Химическая технология текстильных материалов. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕКСТИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И ОТДЕЛКЕ ТКАНЕЙ (Э. Ф. Вознесенский, 2014)

1.1. Основные тенденции развития отделочного производства

Требования к текстильным материалам – это служить для изготовления одежды и предметов быта, украшать жизнь человека. Наряду с этим предъявляются требования, связанные с необходимостью обеспечить комфорт при их использовании. Указанные требования определяют важность придания тканям формостойкости, повышенной гидрофильности или гидрофобности, легкой отстирываемости и др.

В современном мире к текстильным материалам предъявляются новые требования: уметь изменять свойства в нужном человеку направлении под воздействием внешней среды, т.е. вырабатывать «ответную реакцию» – это, так называемый «умный текстиль». Изделия из него находят широкое применение для экипировки военнослужащих, космонавтов, участников экспедиций; окрашенные ткани могут изменять цвет под действием воды, тепла и света.

Все эти требования нашли свое воплощение в процессах заключительной отделки текстильных материалов, технологическое и аппаратурное развитие которых началось практически в XX в. одновременно с развитием химии и технологии полимерных материалов, применение которых лежит в основе заключительной отделки тканей.

Производство текстиля состоит из двух очень непохожих по своей сути стадий: механической и химической технологий. На первой, механической фазе осуществляется производство из природных или химических волокон пряжи (прядение), из которой затем изготавливаются ткани (ткачество). Практически никаких химических превращений с волокнами, пряжей и тканями не происходит. Для реализации механической стадии технологии необходимы обширные знания физико-механических свойств волокон, которые определяются их химической и физической природой.

Химическая технология текстильных материалов (ХТТМ) в качестве объектов воздействия имеет дело с суровой тканью (реже пряжей), трикотажем или нетканым материалом. Основными стадиями ХТТМ (отделки) являются очистка текстильных материалов от загрязнений (подготовительные процессы), колорирование (крашение и печатание) и заключительная отделка (аппретирование).

ХТТМ как самостоятельная химико-технологическая дисциплина начинает формироваться в середине XIX в. ХТТМ изучает преимущественно химические, физико-химические и коллоиднохимические явления, лежащие в основе процессов отделочного производства. Практически все основные разделы химии активно используются в ее теории и практике. В развитии ХТТМ как области знаний и прикладной деятельности принимали активное участие видные ученые химики разных стран – У.Г. Перкин, Н.Н. Зинин, А.Е. Порай-Кошиц, М.А. Ильинский, У.Х. Карозерс и др.

Текстиль был важным предметом торговых общений между народами, причиной открытия новых торговых путей, и даже поводом для войн. В настоящее время текстиль является одним из важнейших предметов соглашения в рамках ВТО (Всемирная торговая организация). И это не удивительно, так как доходы от производства и потребления текстиля составляют для больших государств от 15 до 20 % общих поступлений в бюджет (США, Китай). В настоящее время производство натуральных волокон достигло 27–28 млн. т в год и постепенно приближается к своему пределу 32–35 млн. т в год, так как аграрные ресурсы и возможности совершенствования агротехники в значительной мере лимитированы.

Коренная проблема современного этапа развития отечественной текстильной промышленности состоит в повышении конкурентоспособности ее продукции. Путь ее решения лежит в повышении качества продукции, а также в снижении издержек производства.

Применительно к текстильному и отделочному производству снижение издержек может быть достигнуто за счет:

– сокращения расхода технологической воды;

– снижения энергозатрат;

– сокращения расхода основных и вспомогательных реагентов;

– увеличения производительности оборудования;

– снижения вредного влияния текстильного производства на окружающую среду.

1.2. Термины и понятия ХТТМ

К текстильным материалам относят вырабатываемые из волокон и нитей ткани и нетканые материалы, трикотаж, войлок, сети, канаты и др.

Текстильными волокнами называют гибкие прочные тела с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодные для изготовления текстильных изделий.

Нить – гибкое и прочное тело малых поперечных размеров и значительной длины, используемое для изготовления текстильных изделий.

Ткани изготавливают переплетением двух взаимно перпендикулярных систем параллельно расположенных нитей основы (продольные нити) и утка (поперечные нити).

Трикотаж вырабатывают из одной или многих нитей одной системы путем образования и переплетения петель.

Нетканые полотна получают скреплением слоев волокон (холстов) или параллельно расположенных нитей.

Подготовка – начальная стадия технологии. Основой подготовки текстильных материалов является очистка от загрязнений и придания текстилю устойчивой капиллярности и белизны. Подготовительная стадия включает в себя ряд последовательных процессов и операций, однако обобщенно может назваться – беление.

Под крашением понимают физико-химический процесс взаимодействия волокнистого материала с красителями, при котором изделие приобретает однотонную окраску, устойчивую к различным внешним воздействиям.

Печатание тканей – это художественно-колористическое их оформление, отличающееся от гладкого крашения тем, что окрашивание ткани происходит только в местах нанесения рисунка, состоящего из одного или нескольких цветов.

Аппретирование (от франц. appreter – окончательно отделывать) в текстильной промышленности, одна из основных операций заключительной отделки материалов, в результате которой они приобретают ряд ценных свойств: повышенную износоустойчивость, безусадочность, несминаемость, гидрофобность, противогнилостность, негорючесть и др. В отдельных случаях аппретируют пряжу, когда она выпускается в виде товарной продукции (ниточные изделия).

1.3. Истоки искусства окрашивать и печатать ткани

Производство текстиля и изделий из него является одной из самых древних технологий. Эта технология развивалась и совершенствовалась синхронно с развитием цивилизации и, прежде всего, фундаментальных и прикладных наук; доминирующую роль в ней играла и будет играть химия. Производство текстиля прошло традиционные стадии развития: искусство – ремесло – технология. 6 тысяч лет тому назад человек уже знал и использовал 4 важнейших природных волокна: лен, хлопок, шерсть и шелк. Археологические раскопки доказывают, что еще на самых ранних стадиях развития люди умели эти волокна выращивать и перерабатывать в изделия. Тем самым участвуя в борьбе за свое существование с природой, приспосабливая ее к своим нуждам.

Первым освоенным, окультуренным человеком волокном был лен. Еще пять тысяч лет до н.э. в долине реки Нил на территории современного Египта из льна изготавливали ткани. Еще раньше наши предки умели извлекать волокна из стеблей лубяных растений, плести из них подобие тканей и использовать их для прикрытия своего тела.

Жители найденного археологами на берегу Швейцарского озера древнего поселения, которое процветало в конце каменного века (неолит, около 8–3 тыс. лет до нашей эры), умели прясть и ткать из льна. При раскопках этого поселения в Швейцарии были обнаружены пряди льняных волокон, фрагменты тканей и примитивные приспособления, с помощью которых производились пряжа и ткань. Тысячелетия эти материалы пролежали под толщей ила в воде озера и потому сохранились.

Вторым важнейшим волокном, которое освоил человек была шерсть. В период неолита (конец каменного века) человек использовал наряду со льном шерсть. Жители древнего поселения на территории современной Швейцарии разводили овец. Самая ранняя дата, связанная с овцеводством и производством шерсти, подтвержденная раскопками, соответствует 4000 лет до нашей эры. В долине Евфрата (Древняя Мессопотамия) разводили овец, пряли шерсть и ткали примитивные ткани. В древнем Вавилоне выделывали шерстяные ткани, а на территории страны УР (упоминается в библии) недалеко от Персидского залива археологи раскопали древнюю мозаику с изображением разведения овец. Это соответствует примерно 3500 году до нашей эры.

Третье важнейшее волокно, освоенное человеком – хлопок. Первое материальное подтверждение его производства относится к 1000 лет до н.э., о чем говорят археологические раскопки поселения в Индии. Исследования показывают, что хлопок начали использовать в Египте несколько тысяч лет до н.э. Купцы завозили хлопок из Индии на Ближний Восток, в Центральную Азию и затем в Китай.

Само слово хлопок («cotton») происходит от арабского слова «quoton». Одной из загадок развития человеческой цивилизации остается вопрос: каким образом человек научился выращивать хлопок, прясть его и ткать из него ткани в одно и тоже время на разных континентах (в Азии и в Южной Америке, в стране древних Инков – Перу). Еще в неоткрытой европейцами Южной Америке, древние инки выделывали хлопчатобумажные ткани превосходного по современным меркам колористического оформления и качества. Таким образом, эти технологии были освоены еще в доисторические времена на разделенных друг от друга тысячами километров континентах.

В Египте 2500 лет до н.э. умели делать ткани высочайшего качества, не уступающие современным. Египетские мумии этого времени были обернуты в ткань плотностью 540 нитей на 1 дюйм. Лучшие современные английские ткани подобного типа имеют плотность 350 нитей на 1 дюйм.

Четвертое важнейшее природное волокно – шелк. Вероятно, Родиной его производства был Китай. Легенда гласит, что китайская императрица Xен-Линг-Чи (примерно 2600 лет до н.э.) первая открыла это замечательное волокно. Она случайно уронила кокон в горячую воду и увидела, что из размягченного кокона отделились шелковые нити. Императрица поняла возможность использования этих нитей. Так родилась древнейшая культура шелководства, основанная на жизнедеятельности тутового шелкопряда, питающегося листьями белой шелковицы (тутовник).

Технология выделывания шелковых тканей точно происходит или из Китая или других стран Дальнего Востока и ее рождение соответствует примерно 3000 лет до н.э.

Китайцы довели культуру и производство шелка и шелковых тканей до совершенства и примерно 1400 лет до н.э. ткани из шелка различного вида и одежда из них стали предметом обычного потребления в этих странах. В Китае существовал в это время налог на использование изделий из шелка.

Таким образом, четыре природных волокна были освоены и использовались для производства тканей доисторическим человеком по технологической схеме: выращивание – прядение – ткачество. Эта простейшая схема, изобретенная более чем 6 тысяч лет тому назад, не претерпела принципиальных изменений до сих пор, пройдя путь от ручной до высокоавтоматизированной скоростной (робототехника) технологии. Простейшие прялки и ткацкие станки, которые находят при раскопках древних поселений основаны на тех же принципах, что и современное автоматизированное текстильное прядильное и ткацкое оборудование.

На территории нашей страны искусством выделки тканей владели с древних времен. Создание текстильной промышленности и отделочной отрасли ее началось в России в форме мануфактур при Петре I. Мануфактурный период развития характеризуется высоким качеством текстильной продукции. Достаточно сказать, что в XVIII в. Россия являлась одним из ведущих в мире производителей и экспортеров текстиля. В XIX в. происходит переход от мануфактур к фабричной форме организации производства текстиля.

Однако изначально в России текстильное производство в т.ч. и отделочное сильно зависело от Западного капитала: красители, вспомогательные материалы, оборудование и даже специалисты. А готовая продукция экспортировалась в том числе и на Запад.

Современная технология отделки текстиля практически полностью воспроизводит исторически принятую последовательность процессов отделки суровых тканей: беление, крашение, печатание и аппретирование.

Из истории беления тканей

Наиболее технически отсталым в мануфактурный период продолжал оставаться процесс беления тканей: он базировался, в основном, на применении природных факторов (вода, воздух, солнце) и имеет своим назначением уничтожение пигментов ткани и удаление шлихты. Беление производилось на обширных лугах, которые должна была иметь каждая мануфактура.

Беление заключалось в варке полотен в чанах с горячим раствором извести и поташа; затем полотна на жердях развешивались на лугу, в чем собственно и заключалась операция беления. Обе стадии обработки повторялись обычно несколько раз.

Достижением мануфактурной техники является замена ручной поливки тканей механической. На крупных мануфактурах в XVIII в. устанавливались водяные колеса двойного назначения: одни – для подъема воды из реки в белильные каналы, устраиваемые на лугу, другие – для непосредственной поливки развешанных полотен. Процесс беления длился очень долго – от трех недель до двух месяцев, пока не оказывалось полностью использованным действие солнца и воздуха. Варка в едких щелочах часто портила ткань, и эта операция требовала особенно тщательного наблюдения.

Во время мануфактурного производства подготовка занимала десятки часов, а иногда и недели (особенно подготовка х/б и льняных тканей). В настоящее время подготовку осуществляют на непрерывно действующем оборудовании или на машинах периодического действия высокой производительности. Для повышения производительности труда при подготовке текстильных материалов совмещают отдельные операции. Однако в этом случае надо помнить о том, чтобы не происходило ухудшения свойств текстильных материалов.

Из истории крашения

Окрашивание пряжи или тканей естественными органическими красителями, которые содержатся в растениях или в некоторых видах насекомых и морских животных, уходит своими истоками в глубокую древность. Из всего многообразия растительного мира практикой крашения с течением веков были отобраны те красильные растения, которые обеспечивали наиболее высокое качество, долговечность и красоту окраски.

Круг природных красителей, дающих прочную красную и синюю окраску невелик. Лучшими по красоте и долговечности были два красных красителя животного происхождения: пурпур, добывавшийся из средиземноморских моллюсков до XIX века, и кармин, который экстрагировали из насекомых двух разных видов – червеца на территории Европы и Азии и кошенили в Южной Америке. Наиболее популярным растительным красителем красного цвета, не уступавшим по прочности кармину, был крапп, который извлекали из корней марены красильной.

Самый распространенный краситель синего цвета – индиго, также отличающийся особой стойкостью окраски, был единственным в своем роде. Индиго получали из растения, произрастающего в странах с теплым климатом – Индии, Юго-Восточной Азии. Другие индигоносные растения из более северных широт не давали столь интенсивной окраски, поэтому конкурировать с индиго не могли. До конца XIX века индиго был единственным надежным синим красителем текстильных волокон.

Из красителей других цветов излюбленными были ярко-желтые, которые извлекали из тропического растения куркумы и корней барбариса.

Такие яркие и прочные красители использовались для изготовления драгоценных тканей, потребителями которых были только знатные лица.

Кроме того, существовало множество желтоватых и коричневых красителей разных оттенков, которые получали в каждой стране из местного сырья – корней и коры растений разнообразных видов. Эти красители были самыми доступными, и поэтому коричневые бурые и неяркие желтые тона считались цветами бедноты.

Естественные природные красители использовались в промышленном масштабе вплоть до 60–70-х годов XIX века. Только изобретение анилиновых красителей окончательно вытеснило старые способы крашения. Интересно, что в это время и по всему Востоку распространяются искусственные красители. Ни закон персидского правительства, запрещавший их ввоз, ни распоряжения прекратить работу на тех фабриках, где они применялись, не могли тому воспрепятствовать. Жестокое наказание – отсекать правую руку каждому красильщику, кто прибегал к химии, – скоро было предано забвению, а после первой мировой войны химические красители вошли уже в общее употребление. Однако древние методы сохраняются и в настоящее время в ковроделии и при выработке других художественных изделий ручным способом.

Натуральные красители для текстильных волокон извлекают из высушенного природного сырья: коры, корней, древесины, листьев, плодов, насекомых – путем вываривания их в воде. Исключение составляет только синий краситель индиго, который в воде не растворяется.

Большинство красящих веществ, содержащихся в природном сырье, требует для прочного соединения с волокном обработки ткани или пряжи солями различных металлов, главным образом алюминия, меди, хрома, железа и олова. Соли этих металлов хорошо поглощаются текстильными материалами из водных растворов и при крашении, соединяясь с красителями, образуют на волокнах прочные цветные соединения разных оттенков, называемые лаками.

Нанесение солей металлов на текстильные волокна называется в технике крашения протравливанием, а соли металлов – протравами.

Крашение не растворимым в воде индиго имеет особую технологию и называется кубовым крашением. Сущность кубового крашения заключается в том, что индиго в щелочной ванне в присутствии восстановителей переходит в растворимую форму, называемую лейкосоединением. В светло-желтый щелочной раствор лейкосоединения – куб – погружают ткань или пряжу, которую затем развешивают на воздухе, где она превращается из желто-зеленоватой в синюю, за счет окисления лейкосоединения кислородом воздуха. При окислении лейкосоединение превращается на волокне в исходный нерастворимый краситель синего цвета – индиго.

Зеленые тона получали в древности окрашиванием ткани или пряжи индиго в голубые или синие цвета, а затем желтым красителем, экстрагированным из растений. Таким же образом по окраске индиго получали лиловые и фиолетовые тона, окрашивая синие ткани в красный цвет.

Дальнейшее развитие технологии колорировании текстиля связано с успехами в области получения искусственных красителей из природного сырья и, в частности, анилиновых из индиго (1826 г.). К 60 м годам XIX в. относится появление азокрасителей, наиболее распространенного в настоящее время класса синтетических красителей. В XIX в. развитие красильного дела идет параллельно с прогрессом техники машинного печатания тканей. В начале XX в. тенденцией развития текстильных машин является предельная автоматизация и стремление проникнуть во все звенья производственного цикла, где еще сохранились элементы ручного труда. Электричество широко внедряется в работу исполнительных органов машин. К настоящему времени крашение тканей представляет собой высокопроизводительную автоматизированную промышленную технологию.

Набивка и аппретирование ткани

Обычно ткани после ткачества подвергались ряду аппретурных операций, имевших целью придать материи гладкость и определенный цвет. В древнем Риме в I в. н.э. для обработки тканей употребляли различные виды мела и серы. Добывавшийся в Сардинии сардинский мел шел на аппретуру белых (льняных) материй, при отделке разноцветных тканей применялся кимольский мел, для лощения одежд служил наиболее дорогой сорт умбрийского мела, называвшегося камнем. В средневековой Европе аппретирование льняных тканей сводилось к белению сушке и лощению (разглаживанию) под винтовым прессом.

В мануфактурный период для аппретирования полотняных тканей применяются элементарные машины в виде прессов и лощильных аппаратов (роллов). Примером пресса того времени можно считать винтовой пресс, применявшийся на итальянских мануфактурах конца XVI в. и винтовой пресс Большой Ярославской мануфактуры середины XVIII в., служившие для сглаживания полотен и для придания им глянцевости. Здесь рабочий при помощи крюка и деревянной колодки или длинного стержня производил вращение винта вверх и вниз, т.е. выполнял чисто двигательную функцию.

В отличие от пресса ролл представлял собой вертикальный круглый столб, рабочий вал которого производил лощение ткани путем ее прокатки. На русских мануфактурах XVIII в. роллы приводились в движение силой животных.

В дальнейшем для каландрирования и лощения стали применять каландры, сначала в виде тяжелых подвижных валов в первой половине XVIII в., в последствии с середины XVIII в. – по принципу прокатного стана, в виде двух нагреваемых металлических валов с регулируемым давлением прижима. Отличие лощильного аппарата от каландра заключалось в том, что он имел своим назначением отделку уже готовой набитой ткани, наведение на нее глянца.

Последние звенья технологического процесса текстильного производства представляли действительный образец централизованной формы мануфактуры. Если приготовительные операции, прядение и часто ткачество осуществлялись мелкими производителями, работавшими на дому и объединенными купцомпредпринимателем, то технические особенности аппретурных операций почти всегда требовали концентрации средств производства и рабочей силы в одном помещении. Это относится в особенности к ситценабивным мануфактурам, получающим развитие в Западной Европе с конца XVII в.

Первое предприятие такого рода возникло в Голландии в 1678 г. Первая крупная ситценабивная мануфактура в Англии возникла в 1690 г. в г. Ричмонд. Центром ситцепечатного дела становится г. Аугсбург, одно из предприятий которого имело около 3500 рабочих и выпускало в год 70 000 кусков ситца. К этому же времени относится появление первых, организованных иностранцами ситценабивных мануфактур в России (в 1755–1767 гг.).

Основными участками аппретурных предприятий были: белильное производство, красильное производство, печатание тканей (преимущественно льняных и хлопчатобумажных), каландрирование и лощение материй. Сложное и дорогое оборудование, сырые, материалы, необходимые для этих процессов, требовали организации производства в крупном масштабе и придавали ему ярко выраженный капиталистический характер. Необходимость использования гидравлического двигателя для целей беления и приведения в действие тяжелых каландров и лощильных аппаратов определило географическую локализацию этих предприятий, концентрировавшихся, как и металлургические заводы, преимущественно на берегах рек.

Современная технология заключительной отделки тканей во многом основана на исторически устоявшихся принципах, также используются каландры и прессы. Отличительной особенностью современного этапа является высокий уровень механизации и автоматизации техники, применение механизированной сушки, ширения, стрижки, декатировки и др.

1.4. Особенности строения и свойств текстильных волокон

Сырьем для текстильного производства являются волокна и нити. Особенности строения и свойств волокон определяют выбор технологии ткачества и химической отделки.

По источникам происхождения текстильные волокна подразделяют на натуральные и химические. По происхождению волокнообразующего вещества натуральные волокна подразделяют на три подкласса: растительного, животного и минерального происхождения. Химические волокна подразделяют на искусственные и синтетические.

Натуральные волокна

Различают природные волокна растительного (хлопок, лен, джут) и животного (шерсть, шелк) происхождения. Главным образом они используются для изготовления текстильных изделий. В основе природных растительных волокон лежит целлюлоза, волокнообразующими полимерами волокон животного происхождения являются белки. Натуральные волокна обладают чрезвычайно развитой микроструктурой и высокой гигроскопичностью.

Хлопок

Хлопок – это волокна, покрывающие семена растений хлопчатника. Хлопчатник – однолетнее растение высотой 0,6–1,7 м, произрастающее в районах с жарким климатом. Основным веществом (94–96 %), из которого состоит хлопковое волокно, является целлюлоза. Хлопковое волокно нормальной зрелости под микроскопом имеет вид плоской ленточки со штопорообразной извитостью и с каналом, заполненным воздухом. Один конец волокна со стороны его отрыва от семени хлопчатника открыт, другой, имеющий коническую форму, закрыт.

Количество волокна зависит от степени его зрелости. Хлопковым волокнам присуща извитость. Волокна нормальной зрелости имеют наибольшую извитость – 40–120 извитков на 1 см. Длина хлопкового волокна колеблется от 1 до 55 мм. В зависимости от длины волокон хлопок делят на:

– коротковолокнистый (20–27 мм);

– средневолокнистый (28–34 мм);

– длинноволокнистый (35–50 мм).

Химическое строение и свойства целюлозы определяют свойства хлопчатобумажных тканей в целом и технологию их обработки в отделочном производстве. Кроме того, в хлопковом волокне имеются сопутствующие целлюлозе примеси, которые удаляют из нее в процессе подготовки тканей к крашению и печатанию. Основными примесями являются: воскообразные, азотсодержащие (белковые), пектиновые вещества, минеральные соли и естественные красители (следы).

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение, образованное остатками β-Д-глюкопиранозы, которые соединены друг с другом 1–4 глюкозидными связями. Отдельные макромолекулы целлюлозы в волокне связаны между собой межмолекулярными водородными связями. Общую формулу целлюлозы можно представить в виде [C₆H₇O₂(OH)₃]_n, где n – степень полимеризации. Для целлюлозы хлопка n = 10000–15000. Хлопковое волокно устойчиво к действию органических растворителей, набухает в водных растворах, особенно при нагревании, выдерживает кратковременное воздействие температуры 200^оС. При длительном нагревании (при температуре > 100^оС) происходят необратимые структурные изменения.

Разбавленные растворы минеральных кислот (до 5 г/л) при температуре 20–30^оС в течение 15–60 мин не оказывают деструктирующего воздействия на целлюлозу. При повышении температуры и длительности обработки происходит разрушение волокна по причине гидролиза целлюлозы до низкомолекулярных продуктов, смесь которых называют – гидроцеллюлоза. Водные растворы органических кислот на целлюлозу не действуют.

К водным растворам едкого натра (до 1 %) целлюлоза хлопка устойчива при температуре 20–30^оС. При повышении температуры и концентрации щелочи целлюлоза окисляется кислородом воздуха с образованием смеси продуктов различной степени деструкции – оксицеллюлозы. В концентрированных растворах щелочей (25–30 %) происходит набухание хлопкового волокна. При этом щелочь вступает в химическое взаимодействие с целлюлозой. Образующаяся при этом щелочная целлюлоза легко гидролизуется до гидратцеллюлозы.

Лен

Лен – однолетнее травянистое растение, имеет две разновидности: лен-долгунец и лен-кудряш. Из льна-долгунца получают волокна. Льняное волокно, подобно хлопковому, на 75 % состоит из природного полимера целлюлозы, химическая структура и свойства которого определяют свойства льняных тканей. Природных трудноудаляемых примесей в техническом льняном волокне содержится значительно больше, чем в хлопковом. К сопутствующим веществам льна относятся: лигнин, пектиновые, жировосковые, азотистые, красящие, зольные (минеральные) вещества, вода. Волокно гигроскопично, его кондиционная влажность – 12 %, и поэтому оно обладает хорошими гигиеническими свойствами и достаточно легко окрашивается всеми классами красителей, рекомендуемыми для колорирования изделий из целлюлозных волокон.

Химические свойства льняного волокна аналогичны хлопковому, поскольку определяются свойствами природной целлюлозы.

Шерсть

Шерстяное волокно является продуктом жизнедеятельности животных: овец, коз, верблюдов и снимается с них при стрижке.

Главной составной частью шерстяного волокна является природный белок – кератин. По химической структуре белок кератина имеет полипептидную природу и состоит из остатков различных аминокислот, соединенных пептидными связями .

Установлено, что в состав кератина входит 19 аминокислот сложного химического строения, в том числе цистиновая кислота, определяющая некоторые специфические особенности структуры и свойств шерстяного волокна. Это связано с наличием между молекулами цистина дисульфидных связей (– S – S –).

Макромолекулы кератина, помимо главных продольных цепей, имеют боковые ответвления, содержащие функциональные группы – NH₂ , – COOH, – OH. Они могут взаимодействовать между собой и с функциональными группами другой макромолекулы, образуя боковые поперечные связи между главными полимерными цепями. Таким образом, кератин шерсти имеет сложную пространственную структуру в виде складчатых цепей, связанных друг с другом ковалентными дисульфидными, солевыми (ионными) и водородными связями.

Исследования кератина и изучение его упругих свойств позволили установить, что кератин может существовать в трех формах:α-спирали, β-складчатого листа и сверхсокращенной, которые прежде всего различаются длиной цепи. Образованию складчатой структуры главных цепей способствует электростатическое притяжение соседних противоположно заряженных амино- (–NH3+) и карбоксильных (–СОО–) групп. Складчатая структура полипептидных цепей кератина и наличие между ними прочных поперечных связей обусловливают извитость и высокую эластичность шерстяных волокон. Под действием влаги, тепла, механических нагрузок волокна могут вытягиваться и вновь возвращаться к исходной форме, что не присуще целлюлозным материалам.

Благодаря присутствию основных (–NH₂) и кислотных (–СООН) групп, кератин шерсти проявляет амфотерные свойства. Он может находиться в неионизированном (NH₂– R–COOH) или чаще ионизированном (NH₃⁺– R–COO^-) состояниях. При погружении в раствор кислоты подавляется ионизация кислотных групп, и волокно приобретает положительный заряд:

Если волокно погрузить в щелочной раствор, то подавляется ионизация аминогрупп и волокно приобретает избыточный отрицательный заряд:

Шерстяное волокно устойчиво к действию органических растворителей. При нагревании свыше 100^оС желтеет, теряет прочность и эластичность, при температуре 130^оС – разрушается.

Разбавленные минеральные кислоты (до 5 %) на шерстяное волокно не действуют, при повышении температуры раствора до 100^оС шерсть повреждается. Органические кислоты действуют слабо. По сравнению с целлюлозой шерсть к действию кислот значительно более устойчива.

Щелочи разрушают солевые связи между макроцепями, дисульфидные группы цистиновой кислоты и частично гидролизуют пептидные связи макромолекул кератина. Под действием щелочей шерсть желтеет, волокна становятся хрупкими и ломкими. В 3 %-ых кипящих растворах КОН и NaOH шерсть почти мгновенно растворяется.

Окислители (гипохлорит и хлорит натрия) в слабощелочной среде удаляют наружный чешуйчатый слой с волокон шерсти. Кератин взаимодействует с активным хлором с образованием хлораминокислот, вызывающих пожелтение волокна. В разбавленных водных растворах перекиси водорода при температуре не выше 40^оС значительных изменений в волокне не наблюдается. Фотохимическому разрушению под действием света кератин подвергается значительно интенсивнее, чем целлюлоза.

Шерсть очень чувствительна к действию восстановителей, особенно в щелочной среде. При этом разрываются солевые и дисульфидные связи, что приводит к повреждению шерсти.

Шелк

Натуральный шелк по своим свойствам и себестоимости – ценнейшее текстильное сырье. Получают его разматыванием коконов, образуемых гусеницами шелкопрядов. Наибольшее распространение и ценность имеет шелк тутового шелкопряда, на долю которого приходится 90 % мирового производства шелка.

Из всех природных волокон натуральный шелк – самое легкое волокно и наряду с красивым внешним видом обладает высокой гигроскопичностью (11 %), мягкостью, шелковистостью, малой сминаемостью.

Натуральный шелк – сырец состоит в основном из природного белка фиброина (75–80 %) и растворимого шелкового клея – серицина (20–25 %). Нить содержит также примеси, растворимые в спирте и эфире, минеральные соли и природные красящие вещества.

Несмотря на многолетние исследования, окончательный химический состав фиброина и его структура до сих пор не установлены. Считают, что макромолекула фиброина шелка образована остатками простейших аминокислот, соединенных пептидными связями. Полипептидные цепи макромолекул фиброина, имеющие подобно кератину шерсти складчатую структуру, на 40–60 % ориентированы вдоль оси волокна и в поперечных направлениях связаны между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Натуральный шелк не имеет клеточного строения и это роднит его с синтетическими волокнами.

Химические свойства шелкового волокна близки к шерсти. Основные различия обусловлены особенностями химического состава и структуры фиброина шелка.

Фиброин выдерживает нагревание до температуры 140^оС, а при 180^оС он разрушается. Его гигроскопическая влажность составляет 11 %, при набухании в воде поперечное сечение волокна увеличивается на 19 %, длина на 1,2 %.

Фиброин обладает относительно хорошей устойчивостью к действию кислот. Разбавленные растворы минеральных кислот разрушают его лишь при кипячении в течение 30 мин. Обработка фиброина разбавленными растворами органических кислот заметно повышает блеск волокна, и оно приобретает характерный для натурального шелка скрип.

Растворы щелочей деструктируют фиброин шелка, но не настолько интенсивно как кератин шерсти. При этом происходит гидролитичесое расщепление макромолекул по пептидным связям.

Восстановители не оказывают разрушающего воздействия на шелк по причине отсутствия в фиброине остатков цистиновой кислоты, то есть ковалентных дисульфидных связей.

Заметную чувствительность шелк проявляет к действию окислителей, особенно хлорсодержащих. Они вызывают пожелтение волокна и придают ему жесткость. Под действием света и кислорода воздуха происходит фотохимическое окисление фиброина, что сопровождается деструкцией волокна и снижением износостойкости шелковых тканей.

Фиброин достаточно устойчив к действию микроорганизмов и к процессу гниения.

Натуральный шелк перерабатывают в промышленности из непрерывных нитей, полученных при размотке коконов тутового шелкопряда, а также в виде шелковой пряжи, вырабатываемой из отходов кокономотального производства.

Искусственные волокна

Наибольшее значение для текстильной промышленности имеют искусственные волокна: вискозные и ацетатные. Их получают из природных полимеров (древесная или хлопковая целлюлоза) путем химической модификации. Искусственные волокна сочетают в себе свойства, характерные как для натуральных, так и для синтетических волокон.

Гидратцеллюлозные волокна

Исходным сырьем для получения гидратцеллюлозных волокон является хлопковая или древесная целлюлоза, которая химическим путем перерабатывается в вискозное и медно-аммиачное волокна.

Вискозное волокно получают из ксантогената целлюлозы, представляющего собой продукт взаимодействия щелочной целлюлозы с сероуглеродом. При осаждении прядильного раствора, продавленного через фильеры в раствор серной кислоты, струйки превращаются в твердые элементарные волокна, состоящие из гидратцеллюлозы.

В основе производства медно-аммиачного волокна лежит способность целлюлозы растворяться в аммиачном растворе гидроксида меди с образованием вязких систем. Формование нити осуществляют в осадительной ванне в присутствии 10 %-ной серной кислоты. При этом целлюлозно-медноаммианый комплекс разлагается с образованием гидратцеллюлозной нити.

Гидратцеллюлоза имеет такое же химическое строение, как и природная целлюлоза – [C₆H₇O₂(OH)₃]_n, но является ее структурной модификацией. К характерным особенностям гидратцеллюлозных волокон следует отнести:

– небольшую длину макромолекул (степень полимеризации 400 – 600);

– более рыхлую физическую структуру (степень кристалличности 30–40 %);

– повышенную гигроскопичность (12–14 %);

– повышенную сорбционную способность.

К существенным недостаткам гидратцеллюлозных волокон относятся:

– значительная потеря прочности в мокром состоянии (на 40–45 %);

– большая сминаемость и значительная эксплуатационная усадка изделий;

– неэкологичность производства.

Основные химические свойства гидратцеллюлозы аналогичны ранее рассмотренным для целлюлозы. Однако, вследствие менее упорядоченной структуры и большей активности, она более чувствительна к действию химических реагентов. В частности, она сильно набухает и затем частично растворяется в 10 %-ном растворе гидроксида натрия. Это свойство используют при распознавании гидратцеллюлозных и целлюлозных волокон.

В зависимости от назначения гидратцеллюлозные волокна производят в виде непрерывных нитей, штапельного волокна или в форме жгута. Штапельные волокна смешивают с натуральными или синтетическими и с успехом перерабатывают на оборудовании, применяемом в хлопчатобумажной и шерстяной отраслях.

Помимо обычного вискозного штапельного волокна, выпускаются высокомодульные гидратцеллюлозные хлопкоподобные волокна (полинозное, сиблон и др.) Они отличаются более равномерным расположением макромолекул по поперечному сечению волокна, что достигается в процессах формования и вытяжки. Физико-механические свойства этих волокон выше, чем у обычных гидратцеллюлозных и близки к соответствующим показателям хлопкового волокна. Они в меньшей степени теряют прочность в мокром состоянии, более эластичны, отличаются стабильностью размеров и меньше усаживаются в процессе эксплуатации. Вискозное высокомодульное волокно сиблон обладает рядом существенных пороков: не прорезанные волокна, склейки, неравномерная влажность, недостаточная рассыпчатость и др.

Ацетилцеллюлозные волокна

К ацетилцеллюлозным относятся ацетатные и триацетатные волокна. По химическому составу они представляют собой уксуснокислые эфиры целлюлозы и этим отличаются от гидратцеллюлозных волокон, состоящих из чистой регенерированной целлюлозы.

Триацетатные нити состоят из триацетилцеллюлозы [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]_n, а ацетатные – из продукта частичного омыления триацетилцеллюлозы, называемого диацетилцеллюлозой [C₆H₇O₂(OH)(OCOCH₃)₂]_n.

В отличие от гидратцеллюлозных волокон ацетатное волокно менее гигроскопично, имеет меньшую способность к набуханию в воде, меньше теряет прочность в мокром состоянии. Оно обладает повышенной мягкостью и эластичностью, более высокими упругими свойствами и меньшим блеском. Одновременно с этим оно имеет сравнительно низкую термостойкость, высокую термопластичность и не окрашивается большинством красителей, используемых для колорирования целлюлозных волокон и натурального шелка.

Различие в химическом составе определяет особенность свойств ацетатных и триацетатных волокон. Последние имеют пониженную адсорбционную способность, более высокую термостойкость (выдерживают нагревание до температуры 180^оС), еще менее гигроскопичны и труднее окрашиваются.

Химические свойства ацетатных волокон, в отношении действия кислот, окислителей, восстановителей, близки к гидратцеллюлозным волокнам. Они неустойчивы к действию минеральных кислот и особенно чувствительны к действию щелочей, которые вызывают гидролиз эфирных связей и омыление волокна вплоть до образования гидратцеллюлозы. При этом оно полностью теряет ценные свойства, присущие ацетатным волокнам. Триацетатное волокно к действию щелочей более устойчиво. Существенным недостатком ацетатных волокон является низкая прочность к истиранию.

Диацетатные волокна, благодаря хорошим эластическим свойствам, мягкости, приятному внешнему виду и невысокой гидрофобности особенно пригодны для трикотажа. Ткани из ацетатных волокон выпускают в широком ассортименте, преимущественно бытового назначения. Большое распространение получили также шелковые ткани, выработанные из смеси ацетатных нитей с вискозными, полиамидными и полиэфирными волокнами. Этим достигается высокая стабильность размеров, легкость ухода за изделиями, более низкая электризуемость, что делает подобные смеси пригодными для изготовления тканей бельевой группы.

Синтетические волокна

Синтетические полимеры – это высокомолекулярные вещества, полученные из низкомолекулярных продуктов в процессе химического синтеза. Волокна из синтетических полимеров обладают рядом свойств отличных от натуральных и искусственных, такие как: управляемый размер волокон, высокая прочность, низкая гигроскопичность, блеск и др.

Полиакрилонитрильные волокна

В качестве основного синтетического заменителя шерстяных волокон используются полиакрилонитрильные (ПАН-волокна). Они обладают рядом свойств, выделяющих их из среды других синтетических волокнообразующих полимеров. По внешнему виду они напоминают шерсть, по разрывной нагрузке и стойкости к истиранию – близки к натуральным волокнам. ПАН-волокна обладают высокой устойчивостью к поражению молью, к действию света и атмосферных условий. Изделия из них быстро высыхают, требуют минимального ухода и хорошо сохраняют форму.

К недостаткам полиакрилонитрильных волокон следует отнести низкую гигроскопичность, повышенную электризуемость, пиллингуемость, загрязняемость и сложность окрашивания.

Для устранения этих недостатков ряд фирм выпускает модифицированные химическими и физическими методами ПАН-волокна с улучшенными свойствами.

В России выпускается сополимерное ПАН-волокно – нитрон-3. Его получают радикальной цепной полимеризацией из нитрила акриловой кислоты путем формования из раствора диметилформамида. В качестве сополимеров используют метакриловую и итаконовую кислоты. Схематично строение этого волокна можно представить следующим образом:

При нагревании выше 165^оС волокно желтеет, но не теряет механической прочности; при 235–250^оС – размягчается, а при 250– 300^оС – происходит необратимое изменение его химической структуры.

Волокно устойчиво к действию кислот и разбавленных растворов щелочей и окислителей. При нагревании в щелочах наблюдается пожелтение волокна по причине омыления нитрильных групп.

В настоящее время ряд зарубежных фирм выпускает полиакрилонитрильные нити с улучшенными свойствами. Например, гидрофильная ПАН – нить «Данова» покрыта плотной оболочкой с тонкими каналами, по которым вода поступает вглубь пористого сердечника. Нити «Долан-40» и «Долан-44» отличаются низкой пиллингуемостью, а нити «Дайлен» и «Лафнен» – повышенной устойчивостью к горению. Указанные волокна хорошо перерабатываются в смесях с шерстяными и хлопковыми волокнами.

Полиэфирные волокна

Полиэфирные волокна (лавсан, тесил, терилен, дакрон) выпускают на основе полиэтилентерефталата.

Наряду с целлюлозными волокнами полиэфирные (ПЭФ) волокна являются основным текстильным сырьем в мировой практике. В производстве многих видов одежды они находятся вне конкуренции, для некоторых типов ассортимента доля потребления ПЭФ достигает 70 %.

Высокий спрос на полиэфирные волокна обусловлен созданием материалов нового типа, обладающих комплексом свойств, за счет которых они составляют конкуренцию природным волокнам и могут имитировать шерсть, хлопок и натуральный шелк.

Полиэфирные волокна обладают высокой эластичностью, свето- и термостойкостью, а по прочностным показателям и по устойчивости к истиранию уступают лишь полиамидным волокнам.

К недостаткам полиэфирных волокон следует отнести крайне низкую гигроскопичность, высокую электризуемость и степень кристалличности. Это затрудняет процесс их крашения, который, как правило, проводят при температурах порядка 130^оС, на работающем под давлением оборудовании. Однако в настоящее время выпускаются полиэфирные волокна нового поколения, способные окрашиваться при температурах ниже 100^оС, что решает проблемы колорирования тканей из смеси полиэфирных и натуральных волокон.

Полиэфирные волокна устойчивы к действию высоких температур и химических реагентов. Они размягчаются при 230–240^оC, устойчивы к действию разбавленных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей. Только концентрированные минеральные (серная, азотная) и некоторые органические кислоты, а также концентрированные растворы щелочей (NaOH 40 %) способны разрушать волокно.

Важнейшей тенденцией совершенствования ассортимента тканей из полиэфирных волокон является использование текстурированных комплексных нитей. Изделия из них имеют достаточно хорошие гигиенические и эксплуатационные свойства. При этом на качество готовых изделий в основном влияет линейная и поверхностная плотность, а также объемность нитей.

Полиамидные волокна

Полиамидные волокна состоят из линейных гетероцепных макромолекул, включающих различное сочетание метиленовых (–СН₂–) и карбамидных (–СО–NH–) групп. Особенно широкое применение в шелковой промышленности получило полиамидное волокно – капрон. Его общую формулу можно представить как:

Полиамидные волокна характеризуются высокой степенью кристалличности. Отдельные макромолекулы соединены между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Основными функциональными группами являются амино- (–NH₂) и карбоксильные (–СООН). В этой связи капроновое волокно приближено к натуральному шелку.

Капрон выпускают в виде непрерывных комплексных нитей и в виде штапельного волокна. Важнейшими достоинствами волокна являются прочность, устойчивость к истиранию, действию микроорганизмов, значительная упругость, более высокая гигроскопичность в сравнении с другими синтетическими волокнами. Капрон окрашивается практически всеми известными классами красителей. Недостатками волокна являются сильная электризуемость, что затрудняет его переработку в ткань, невысокая свето- и термостойкость.

Волокно устойчиво к действию щелочей и восстановителей, но разрушается кислотами и окислителями. Муравьиная кислота и фенолы вызывают неограниченное набухание и растворение полиамидных волокон.

Ткани из комплексных капроновых нитей как бытового, так и технического назначения выпускаются шелковой промышленностью в широком ассортименте.