2.2.4. Природні полімери: види, властивості, використання

Природні полімерні матеріали - хімічні сполуки, молекули якихскладаються з багаторазово повторюваних атомних угруповань,з'єднаними хімічними зв'язками в довгі ланцюги. До природних полі-мерів відносять натуральний каучук, вовну, натуральний шовк і іншінатуральні текстильні волокна.

Каучук натуральний (НК) - еластичний матеріал, який одержу-ють коагуляцією латексу каучуконосних рослин (базельська гевея,фікус каучуконосний). Латекс створюється за допомогою оцтовоїкислоти. Маса, яка згорнулася, відділяється від сироватки, промива-ється й підсушується. Основний компонент НК - поліізопрен. Вул-канізацією НК одержують міцні й еластичні гуми. НК використову-ється також у виробництві шин, амортизаторів, виробів санітарії йгігієни та ін.

НК добре розчиняється в бензолі, скипидарі, бензині та іншихорганічних розщеплувачах. Під впливом розщеплювачів НК набухає,потім в'язкий розчин (клей), а при дії температурі 600С стає м'яким іпластичним, при температурі 2200С - плавиться, при 00С - стає твер-дим і крихким. Ці властивості враховуються при використанні НК.46

Природні волокна текстильно натуральні - тверді тіла, які маютьдуже малі поперечні розміри і значну довжину; міцні й гнучкі; вико-ристовуються для виготовлення ниток (пряжі) й виробів.

Волокна текстильні розділяють на два класи: органічні й міне-ральні.

Органічні натуральні волокна бувають рослинного і тваринногопоходження. Основними видами рослинного походження є: бавовнай льон, а тваринного - шовк і вовна. До мінеральних волокон нале-жать азбестові волокна, які виробляються з гірських порід.

Волокна текстильні складаються з речовин, що належать до кла-су високомолекулярних (полімерів), які характеризуються великимрозміром молекул. Такими полімерами є: целюлоза (для натураль-них рослинних волокон), кератин (основна речовина вовни), фіброїн(основна речовина шовку). Хімічний склад та будова макромолекулобумовлюють властивості волокон.

Макромолекули целюлози волокон бавовни й льону мають ліній-ну будову і різний ступінь орієнтації, що забезпечує менше чи біль-ше подовження волокон, різну міцність і деформаційні властивості.Чим вище ступінь орієнтації, тим більше макромолекули випрямленіщодо подовжньої осі волокна. Це приводить до зміцнення целюлоз-ного матеріалу. Макромолекули кератину (вовни) мають сітчастубудову, що обумовлює високу пружність вовняного волокна. Високаеластичність шовкових ниток обумовлена здібністю випрямлятисямакромолекули фіброїну. Наряду з цим природні волокна характери-зуються деякими особливостями.

Бавовняне волокно розвивається на поверхні насіння бавовнику.

Макроструктура волокон. Основними параметрами макрострук-тури волокна є довжина і товщина. Довжина бавовняних волокон ко-ливається в досить в широких межах - від 1 до 50 мм.

Із бавовнику довжиною до 20 мм неможливо виробляти пряжу,тому його називають непрядомим. Залежно від довжини волокна ба-вовник поділяють на коротковолокнистий (20—27 мм), середньово-локнистий (28—34 мм) й довговолокнистий (35— 50 мм).

Довжина волокон бавовнику має важливе значення у формуванніряду властивостей тканини. Так із коротковолокнистого бавовникуможна одержати порівняно товсту й ворсисту пряжу, яка широко ви-користовується при виробленні, наприклад, ворсоначісних тканин,які мають гарні теплозахисні властивості (фланель, байка, сукно,вельветон та інші). Навпаки, з довговолокнистого бавовнику одер-жують надзвичайно тонку й міцну пряжу, яка використовується привиробництві найбільш високоякісних тканин як батист, маркізет,поплін, вольти тощо. Відмінною особливістю бавовняних волокон єзакономірна залежність між їхньою довжиною й штопороподібноюзвивистістю: чим довші волокна бавовника, тим більше вони звиті.

Між довжиною й товщиною бавовняних волокон також існуєпевна залежність: чим довші волокна, тим вони тонші. Саме тому дов-говолокнисті бавовники найчастіше називають тонковолокнистими.Тонину волокон бавовника визначають по-різному: за розміром по-перечника, вираженим у мікронах, метричним номером і за міжна-родною системою в мілітексах (див. ГОСТ 10878—64). Метричнимномером волокна називають число міліметрів волокна, що міститьсяв 1 мг його ваги. Мілітексом називають вагу 1 км волокна, вираженув міліграмах.

Коротковолокнисті бавовники характеризуються метричним но-мером 3000 - 4500 (333 - 222 мтекс), середньо волокнисті - 5000- 6000 (200 - 167 мтекс) і довговолокнисті - 6000 - 8000 (167 - 125мтекс). Тонку й водночас міцну пряжу можна отримати лише з тон-коволокнистого бавовника. Окрім того пряжа, вироблена з тонко-волокнистого бавовника, має більшу гнучкість і м'якість, ніж пряжа,отримана із середньоволокнистого й тим більш з коротковолокнисто-го бавовника. Тому тканини, вироблені з тонковолокнистого бавов-ника, більш якісні, ніж тканини, вироблені з середньо- й коротково-локнистого бавовника.

Внаслідок випаровування рідкої частини протоплазми волокнонормальної зрілості сплющується й набуває так звану штопороподіб-ну звитість.

Бавовняне волокно нормальної зрілості під мікроскопом має ви-гляд сплющеної трубочки з ледь загнутими краями, штопороподіб-ними звитками, порівняно тонкими стінками, широким внутрішнімканалом, який наглухо закупорений з боку природної конічної кін-цівки волокна й відкритим в тому кінці волокна, що останнім бувприрощений до насіння бавовника. Мікроструктура волокна багато вчому залежить від ступеню їх зрілості. За збільшенням ступеню зрі-лості збільшується товщина стінок і зменшується ширина каналу, атакож змінюється їх звитність. За ступенем зрілості волокна бавов-ника поділяють на 11 груп, що позначаються коефіцієнтами зрілості:5,0; 4,5; 4,0; 3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0; 0,5; 0,0. Коефіцієнтом зрілості 5,0позначають перезрілі, 0,0 - зовсім незрілі волокна. Чим вищий сту-пінь зрілості, тим вища якість бавовняних волокон. Незрілі й недо-зрілі волокна бавовника є дефективними.

Звитість, передаючи волокну нерівну поверхню, підвищує йогоцупкість, знижає до деякого ступеню натуральний блиск і сприяєбільш міцному утриманню забруднень; з цієї причини вироби з ба-вовні важче відіпрати, ніж вироби з льону й шовку, волокна яких ма-ють більш рівну поверхню. Однак підвищена цупкість волокна спри-яє одержанню більш міцної пряжі, а отже й виробів з неї.

Канал бавовняного волокна заповнений повітрям, яке є поганимпровідником тепла. Внаслідок цього вироби з бавовни мають підви-щені теплозахисні якості, що дуже важливо для отримання вимог гі-гієни.

В волокнах бавовни ниткоподібні групи молекул целюлози роз-ташовані по вінтові лінії, спірально, відносно їх повздовжньої осі,причому на окремих ділянках волокон напрямок спіралей змінюєть-ся: права спіраль переходить у ліву і навпаки. Внаслідок цього кутнахилу спіралей у волокнах бавовника коливається в надзвичайношироких межах - від 0 до 40°, складаючи в середньому 23°.

Більшим кутом нахилу спіралей до повздовжньої осі у волокнахбавовника пояснюється значне їх подовження при розтягуванні (7 -8%) й одна з причин низької міцності на розрив реального волокна(близько 50 кгс/мм 2) порівняно з теоретичною міцністю целюлози(400 кгс/мм2).

Молекули целюлози упаковані в бавовняних волокнах меншщільно, ніж у інших волокнах (наприклад, в лляних, капронових,нітронових тощо). Внаслідок помірної упаковки молекул целюлозиволокна бавовника мають збільшені розмірі субмікроскопічних пор.Цим, зокрема, можна пояснити, чому волокна бавовника порівнянолегко, швидко й інтенсивно фарбуються барвниками. Від малої щіль-ності упаковки молекул целюлози багато в чому залежить також їхпонижена механічна міцність.

Зрілі висушені бавовняні волокна в середньому мають 94 % целю-лози й 6 % попутних речовин (соскоподібних, пектинових, азотистихі зольних, органічних кислот, цукрів тощо).

Основною речовиною в бавовняних волокнах є целюлоза, яка маєскладну й багатоманітну структуру. В молекулі целюлози елементар-ні ланки (С6Н1005), які містять три хімічно активні гідроксильнігрупи (ОН), поєднані між собою глікозидним зв'язком, внаслідокчого утворюється ланцюг головних валентностей.

Властивості бавовняних волокон багато в чому залежать від глі-козидних зв'язків. Зокрема руйнація (деструкція) бавовняних воло-кон відбувається внаслідок розриву глікозидних зв'язків під впливомокислювачів, гідролізуючих речовин, термічних і фізико-хімічнихвпливів тощо.

Наявність воскоподібних речовин зумовлює погану змочуваністьволокон, що утруднює процеси фарбування й набивки текстильнихвиробів. Зате воскоподібні речовини полегшують ковзання волокону процесі прядіння.

Попутні речовини містять забарвлюючі пігменти, котрі надаютьбавовняним волокнам і виробам із них негарний кремово-бурий ко-лір.

Кислотостійкість бавовняних волокон невисока. Під дією міне-ральних кислот глікозидні зв'язки молекул целюлози легко гідролі-зуються, тобто розриваються з приєднанням води, що і є причиноюруйнування целюлози. Внаслідок гідролітичного руйнування целю-лози утворюється гідроцелюлоза, яка має настільки слабу механіч-ну міцність, що її можна легко розтерти на порох між пальцями рук.Якщо ж через короткочасну дію кислоти целюлоза частково перехо-дить в гідроцелюлозу, то спостерігається тільки