ШВЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Строение и свойства натуральных волокон

Волокна растительного происхождения. Основным полимером, из которого состоят природные волокна растительного происхож­дения, является а-целлюлоза, относящаяся к классу полисахари­дов. Элементарные звенья целлюлозы — СбН10О5— с помощью глю - козидной связи — О — соединяются в линейные циклоцепные мак­ромолекулы (см. рис. 1.1). Число звеньев в макромолекулах природ­ных волокон достаточно велико и достигает у хлопка 5000—6000, у льна 20 000—30 000. Целлюлоза представляет собой сравнительно жесткоцепной полимер и благодаря действию межмолекулярных сил (водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса) образует доволь­но высокоориентированную структуру. Степень кристалличности целлюлозы хлопковых волокон составляет 70%, а элементарных льняных — 80—85 %. Макромолекулы целлюлозы группируются в микрофибриллы бахромчатого типа (см. рис. 1.2), из которых, в свою очередь, строятся более крупные структурные образования —
фибриллы. Характерная особенность целлюлозы — наличие в каж­дом элементарном звене трех гидроксильных групп; эта особен­ность определяет основные физико-химические свойства целлю­лозных волокон.

Из существующих видов целлюлозных волокон наиболее рас­пространенными для производства одежды в нашей стране явля­ются хлопковые и льняные волокна]

Хлопковые волокна покрывают поверхность семян однолетнего растения хлопчатника. Развитие хлопковых волокон начинается после цветения хлопчатника в период образования плодов (ко­робочек). В это время на поверхности семян отдельные клетки оболочки начинают интенсивно расти в длину, образуя тонко­стенные трубочки с протоплазмой, состоящей из простых угле­водных соединений (рис. 1.3, а). В период созревания, когда коро­бочки хлопчатника раскрываются, рост волокон в длину прекра­щается и в результате процесса фотосинтеза из протоплазмы вы­деляется а-целлюлоза. В течение всего периода созревания хлоп­чатника фибриллы целлюлозы отлагаются на стенках волокна, образуя суточные концентрические слоц. Фибриллы в отдельных слоях располагаются спирально под определенным углом (20—40°) к оси волокна.

Как отмечалось ранее( основным полимером хлопка является а-целлюлоза (96%); кроме нее волокна имеют в своем составе небольшое количество низкомолекулярных фракций целлюлозы (1,5 %),! жиры и воски (около 1 %) и др. Сопутствующие вещества располагаются между пачками макромолекул и фибриллами.

В конце периода созревания протоплазма в канале высыхает, стенки спадают, а волокна приобретают вид скрученных сплю­щенных ленточек, имеющих определенной толщины стенки и ка­нал (рис. 1.3, б). Наружный слой (или первичная стенка) волокна

На 50 % состоит из а-целлюло - зы и покрыт жировосковыми ве­ществами. Этот слой играет за­щитную роль. Вторичная стенка волокна состоит из суточных слоев фибрилл. Природная изви­тость хлопка связана со спираль­ным расположением фибрилл в слоях.

Толщина стенок и степень извитости зависят от зрелости волокна, оказывающей влияние на его качество. Незрелые тон­костенные волокна имеют вид плоских или свернутых ленто­чек, обладают малой прочно-

7 А

Рис. 1.4. Льняное волокно:

А — поперечный срез стебля льна: 1 — кутикула; 2 — кожица; 3 — кора; 4 — Элементарные волокна; 5 — камбий; б — древесина; 7 — сердцевина; б — про­дольный вид и поперечный срез элементарного волокна льна

Стью, низкой эластичностью, плохо окрашиваются. Перезрелые волокна имеют толстые стенки, повышенную прочность, прямую (неизвитую) форму и сравнительно большую жесткость. Ни те, ни другие волокна к текстильной переработке непригодны. По степе­ни зрелости, которая оценивается исходя из соотношения наруж­ного и внутреннего диаметров волокна, хлопковые волокна под­разделяются на 11 групп: от 0 (незрелое волокно) до 5 (предельно зрелое волокно) с интервалом 0,5. Наиболее пригодны для изго­товления текстильных материалов волокна со степенью зрелости 2,5-3,5.

В зависимости от длины волокон различают коротковолок- нистый хлопок длиной до 27 мм, средневолокнистый длиной 27 — 35 мм и длинноволокнистый хлопок длиной 35 — 50 мм. В группе коротковолокнистого хлопка выделяют подпушек (волокна дли­ной до 20 мм), который используется для получения холстов нетка­ных полотен и в качестве сырья для производства искусственных волокон.

Для получения льняного волокна выращивают специальный вид льна — лен-долгунец, представляющий собой однолетнее травя­нистое растение с прямым неветвистым стеблем высотой 80—90 см и диаметром 1 — 2 мм (рис. 1.4, а). В лубяном слое коры стебля льна располагаются клетки двух видов: паренхимные и прозенхимные. Тонкостенные равновеликие паренхимные клетки содержат запа­сы питательных веществ и служат для связывания всех элементов коры. Прозенхимные клетки обладают способностью в процессе роста льна значительно удлиняться, они располагаются вдоль стебля и являются элементарными волокнами льна.

Г

( Основным полимером льняного волокна является а-целлюлоза (80 %); низкомолекулярные фракции составляют 8,5 %.^лигнин — 5,2 %, жировосковые вещества — 2,7 %, белковые и зольные — 3,2 %. Таким образом, по сравнению с хлопком в волокне льна содержится большое количество сопутствующих веществ. Присут­ствие лигнина в составе волокон придает им жесткость, хрупкость и ломкость.

Элементарное волокно льна представляет собой растительную клетку веретенообразной формы с узким каналом и заостренными концами (рис. 1.4, б). Волокно имеет первичную и вторичную стен­ки, в которых фибриллы расположены по спирали с углом накло­на к оси волокна 8— 12°. В слоях вторичной стенки по мере при­ближения к каналу угол наклона фибрилл уменьшается и может достигать 0°. Слоистая структура волокна образуется в результате постепенного отложения целлюлозы на его стенках.

Длина элементарного волокна составляет в среднем 10—38 мм, поперечник — 12 — 37 мкм, и они зависят от места расположения волокна в стебле: наиболее толстые и короткие располагаются у основания стебля, а в направлении верхушки они становятся тоньше и длиннее. Отдельные элементарные волокна соединяются между собой в пучки с помощью срединных пластинок, состоящих из пектиновых веществ и лигнина. Обычно в пучке содержится 15 — 30 элементарных волокон, а в стебле — 20—25 пучков. Пучки во­локон хорошо развиты по всей длине стебля и благодаря боковым ответвлениям соединяются друг с другом, образуя в стебле сетча­тый волокнистый каркас.

Первичная обработка собранного льна состоит из нескольких процессов механических, физических и химических воздействий с целью выделить из стебля пучки волокон. Выделенные волокна подвергают гребнечесанию, в результате чего получают пряди длин­ных очищенных комплексных (технических) волокон чесаного льна и короткие волокна — очесы. Из чесаного льна получают гребен­ную пряжу, идущую на изготовление высококачественных быто­вых тканей. Очесы вместе с короткими волокнами, полученными из отходов трепания, используются либо для получения так назы­ваемой оческовой пряжи, либо для получения котонина — хлоп - коподобного льняного волокна. Суть котонизации заключается в уменьшении длины пучков очеса и разделении их до уровня эле­ментарных волокон. В настоящее время применяются несколько способов котонизации: химический (за счет разрушения пектина и лигнина химическими реагентами), механический (путем разре­зания или разрыва волокнистой ленты), механохимический и био­логический (путем расщепления пектиновых веществ фермента­ми). Если комплексное волокно чесаного льна имеет длину в сред­нем 170—250 мм и поперечник 150—250 мкм, то котонизирован­ные волокна получают длиной 25 — 45 мм и тониной 14—100 мкм.

Юто позволяет использовать их в смеси с хлопком, вискозой, шер­стью и другими волокнами.

| При изготовлении изделий технического назначения (грубые йкани, канаты, сети и т. п.) применяются другие виды целлюлоз - мых волокон. Так, в странах Азии для изготовления бытовых тка - рей используют волокно рами, аналогичное по свойствам льняным толокнам. В последнее время в некоторых странах возобновился йрнтерес к получению волокон из крапивы. Она растет практически ма всех видах почвы в течение 20 лет и содержит 12—14% волокон. Slo данным производителей (Германия), ткани из крапивы выгля­дят, как льняные, блестят, как шелковые, и обладают теплозащит­ными свойствами, как шерстяные.

Лозных волокон определяются их химическим составом и над­молекулярной структурой. Поэтому свойства волокон хлопка и шьна, одинаковых по химическому составу, имеют много общего. Ш то же время особенности в надмолекулярной структуре этих во­локон вносят различия в показатели характеристик основных ;свойств (табл. 1.2).

I Из целлюлозных волокон наибольшее относительное разрыв­ное усилие и наименьшее разрывное удлинение имеет элементар­ное льняное волокно. Это связано с тем, что по сравнению с хлоп­ком лен обладает более плотной и ориентированной структурой. Относительное разрывное усилие комплексного волокна льна не­сколько ниже элементарного, так как в структуре первого имеют­ся менее прочные срединные пластинки, соединяющие элемен­тарные волокна.

Наличием в целлюлозе гидроксильных групп обусловливаются высокие гигроскопические свойства хлопковых и особенно льня­ных волокон, что придает материалам из них хорошие гигиени­ческие свойства. При увлажнении целлюлозные волокна набуха­ют, увеличивая свои размеры, особенно поперечные; разрывное удлинение их несколько увеличивается, а прочность повышается на 10-20%.

При нагревании до температуры 150 "С целлюлозные волокна практически не изменяют своих свойств; при температуре выше 150 °С начинается процесс медленного, а затем быстрого раз­рушения волокон, сопровождающийся разложением целлюлозы и ее обугливанием. Хлопок и лен относятся к горючим волок­нам, они легко загораются в пламени и продолжают быстро гореть после вынесения из него с образованием легко рассыпающегося пепла.

При действии светопогоды активизируется процесс окисления целлюлозы кислородом воздуха, что приводит к снижению меха­нических свойств (прочности, удлинения), повышению жесткос­ти и хрупкости волокон.

Полиамидное (капрон, анид) Полиэфирное (лавсан) Поливинилхлоридное: хлорин винитрон

Полиакрилонитрильное (нитрон)

Поливинилспиртовое (винол)

Полиэтиленовое

Полипропиленовое

3,5-4 0,2-0,4

0-0,3 0-0,2 0,1-0,9

3,5-5 0 о

Целлюлозные волокна под действием кислот, особенно мине­ральных, разрушаются, так как происходят разрушение глюко - зидных связей и разрыв макромолекул. Более устойчива целлюлоза к действию щелочей. При обработке 18 — 20%-ным раствором ще­лочи целлюлозные волокна набухают, распрямляются, сопутству­ющие низкомолекулярные соединения частично разрушаются, в результате чего повышается прочность волокон, увеличивается их блеск, улучшается способность к окрашиванию и т. п. Подобная обработка используется при мерсеризации хлопчатобумажных тка­ней.

Присутствие в составе целлюлозы реакционно-способных групп —ОН позволяет ей вступать в соединения с различными веще­ствами, что дает возможность проводить химическую модифика­цию волокон в процессе специальных отделок текстильных мате­риалов^

Волокна и нити животного происхождения. Природные волокна животного происхождения (шерстяное и шелковое) состоят из белков — природных высокомолекулярных соединений, к кото­рым относятся кератин (в шерсти), фиброин и серицин (в шелке).

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

...HN— СН— CONH— СН— СО... I I

R, R2

Белки различаются типами аминокислотных остатков, их чис­лом и характером расположения в макромолекулах. 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. В насто­ящее время достоверно неизвестно, в какой последовательности располагаются отдельные виды остатков аминокислот в макромо­лекулах белков, однако предполагают, что цепи образуются путем многократного повторения различных группировок аминокислот. Радикалы аминокислот в белковых цепях образуют боковые ответ­вления, размеры которых определяются их химическим составом. Поэтому макромолекулы белков относятся к разветвленному типу (см. рис. 1.1).

Макромолекулы белков натуральных волокон имеют сложную форму а-спирали, которая закреплена с помощью внутримолеку­лярных водородных связей между спиралями (см. рис. 1.2). При внеш­них воздействиях а-спирали макромолекул могут распрямляться на отдельных участках и переходить в р-спирали.

Взаимодействие между макромолекулами белков осуществля­ется с помощью межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, водо­родных и солевых (ионных) связей. Отличительная особенность кератина шерсти — наличие между макромолекулами ковалент - ной дисульфидной связи —S—S—, возникновение которой обус­ловлено присутствием в составе кератина цистина.

Основными видами белковых волокон являются шер­стяные и шелковые.

Шерстяное волокно изготавливают из шерсти различных живот­ных, т. е. волосяного покрова животных: овец, коз, верблюдов и др. Наиболее широкое применение в производстве текстильных ма­териалов имеет шерсть овец.

В состав шерсти помимо кератина (90 %) входит некоторое ко­личество минеральных и жировосковых веществ, пигмента и меж­клеточного вещества (видоизменение кератина).

Надмолекулярная структура кератина сложная и неоднородная. Согласно современным представлениям три а-спирали полипеп­тидной цепи образуют протофибриллу, имеющую диаметр около 1 нм и напоминающую по форме трехжильный трос. Одиннадцать протофибрилл образуют микрофибриллу. Микрофибриллы объе­диняются в фибриллы, имеющие в своей структуре кристалличес­кие и аморфные участки. Аморфные участки, называемые матри­цей, состоят из менее упорядоченно расположенных протофиб­рилл и пронизаны более организованными кристаллическими об­разованиями. Матрица, по некоторым данным, составляет более половины вещества волокна.

Волокно шерсти имеет довольно сложное многоклеточное стро­ение. Оно состоит из трех слоев: чешуйчатого, коркового и сердце­винного (рис. 1.5). Чешуйчатый слой, или кутикула, представляет собой наружный слой волокна, играющий защитную роль. Он со­стоит из чешуек, плотно прилегающих друг к другу и прикреплен­ных одним концом к стержню волокна. Толщина чешуйки равна примерно 1 мкм. Каждая чешуйка покрыта тонким слоем, состоя­щим из хитина, воска и других веществ и обладающим большой 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. Веретенообразные 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 шерстяного волокна обладает двудольным строением. Одна часть коркового слоя (паракортекс) состоит из клеток, содержащих боль­шое количество цистина и обладающего значительной жесткос­тью и устойчивостью к действию щелочей. Другая часть коркового

Слоя (ортокортекс) характеризуется меньшей жесткостью и повы­шенной набухаемостью в щелочах. Такое неоднородное строение основного слоя волокна обусловливает его природную извитость.

В середине волокна имеется сердцевина, высохшие пластинча­тые клетки которой расположены перпендикулярно клеткам кор­кового слоя и заполнены воздухом. Наличие сердцевинного слоя повышает толщину и жесткость волокна.

По характеру строения шерстяные волокна подразделяются на четыре типа: пух, переходный волос, ость, мертвый волос (рис. 1.6).

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 (диаметр 25 — 35 мкм), грубое волокно, имеющее все три слоя, однако сердцевинный слой развит слабо и встречается периодически. Ость — еще более тол­стое, жесткое волокно со значительным сердцевинным слоем, имеет поперечник 35 — 50 мкм, чешуйки черепицеобразные.

Мертвый волос — толстое, грубое, малопрочное волокно, весь поперечник которого практически занят сердцевиной, диаметр волокна более 50 мкм.

Овечью шерсть подразделяют на однородную и неоднородную. Однородная шерсть содержит преимущественно волокна одного типа. В зависимости от толщины волокон она бывает: тонкая, со­стоящая из тонких (с поперечником 14—25 мкм), извитых, рав­номерных по толщине и длине пуховых волокон; полутонкая, вклю-

Дающая более толстые пуховые и переходные волокна со средним Поперечником 25 — 31 мкм; полугрубая, имеющая в своем составе духовые и переходные волокна с поперечником 31—40 мкм.

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. Г Тонкую и полутонкую шерсть используют в производстве тон­ких платьевых и костюмных тканей, высококачественного трико­тажа, неоднородную грубую шерсть применяют при изготовлении грубосуконных тканей, войлока, валенок и т. п. К Для получения текстильных материалов используют шерсть дру­Гих видов животных, чаще всего в смеси с овечьей шерстью. Вер - Щдюжья шерсть — пуховые волокна длиной 60 — 70 мм и средней Вгониной 20,6 мкм. Альпака — шерсть ламы из семейства верблюдо - вых — тонкое, прочное, мягкое и блестящее волокно. Кашемир — Шерсть кашмирских коз, получаемая вычесыванием, — очень тон - ■гое и длинное (до 450 мм) волокно. Мохер (могер, тифтик) — шерсть ангорской козы — представляет собой тонкое, длинное 1150—200 мм), мало извитое и блестящее волокно. Ангора — пух ангорского кролика — мягкое, тонкое, водостойкое и молеустой - («швое волокно.

I Шелковое волокно — продукт выделения особых шелкоотдели - Ьельных желез некоторых насекомых. Промышленное значение имеет шелк, получаемый от гусениц тутового шелкопряда. I Тутовых шелкопрядов разводят в специализированных шелко­водческих хозяйствах. Шелкопряд в своем развитии проходит че - 5Ыре стадии: яичко (грена), гусеница, куколка и бабочка. В период ыкармливания гусениц листьями тутового дерева в их теле совер - цается белковый обмен. Под действием ферментов пищеваритель­ного сока белки, содержащиеся в листьях тутового дерева, распа­яются на отдельные аминокислоты, которые усваиваются клет - ами организма гусеницы. Помимо этого в организме происходят йнтез аминокислот и перестройка их молекул, т. е. превращение Цних аминокислот в другие. В результате к моменту окукливания в еле гусеницы накапливается жидкое вещество с полным набором азличных аминокислот, необходимых для создания основного вы - юкомолекулярного соединения натурального шелка — фиброина и шелкового клея — серицина.

I В момент образования кокона гусеница выделяет через шелко - |>тделительные протоки две тонкие шелковины, которые при вы­воде на воздух застывают. Одновременно выделяется серицин, ко­торый склеивает шелковины вместе. Во время нитеобразования Макромолекулы фиброина агрегируются и образуют надмолекуляр­Ную структуру волокна; 20—30 макромолекул объединяются в мик - рофибриллы, которые, в свою очередь, образуют фибриллы.

В отличие от кератина шерсти макромо­лекулы фиброина имеют сравнительно не­большую ветвистость: количество боковых цепей от общей массы волокна составляет не более 19 %. В связи с этим надмолекуляр­ная структура фиброина имеет высокую сте­пень упорядоченности и кристалличности по сравнению с кератином шерсти.

В аморфных областях микрофибрилл, между микрофибриллами и фибриллами, имеются неплотности, пустоты, микротре­щины, составляющие 10 —15 % общего объе­ма волокна. Фибриллы, образующие волок­но шелка, располагаются ориентированно вдоль его оси.

Серицин по своему аминокислотному составу аналогичен фиброину, различие между ними заключается, очевидно, в спо­собе упаковки макромолекул. Кристаллич­ность серицина меньше, чем фиброина. Ко­конная нить шелка длиной 500—1500 м представляет собой две элементарные шелковины, склеенные вместе серицином (рис. 1.7). Поперечное сечение элементарной нити напоминает форму тре­угольника с закругленными углами или овала и имеет поперечник 10— 12 мкм.

Гусеница по мере выделения нити укладывает ее слоями, обра­зуя плотную замкнутую оболочку, склеенную серицином, — ко­кон. Внутри кокона гусеница окукливается, а через 15—17 дней куколка превращается в бабочку. Поэтому коконы собирают не поз­же чем через 8 — 9 дней с начала завивки и передают на первич­ную обработку.

Цель первичной обработки шелка — размотать коконную нить. Разматывание осуществляется на специальных кокономотальных автоматах, где несколько нитей с 4—9 коконов, сложенных вмес­те, наматывается на мотовило. Получаемая нить называется шел­ком-сырцом. Обычно в шелке-сырце содержится 26 — 33% сери­цина, однако при последующих обработках содержание его в гото­вой ткани снижается до 4—5 %.

Физико-механические и химические свойства белковых воло­кон (см. табл. 1.2) в значительной степени 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. Гибкой структурой макромоле­кул и прочными дисульфидными связями между ними объясняется
наличие в общем удлинении волокон значительной доли упругой и эластической компонент. Прочность шелка несколько выше, чем прочность шерсти, что связано с меньшей разветвленностью и большей упаковкой макромолекул в его структуре. Белковые во­локна обладают способностью лучше впитывать влагу, чем целлю­лозные; при этом снижается их прочность и значительно повыша­ется растяжимость, особенно шерстяного волокна. Такие волокна выдерживают нагрев без ухудшения свойств до температуры 110 (шелк) и 130°С (шерсть). Интенсивное ухудшение свойств и раз­рушение волокон наступают при температуре выше 170 °С.

При действии светопогоды в кератине шерсти и фиброине шелка протекают процессы фотохимической деструкции, что вызывает ухудшение механических свойств волокон. Особенно чувствителен к действию светопогоды шелк. Например, после 200-часовой экс­позиции в летнее время волокно шелка теряет 50 % первоначаль­ной прочности, т. е. значительно больше, чем все другие волокна. ТТТелк становится хрупким, менее эластичным и более гигроско­пичным.

В отличие от целлюлозных белковые волокна неустойчивы к действию даже слабых растворов щелочи, но выдерживают дей­ствие слабых растворов минеральных кислот и более сильных — органических — без заметных изменений свойств.