)

[мм/мг, м/г, км/кг]

(TN=1000), чим вище номер, тим менше лінійна щільність і тонше волокно.

Відносне розривне навантаження "Ро", сН/текс, характеризує розривне навантаження (Рр), що приходиться на одиницю товщини

Ро=Рр/Т (3)

Відносне розривне подовження Ер,%, показує , яку частину від первісної довжини зразка складає його абсолютне подовження до моменту розриву:

Ер=100Lр/Lo (4)

де Lp - абсолютне розривне подовження (показує збільшення довжини чи волокна нитки до моменту розриву);

Lo - початкова довжина зразка чи волокна нитки.

Фактична вологість W_ф, %, показує, яку частину від маси сухого волокна складає волога, що міститься в ньому при даних атмосферних умовах

W_ф=100(m-m_c) / m_c (5)

де m і mc-відповідно маса волокна, м, до і після висушування до постійної маси.

Основні властивості бавовняних і лляних волокон приведені в таблиці 1.

Таблица 1 - Властивості волокон рослинного походження.

Волокно	Ступінь полімерізації	Щіль-ність, г/см3	Ліній-на щіль-ність, Текс	Відносне розривне навантаження для волокна
				сухого, сН/Текс	мокрого, % от натурального
Бавовна	5000-6000	1,52	0,2	27-36	110-120
Льон	20000-30000	1,5	0,3	54-72	110-120

Продовження таблиці 1.

Волокно	Подовження волокна, %		Воло-гість, %	Термостійкість
	сухого	мокрого		Температура эксплуатації, оС	Температура руйнування, оС
Бавовняне	7-9	8-10	6	140-150	170-180
Лляне	2,5	3,5	11-12	140-150	170-180

Фізико-хімічні властивості бавовняних і лляних волокон мають багато загального, що зв'язано з однаковим їхнім хімічним складом.

Однак, у зв'язку з тим, що льон має більш щільну й орієнтовану структуру, він має найбільше відносне розривне навантаження і найменше розривне подовження.

Наявність у целюлозі гідроксильних груп обумовлює високі гігроскопічні властивості бавовняних і особливо лляних волокон. При зволоженні целюлозні волокна набухають, збільшуючи свої розміри, особливо поперечні, розривне подовження їх трохи збільшуються, а міцність підвищується на 10-12%

До 150⁰ С целюлозні волокна практично не змінюють своїх властивостей, а вище починається процес руйнування.