Волокна животного происхождения

Природные волокна животного происхождения состоят из белков – природных высокомолекулярных соединений, к которым относятся кератин - белковое вещество шерсти, фиброин и серицин - белковые вещества шелка (схема 1).

Макромолекулы природных белков состоят из различных аминокислотных остатков (их около 20), соединенных в длинные полипептидные цепи с помощью ковалентных - пептидных связей.

- HN - CH - CO - NH - CH - CO -

½ ½

R₁ R₂ n

В кератине шерсти в большом количестве содержатся остатки аспарагиновой, глутаминовой кислот, цистин, серин, лейцин и др.

В состав фиброина и серицина шелка в большом количестве входят глицин, серин и тирозин. Число звеньев в макромолекулах кератина 600-700, в макромолекулах фиброина и серицина - около 300.

Радикалы аминокислот в белковых цепях образуют белковые ответвления, размеры которых определяются их химическим соством. Поэтому макромалекулы белков относятся к разветвленному типу

Макромолекулы белков натуральных волокон имеют сложную форму a -спирали, которая закреплена с помощью внутримолекулярных водородных связей между спиралями.

Шерстью называют волосяной покров различных животных. В состав шерсти, кроме керотина (90%), входят минеральные вещества, жировосковые, пигмент и межклеточное вещество (видоизмененный кератин).

Структура кератина не однородна. Три a спирали полипептидной цепи образуют протофибриллу, имеющую диаметр около 1нм и напоминающую по форме трехжильный трос. Одиннадцать протофибрилл образуют микрофибриллу. Микрофибриллы объединяются в фибриллы, имеющие по своей длине кристаллические и аморфные участки.

Волокно шерсти состоит из трех слоев: чешуйчатого, коркового и серцевинного.

Чешуйчатый слой, или кутикула, представляет собой наружный слой волокон, играющий защитную роль. Он состоит из чешуек, плотно прилегающих друг к другу и прикрепленных одним концом к стержню волокна. Каждая чешуйка покрыта тонким слоем, состоящим из хитина, воска и других веществ и обладающих большей устойчивостью к кислотам, хлору и другим реактивам.

Корковый слой, или кортекс, является основным слоем волокна, он состоит из веретенообразных клеток длиной 80-90 мкм с поперечником 4-5 мкм. Клетки образованы из фибрилл кератина и соединены между собой межклеточным веществом, обладающим меньшей устойчивостью к химическим воздействиям, чем кератин. Поэтому разрушение волокна всегда начинается с распада на веретенообразные клетки.

Корковый слой обладает двудольным строением. Одна часть коркового слоя (паракортекс) состоит из клеток, содержащих большое количество цистина и обладающего значительной жесткостью и устойчивостью к действию щелочей. Вторая часть коркового слоя (ортокортекс) характеризуется меньшей жесткостью и повышенной набухаемостью в щелочах. Такое неоднородное строение основного слоя волокна обуславливает его природную извитость.

Сердцевина волокна - это высохшие пластинчатые клетки, расположенные перпендикулярно клеткам коркового слоя и заполненые воздухом. Наличие сердцевинного слоя повышает толщину и жесткость волокна.

По характеру строения шерстяные волокна подразделяются на четыре типа: пух, переходной волос, ость, мертвый волос.

Пух - тонкое, короткое, сильно извитое волокно, состоящее из чешуйчатого и коркового слоев (в основном из ортокортекса), имеет кольцевидные чешуйки. Диаметр пуховых волокон равен 14-25 мкм.

Переходный волос - более толстое, грубое волокно имеющее все три слоя. Диаметр этих волокон 25-35 мкм.

Ость имеет поперечник 35-50 мкм. Очень значительный сердцевинный слой.

Мертвый волос - толстое, грубое, малопрочное волокно, состоящее практически из сердцевинного слоя. Диаметр волокна более 50 мкм.

Однородная, овечья шерсть содержит преимущественно волокна одного типа. Она бывает тонкая (диаметр волокон не превышает 14-25 мкм); полутонкая (25-31мкм); полугрубая (31-40мкм).

Неоднородная шерсть состоит из пуховых, переходных, остевых и мертвых волокон и подразделяется на полугрубую, имеющую пуховые, переходные волокна и некоторое количество

остевых волос, и грубую, являющуюся смесью волокон всех типов.

Шелк -продукт выделения особых шелкоотделительных желез тутового шелкопряда.

В момент образования кокона гусеница шелкопряда выделяет две тонкие шелковины, которые при выходе на воздух застывают. Одновременно выделяется серицин, которые склеивает шелковины вместе. Во время нитеобразования макромолекулы фиброина агрегируются и образуют надмолекулярную структуру волокна. До 20-30 макромолекул объединяются в микрофибриллы, которые в свою очередь образуют фибриллы. Фибриллы располагаются ориентированно вдоль оси волокна.

Макромолекулы фиброина имеют сравнительно небольшую ветвистость. Поэтому надмолекулярная структура фиброина имеет высокую степень упорядоченности и кристалличности по сравнению с кератином шерсти. В аморфных областях имеются пустоты и трещины, составляющие 10-15%, общего объема волокна.

Серицин по аминокислотному составу близок к фиброину, но отличается упаковкой макромолекул. Кристалличность серицина меньше.

Коконная нить шелка имеет длину от 500 до 1500 м и состоит из 2-х элементарных шелковин, склеенных вместе серицином. Поперечное сечение элементарной нити напоминает форму треугольника с закругленными углами и имеет поперечник 10-12 мкм.

Нить, полученная сматыванием нитей с 4-9 коконов, называется шелком - сырцом. Обычно в сырце содержится от 26 до 33 % серицина, но при последующей обработке его содержание в готовой ткани снижается до 4-5%.

Основные физико-механические характеристики волокон животного происхождения даны в таблице 2.

Физико-механические свойства белковых волокон определяются химическим составом остатков аминокислот, из которых образуются кератин шерсти и фиброин шелка.

Шерстяное волокно обладает сравнительно небольшой прочностью и значительным удлинением, которое связано со спиралеобразной формой макромолекул. В общем удлинении волокон значительная доля упругого и эластического составляющих, что объясняется гибкой структурой макромолекул и прочными дисульфидными связями между ними.

Таблица 2 - Физико - химические характеристики волокон.

Волокно	Степень полимеризации	Плотность г/см3	Линейная плотность, Текс	Относительная разрывная нагрузка для волокна
сухого СН/Текс	мокрого % от натурального
Шерстяное	600-700	1,32	0,33	10,8-13,5	65-75
Шелковое		1,37	0,13	27-31,5	80-90

Продолжение таблицы 2

Волокно	Удлинение волокна %	Влажность	Термостойкость
сухого	мокрого	Температура эксплуатации, 0С	Температура разрушения, 0С
Шерстяное	25-35	30-50	15-17	130-160	170-180
Шелковое	18-24	20-28	10-11	110-160	170-180

Прочность шелковых волокон несколько выше чем шерстяных из-за меньшей разветвленности и большей упаковки макромолекул в структуре.

Белковые волокна лучше впитывают влагу, чем целлюлозные. В мокром состоянии прочность белковых волокон не только не повышается как у целлюлозных, а даже снижается (до 35% у шерстяных и до 20% у шелковых).

Шерстяные волокна выдерживают нагрев без ухудшения свойств до температуры 130⁰C, шелковые до 110⁰С. Интенсивное ухудшение свойств наступает после 170 ⁰С.

Действие светопогоды вызывает в кератине шерсти и фиброине шелка фотохимическую деструкцию, что вызывает ухудшение механических свойств, особенно у шелка. При кипячении шелк теряет блеск и прочность.

Белковые волокна неустойчивы к действию даже слабых растворов щелочи, но выдерживают действие слабых растворов минеральных и сильных органических кислот. Прочность белковых волокон под действием кислот несколько возрастает(в некоторых случаях шелк облагораживается).

Шерстяное волокно обладает высокой гигроскопичностью: медленно впитывает влагу и медленно высыхает. Шерсть может впитать до 40% влаги, оставаясь на ощупь сухой.

Шелковые волокна быстро впитывают влагу и быстро высыхают.

Волокна шерсти обладают хорошей упругостью и валкоспособностью, обладают хорошими теплозащитными свойствами и малой сминаемостью.