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 й текстильних виробів. Текстильна нитка відрізняється від волокна значною довжиною, що нараховує декілька десятків і сотень метрів. Елементарні волокна та нитки не діляться в подовжньому напрямі 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 лише по хімічному складу, але й по будові. В більшості випадків вони сильно витягнуті по довжині, яка у багато разів перевищує їх поперечник. Можливі бічні відгалуження. До складу макромолекул можуть входити ланки різних полімерів.

Волокноутворюючі полімери по своїй надмолекулярній структурі відносяться до фібрілярних сполук. Розгорнені макромолекули завдяки дії міжмолекулярних сил об'єднуються в лінійні пачки, в яких вони розташовуються послідовно-паралельно відносно один одного. Окремі пачки та пучки макромолекул утворюють мікрофібріли, на основі яких формуються крупніші агрегати надмолекулярної структури – фібріли. Довгі ланцюги макромолекули можуть проходити через декілька кристалічних і аморфних областей мікрофібріли, і навіть переходити з однієї мікрофібріли в іншу, сусідню, міцно з'єднуючи їх в структурі фібріли.

Пори, що виникають із-за нещільного розташування макромолекул, мають радіуси близько 1 – 2 нм; радіуси пор, що з'явилися з-за нещільної упаковки мікрофібріл, вагаються в межах 3 – 5 нм, а радіуси пор між крупними елементами структури – фібрілами досягають 10 – 15 нм.

У основу класифікації текстильних волокон і ниток покладене їх походження, тобто спосіб отримання та їх хімічний склад.

За походженням всі волокна підрозділяють на натуральні і хімічні (схема 1).

До натуральних відносяться волокна рослинного, тваринного і мінерального походження (схема 1).

Волокна рослинного походження можна отримати з поверхні насіння рослин (бавовна), зі стеблин (льон, конопе^/ль, джут, кенаф) та з листя (абака, сізаль).

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

Целюлоза є порівняно жорстколанцюговим полімером і завдяки дії міжмолекулярних сил (водневих зв'язків і сил Ван-дер-Ваальса) утворює досить високоорієнтовану структуру. Ступінь кристалічності целюлози бавовняних волокон складає 70%, а елементарних льняних 80 – 85%. Макромолекули целюлози групуються в мікрофібріли бахромчатого типа (малюнок 1).

Малюнок 1 – Схемы структур мікрофібріл: 1 – модель Громова-Слуцкера идеально кристаллической структуры; 2 – модель Хоземана-Бонара для кристаллизующихся полимеров с гибкими цепями; 3 – модель для фибриллярных белков (макромолекулы в a-форме); 4 – то же (макромолекулы в b-форме); 5 – модель для аморфно-ориентированного волокна; 6 – модель бахромчатой фибриллы Хирла для жесткоцепных полимеров; 7 – модель Гесса

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

Бавовною називають волокна, які покривають поверхню насіння однорічної рослини – бавовника.

Протягом всього періоду дозрівання фібріли целюлози відкладаються на стінках волокна, утворюючи добові концентричні шари. Основним полімером бавовні є – целюлоза (96%), окрім того, волокна мають в своєму складі низькомолекулярні фракції целюлози (1,5 %), жири та віск (близько 1%), азот, білкові, зольні речовини(до 0,5 %) тощо. Супутні речовини розташовуються між пачками макромолекул і фібріл.

Наприкінці періоду дозрівання протоплазма в каналі висихає, стінки спадають, а волокна набувають вигляду скручених сплющених стрічок, які мають стінки і канал певної товщини (малюнок 2).

Малюнок 2 – Бавовняне волокно (повздовжній вигляд)

По мірі зрілості, яка оцінюється виходячи зі співвідношення зовнішнього та внутрішнього діаметрів волокна, бавовняні волокна підрозділяються на 11 груп від 0 (незріле волокно) до 5 (гранично зріле волокно) з інтервалом в 0,5. Найбільш придатні для виготовлення текстильних матеріалів волокна зі ступенем зрілості 2,5 – 3,5. За зміною інтерференційного забарвлення в поляризаційному світлі бавовняні волокна підрозділяються на 4 групи (найзріліші, дозрілі, недозрілі, цілком незрілі) (малюнок 3).

Малюнок 3 – Зовнішній вигляд та поперечні зрізи бавовняних волокон різного ступеню зрілості

Залежно від довжини волокон розрізняють коротковолокнисту бавовну завдовжки до 27 мм, середньоволокнисту бавовну завдовжки 27 – 35 мм і довговолокнистий 35 – 50 мм.

Для отримання льняних волокон вирощують спеціальний вид льону – льон-довгунець (малюнок 4).

Малюнок 4 – Будова стебла льону: 1 – кутикула; 2 – епідерміс; 3 – з’єднувальна тканина (паренхіма) з пектиновими речовинами; 4 – луб’яні пучки; 5 – камбій; 6 – древесний шар; 7 – серцевина; 8 – корковий шар.

Елементарне волокно льону є рослинною клітиною веретеноподібної форми завдовжки 10 – 26 мм і в поперечнику 12 – 20 мкм (малюнок 5).

Малюнок 5 – Будова елементарного волокна льону: 1 – поперечний розріз; 2 – повздовжній вигляд.

Основним полімером льняного волокна є – целюлоза (80%), низькомолекулярні фракції – 8,5%, лігнін – 5,2%, жировоскові речовини – 2,7%, білкові та зольні – 3,2%. Лігнін надає велику жорсткість, крихкість і ламкість волокну. Пучки елементарних волокон, що складаються з 15 – 30 елементарних волокон, утворюють технічні волокна завдовжки 170 – 250 мм і в поперечнику 150 – 250 мкм.

Основними характеристиками властивостей волокон і ниток є наступне:

Лінійна щільність Т, текс, виражається масою одиниці довжини волокна або нитки, та визначається по формулі:

(1),

де m – маса волокна або нитки, г;

L – довжина волокна або нитки, км.

Номер N [мм/мг, м/г, км/кг] показує відношення довжини волокна (L), м до його ваги, г:

(2)

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

Відносне розривне навантаження Р_О, сН/текс, характеризує розривне навантаження (РР), що приходиться на одиницю товщини:

(3)

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

(4)

де L_Р – абсолютне розривне подовження (показує збільшення довжини волокна або нитки до моменту розриву);

L_О – початкова довжина зразка волокна або нитки.

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

(5)

де m і m_С – відповідно маса волокна, г, до та після висушування до постійної маси.

Основні властивості бавовняних і льняних волокон приведені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Властивості волокон рослинного походження.

Волокно	Ступінь поліме-різації	Щільність, г/см3	Лінійна щільність, Текс	Відносне розривне навантаження для волокна
Бавовняне	5000-6000	1,52	0,2	27 – 36	110 – 120
Льняне	20000-30000	1,5	0,3	54 – 72	110 – 120
Бавовняне	7 – 9	8 – 10		140 – 150	170 – 180
Льняне	2,5	3,5	11 – 12	140 – 150	170 – 180

Фізико-хімічні властивості бавовняних і льняних волокон мають багато спільного, що пов'язано з їх однаковим хімічним складом.

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

Наявність в целюлозі гідроксильних груп обумовлює високі гігроскопічні властивості бавовняних і особливо льняних волокон. При зволоженні целюлозні волокна набухають, збільшуючи свої розміри, особливо поперечні, розривне подовження їх дещо збільшується, а міцність підвищується на 10 – 12%.

До 150° С целюлозні волокна практично не змінюють своїх властивостей, а зверху розпочинається процес руйнування.