Природные и химические волокна

И. И. Осовская






                ПРИРОДНЫЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА





Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 541.64
ББК 35.71
    0-75

Рецензенты:
зав. кафедрой целлюлозы, бумаги и картона ВШТЭ д-р техн, наук, проф. Е. Г. Смирнова;
зав. лабораторией физической химии полимеров Института высокомолекулярных соединений РАН д-р физ.-мат. наук, проф. С. В. Бронников


    Осовская, И. И.
0-75      Природные и химические волокна : учебное пособие / И. И. Осов-
    ская. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 100 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-1182-0


           Изложен один из основных разделов комплексного использования древесного и растительного сырья - получение природных и химических волокон. Даны описания промышленных технологий производства важнейших типов волокон. Содержит материал, необходимый для изучения дисциплин «Химические волокна», «Теоретические основы переработки природных полимеров», «Технология полимеров», «Переработка и применение полимеров».
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 18.04.01, 18.03.01 «Химическая технология».


УДК 541.64
ББК 35.71













ISBN 978-5-9729-1182-0

     © Осовская И. И., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.......................................................5
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ВОЛОКНАХ....................................7
2. НАТУРАЛЬНЫЕ ВОЛОКНА РАСТИТЕЛЬНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ..................................................9
 2.1. Хлопковые волокна.......................................10
 2.2. Льняные волокна.........................................12
 2.3. Волокнас особыми свойствами.............................15
 2.4. Целлюлоза из бактерий...................................16
 2.5. Пищевые волокна.........................................18
 2.6. Медицинские волокна.....................................20
3. ВОЛОКНА ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ............................26
 3.1. Шелковые волокна........................................27
 3.2. Шерсть..................................................28
 3.3. Белковые волокна........................................29
 3.4. Хитин-глюкановые волокна................................30
4. ХИМИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА.........................................40
 4.1. Требования к полимерам для получения химических волокон.42
 4.2. Искусственные волокна...................................45
   4.2.1. Вискозные волокна...................................45
   4.2.2. Ацетатное волокно...................................50
   4.2.3. Триацетатное волокно................................52
 4.3. Синтетические волокна...................................57
   4.3.1. Полиамидные волокна.................................59
   4.3.2 . Полиакрилонитрильное волокно - нитрон .............64
   4.3.3. Полихлорвиниловые волокна (хлорин, ПВХ).............68
   4.3.4. Полиолефиновые волокна..............................70

3

   4.3.5. Полиэфирное волокно - лавсан..........72
   4.3.6. Поливинилспиртовые волокна............75
5. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОЛОКНА..........................78
6. УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА ..........................80
7. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВОЛОКОН........................84
8. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ
С ПРОИЗВОДСТВОМ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН..............94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................96
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................98

4

                ВВЕДЕНИЕ





     Основным видом сырья для производства волокнистых полуфабрикатов является древесина. Задача технологии волокнистых полуфабрикатов - разделить древесину на волокна. Одним из основных направлений комплексного использования древесных волокон является их использование в производстве натуральных и искусственных волокон.
     Друг от друга волокна отличаются по химическому составу, строению и свойствам. В основу существующей классификации волокон положено два основных признака - способ их получения (происхождение) и химический состав, так как именно они определяют основные физико-механические и химические свойства не только самих волокон, но и изделий, полученных из них. Преимущество использования природных полимеров во многом связано с решением экологических проблем и с уникальными свойствами природного сырья растительного и животного происхождения. В настоящее время отмечается большой интерес науки и промышленности к поиску и использованию полимеров животного происхождения, таких как хитин и хитозан, что является вполне закономерным. Природные полимеры обладают рядом интереснейших свойств, высокой биологической активностью и совместимостью с тканями человека, животных и растений, не загрязняют окружающую среду, поскольку полностью разрушаются ферментами микроорганизмов, могут широко применяться в проведении природоохранных мероприятий. За последние 100 лет население Земли удвоилось. Но еще больше возросли потребности людей. Выработка природных волокон из древесного и животного сырья стала заметно отставать от спроса. Так, за последние 20 лет она увеличилась лишь на 25 %, а спрос - на 100 %. Устранить это несоответствие помогает химия. Ежегодно на заводах производятся миллионы километров искусственного шелка и других химических волокон из древесного и животного сырья. За последние годы объем мирового производства волокон увеличился в 3 раза. Химики во многих странах

5

непрерывно трудятся над созданием новых волокон и улучшением качества уже известных.
     Не отстают от них и технологи. Изменяя состав сырья и технологию его переработки, они улучшают качество тканей и придают им ряд особых свойств, например, делают их водоотталкивающими или не теряющими форму. Следует отметить, что объем производства волокон из синтетических полимеров и их народнохозяйственная значимость также непрерывно увеличиваются.

6

                1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ВОЛОКНАХ




     Термином волокно обозначают такую физическую форму материала, которая характеризуется очень высоким отношением длины к поперечным размерам. При этом подразумевается, что сами поперечные размеры малы не только по сравнению с длиной, но и по абсолютному значению. В качестве некоего условного стандарта поперечных размеров принимается толщина природных волокон растительного и животного происхождения (хлопок, шерсть), которая обычно составляет 10-40 мкм. Однако с тех пор как появились искусственные волокна, интервал толщин несколько расширился, главным образом в сторону меньших размеров. В некоторых случаях, о чем подробнее будет сказано позднее, практическое значение получили волокна очень малой толщины - до десятых долей микрометра. В то же время для специальных технических нужд изготовляются в небольших масштабах волокна, диаметр которых достигает сотен микрометров (в частности, волокна для технических сеток). Тем не менее основная масса многотоннажных искусственных волокон имеет поперечные размеры, сопоставимые с размерами природных волокон, поскольку они часто перерабатываются в смеси с природными волокнами или на том же оборудовании. Есть и другие обстоятельства, определяющие выбор реальных толщин искусственных волокон, в частности экономические соображения. Так, производство и переработка очень тонких волокон сопряжены с большими техническими трудностями, из-за чего приходится искать компромиссные решения.
     Верхние значения толщины ограничиваются их эластическими свойствами: повышение диаметра волокна увеличивает жесткость ткани, снижает ее драпирующую способность. Что касается волокон, используемых в технических целях, то здесь нет каких-либо общих закономерностей в выборе диаметра волокна, хотя в большинстве случаев предпочтительнее иметь нить, состоящую из нескольких отдельных волокон, чем одно волокно (одиночную нить) равновеликого общего диаметра.

7

     Во всяком случае, очевидно, что возможность регулировать толщину является важным преимуществом искусственно получаемых волокон перед природными.

        Классификация волокон

     С учетом классификационных признаков волокна делятся на:
        •  натуральные;
        •  химические.
     К натуральным волокнам относят волокна природного (растительного, животного, минерального) происхождения: хлопок, лен, шерсть и шелк. К химическим волокнам - волокна, изготовленные в заводских условиях. При этом химические волокна подразделяются на:
        •  искусственные;
        •  синтетические.
     Искусственные волокна получают из природных высокомолекулярных соединений, которые образуются в процессе развития и роста волокон (целлюлоза, фиброин, кератин). К тканям из искусственных волокон относятся:
        •  ацетат;
        •  вискоза;
        •  штапель.
     Эти ткани прекрасно пропускают воздух, очень долго остаются сухими и приятны на ощупь. Сегодня все эти ткани активно используются производителями белья, а благодаря новейшим технологиям, способны заменять натуральные.
     Синтетические волокна получают путем синтеза из природных низкомолекулярных соединений (фенола, этилена, ацетилена, метана и др.) в результате реакции полимеризации или поликонденсации в основном из продуктов переработки нефти, каменного угля и природные газов.
     На сегодняшний день рынок готовых изделий может быть представлен широким ассортиментом белья, трикотажных изделий, одежды, ковровых изделий и прочими товарами повседневного спроса, сезонного спроса или длительного использования.

8

                2.    НАТУРАЛЬНЫЕ ВОЛОКНА РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ





Рис. 1. Классификация натуральных волокон

     Натуральные волокна - это волокна, которые существуют в природе в готовом виде, они образуются без непосредственного участия человека.
     Основным веществом, составляющим волокна растительного происхождения, является целлюлоза. Это твердое труднорастворимое вещество состоит из звеньев СбНюОб. Помимо целлюлозы в растительных волокнах присутствуют воски, жиры, белковые, красящие вещества и др.
     Растительные волокна могут быть расположены:
        •  на поверхности семян - хлопок;
        •  на стенках плода - капок;
        •  в оболочке плодов - кайр;
        •  внутри стебля - лен, пенька, джут, кенаф;
        •  в листьях - абака, сизаль, генекен, формиум, юкка.
     Наиболее распространенными из растительных волокон являются хлопок и лен.

9

2.1.ХЛ0ПК0ВЫЕ ВОЛОКНА


     Хлопковые волокна - это волокна, покрывающие семена хлопчатника, используются в пряже в двух видах: в натуральном отбеленном и в мерсеризованном. Натуральный хлопок окрашивается только в блеклые тона (таковы его свойства), а после мерсеризации хлопок удается окрасить в яркие сочные тона, и часто этот блеск по незнанию воспринимается как примесь синтетического волокна. Конечно, процесс мерсеризации не очень дешевый, но явные преимущества внешнего вида и носкость изделий оправдывают его стоимость. Однако необходимо помнить, что мерсеризованный хлопок менее растяжим и более подвержен усадке после сушки, чем не мерсеризованный. Хлопчатник известен человеку уже 5000 лет. Это кустарниковое тропическое растение. Родина хлопка - Индия и Южная Америка. До XVI в. индийцы держали в тайне производство хлопка. В Европу привозили только готовые ткани. В России хлопок выращивают с XVIII в. В мире произрастает 35 видов хлопка, но только 4 вида подходят для волокон.
     На благо человека используют:
     • семена (на волокна);
     • ветки и отходы (на вату, бумагу, картон и т. д.).
     Первичная обработка хлопка:
     1.      Из семян-коробок получают волокна хлопка-сырца (в одной коробке 7-15 тыс. волокон).
     2.      Сортируют по качеству.
     3.      Прессуют в кипы.
     Хлопковые волокна: белые, пушистые, короткие (до 50 мм), тонкие, матовые, мягкие, прочные.
     Из молекул целлюлозы состоят также: конопля - травянистое однолетнее растение (человеку конопля известна уже 3500 лет; волокна конопли называют пенькой); юта - тропическое растение (родина - Индия, Китай); кенаф - тро

10

пическое растение (родина - Индия, Китай); джут - тропическое растение (родина - Южная Америка, Африка).
     Волокна названных тропических растений служат для технических целей (мешки, изоляционный материал, брезент, рыболовные сети, канаты, упаковочная ткань), а также в быту (ковры, покрывала, обивка для мебели).
     Хлопок представляет собой тонкие, короткие, мягкие пушистые волокна. Волокно несколько скручено вокруг своей оси. Для хлопка характерны относительно высокая прочность, химическая стойкость (он долгое время не разрушается под воздействием воды и света), теплостойкость (130-140 °C), средняя гигроскопичность (18-20 %) и малая доля упругой деформации, вследствие чего изделия из хлопка сильно сминаются. Стойкость хлопка к истиранию невелика.
     Преимущества хлопка:
     •  мягкость;
     •  хорошая поглощающая способность в теплое время;
     •  легкость в окраске;
     •  здоровый, натуральный материал.
     Недостатки:
     •  легко мнется;
     •  имеет тенденцию к усадке;
     •  желтеет на свету.
     Первым орудием для очистки хлопка от семян в Индии была так называемая «чурка», состоящая из двух вальков, причем верхний - неподвижный, а нижний - вращающийся рукояткой. Хлопок с семенами подается между валиками, валик захватывает волокно и протаскивает его на другую сторону, а семена, не прошедшие между валиками, отрываются и падают спереди. При этой операции два-три сменных рабочих могли очистить в день не более 6-8 кг чистого хлопка. Поэтому о крупном и дешевом производстве хлопка не могло быть и речи.
     В 1792 г была изобретена пильная машина, или пильный коттон-джин Ели Уитнея, которая значительно ускорила и удешевила эту работу (при тех же

11

2-3 рабочих, как и при «чурке», стали получаться сначала сотни, а затем и полторы тысячи и более килограмм в день при одной машине, соответственно, числу пил, по размерам машины и по двигателю, приводящему машину в работу, в качестве движущей силы, которой могли выступать руки рабочих, сила животных, вода и т. д.). С этого времени хлопководство стало быстро и повсеместно развиваться, как никакая другая отрасль промышленности в мире. Хлопковое волокно получают с растения, называемого хлопчатником. Главными районами хлопководства являются республики Средней Азии - Узбекская, Туркменская и Таджикская. Средняя длина волокон хлопка, покрывающих семена внутри плода растения - коробочки, колеблется от 22 до 50 мм при поперечнике 18-25 мК. Удельный вес хлопкового волокна 1,53, разрывная длина 24-35 км. Волокна хлопка представляют собой клетки с очень тонкими стенками и внутренним каналом. Под микроскопом волокна представляются в виде плоских ленточек, штопорообразно закрученных. У зрелого волокна такая ленточка закручена больше и равномернее, чем у незрелого. Волокна зрелые, имеющие стенки определенной толщины и канал, открытый с одной стороны, легко прокрашиваются растворами красителей; волокна же незрелые, не имеющие канала и с очень тонкими стенками, не окрашиваются, остаются белыми, что является пороком, проявляющимся на тканях при крашении.


2.2. ЛЬНЯНЫЕ ВОЛОКНА

    Льняные волокна - это натуральные волокна растительного происхождения. Лен человеку известен со времен каменного века. За несколько тысяч лет до н. э. ткани изо льна знали в Египте, Грузии. На Руси лен повсеместно выращивают с Х-ХШ вв. Сегодня лен растет в местах умеренного климата, в мире насчитывают до 200 видов льна. Льняное волокно до недавнего времени не имело широкого применения в пряже для ручного вязания, однако в последние два-три года льняная пряжа стала модной. Волокна льна заложены в лубяном

12