Молекулярное строение целлюлозы

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 дисциплины «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

 

Текстильные волокна

Классификация

 

По происхождению все текстильные волокна делятся на природные 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 углерода другие атомы – О, N). Схема классификации представлена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация текстильных волокон

На текстильном рынке в настоящее время доминируют целлюлозные (хлопок, лен, вискоза) волокна. Однако постоянно растет выпуск химических и в первую очередь синтетических волокон, которые по объему производства приблизились к хлопку. Из синтетических самыми динамично развивающимися являются полиэфирные волокна. Они занимают второе после хлопка место, затем идут полиамидные и полиакрилонитрильные. Динамика мирового производства 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 полиэфирных волокон.

 

Структура волокон

 

Независимо от своего происхождения все текстильные волокна являются высокомолекулярными соединениями (имеющими большую молекулярную массу), полимерами (состоящими из многократно 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.

Второй уровень – надмолекулярная структура, которая характеризует взаимодействие между макромолекулами, различные виды структурных образований макромолекул.

Третий уровень – микроструктура, которая показывает характер внешней и внутренней поверхности волокон.

 

Молекулярная структура

 

Молекулярная структура волокна (первичная структура) оказывает первостепенное влияние на формирование надмолекулярной и микроструктуры волокна.

Молекула полимера построена из многократно повторяющихся звеньев (остатков мономеров), соединенных ковалентными связями. Рассмотрим, например, образование полимера полипропилена из мономера пропена.

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 характеристики волокна, поскольку, во-первых, они зависят от суммарного 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 макромолекул. Цепь может состоять из одинаковых звеньев
(–А–А–А–А–) – гомополимеры и разных – сополимеры с регулярным (–А–Б–В–А–Б–В–) и случайным (–А–А–Б–А–В–В–) чередованием различных звеньев.

Приведенные схемы соответствуют линейным полимерам (), кроме них существуют разветвленные () и редкосшитые, сетчатые полимеры – шерсть, ПВС (). Из трех видов полимеров наибольшей гибкостью 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 конформацию. Так в кристаллических областях они чаще всего имеют вытянутую, а в аморфных – изогнутую и складчатую формы. При изменении внешних условий возможны конформационные переходы.

 

Надмолекулярная структура

 

Макромолекулы в полимере взаимодействуют между собой. Формы и интенсивность этого взаимодействия зависят от химического строения макромолекул и условий формирования волокна. В результате взаимодействия формируется надмолекулярная структура волокна. Для всех текстильных волокон она носит фибриллярный характер. Отдельные макромолекулы, взаимодействуя друг с другом с помощью сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, образуют ассоциаты – фибриллы. Внутри фибриллы структура неоднородна: участки с плотной, упорядоченной структурой – кристаллические – 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 подавляющая часть процессов отделочного производства не затрагивает кристаллических областей. Для этого понадобились бы очень жесткие (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 отличаются 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 материалов, протекают в аморфных зонах волокна. Белящие агенты, красители и другие ТВВ диффундируют и сорбируются в аморфных зонах.

 

Микроструктура

 

Характеристика микроструктуры волокон включает в себя форму поперечного сечения волокна, равномерность или неравномерность 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).

Рис. 4. Формы поперечного сечения хлопкового волокна:

а- незрелого, б- зрелого

В силу специфики произрастания (природные) или производства (химические) волокна имеют структурную неоднородность по сечению волокна, что выражается наличием слоев структуры с разной 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 огромное влияние на его диффузионную проницаемость и сорбционную способность. Наибольшую внутреннюю поверхность имеют натуральные и искусственные волокна. Неразвитая внутренняя поверхность синтетических волокон является причиной их низкой диффузионной проницаемости. Поэтому обработка таких материалов в отделочном производстве ведется при высоких температурах, превышающих температуру стеклования волокна. В этом случае возникает свободный объем, через который и обеспечивается диффузия в волокно красителей и других отделочных препаратов.

 

 

ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ ВОЛОКНА

Классификация

Целлюлозные волокна – наиболее распространённые текстильные волокна, в основе которых лежит природный полимер целлюлоза.

Все целлюлозные волокна делятся на природные и искусственные. Среди природных наибольшее значение имеют хлопок и лён (значительно реже используются джут, кенаф, пенька, рами, сизаль). Эти волокна отличаются друг от друга по морфологическому, надмолекулярному строению, а также по количеству и составу примесей. Так, элементарное зрелое хлопковое волокно представляет собой одну клетку – плоскую сужающуюся к концам ленту, закрученную по спирали (рис. 5). В поперечнике выделяются первичная, 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 волокна 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 условиях химических предприятий из высококачественной древесины. Древесную целлюлозу сначала растворяют с помощью какого-либо химического реагента (в зависимости от типа волокна), а затем раствор продавливают через фильеры и выходящие струи направляют в осадительную ванну, где они затвердевают и превращаются в волокно. Поперечное сечение волокна зависит в основном от условий производства. Искусственные волокна практически не имеют природных примесей.

 

Молекулярное строение целлюлозы

 

Целлюлоза – природный полимер класса полисахаридов (углеводов), широко распространённый в природе (стебли растений, стволы деревьев, семяна).

Элементарным звеном целлюлозы является
β-D-глюкопираноза, в основе целлюлозы лежит дисахарид – целлобиоза.

n.

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

В каждом элементарном звене целлюлозы содержится по три спиртовые (гидроксильные) группы. Они играют очень важную роль в химических взаимодействиях целлюлозного волокна с красителями и др. реагентами, используемыми в химической отделке текстильных материалов. Поэтому их называют активными
центрами целлюлозного волокна.

Степень полимеризации целлюлозы наиболее высокая у природных волокон (у хлопкового 10000-15000, у льняного до 36000) и значительно ниже у искусственных (300-800). Это сказывается на прочностных показателях волокна.