Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Химическое строение и свойства текстильных волокон: Методические указания

Голосов: 2

Методические указания разработаны для изучения дисциплины "Химическая технология текстильных материалов" студентами технологических специальностей. В них рассмотрены химическое строение и свойства текстильных волокон. Подготовлены на кафедре химии Ивановской государственной текстильной академии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    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




                               2


                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



                               3


     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.

                               4


     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.

     n CH2 CH      ...     CH2   CH CH2 CH       CH2   CH CH2   CH    ...
            CH3                  CH3       CH3         CH3      CH3
       мономер                    остаток
                                  мономера


           ( CH2 CH ) n
                 CH3
             пропилен

      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-
                                      5


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-
                                   6


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).




                               7


    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.

                                8


     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.

                                9


               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.




                                                 n.
     Элементарные      звенья    соединены      между     собой
β-глюкозидными связями, каждое последующее звено повёрнуто
относительно предыдущего на 180о.
     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.



                               10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика