А. К. Баданова, К. И. Баданов

ТарГУ им.М.Х.Дулати, г. Тараз, Республика Казахстан

Исследование свойств ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ВОЛОКНА И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО МОДИФИКАЦИИ НА НАНОУРОВНЕ

 Целлюлозные волокна – наиболее распространённые текстильные волокна, в основе которых лежит природный полимер целлюлоза. Целлюлоза, как и многие частично-кристаллические полимеры, имеет гетерогенную структуру, которая характеризуется существованием областей с различной степенью упорядоченности макромолекул и значительной степенью неравновесности, обусловленной ограниченной молекулярной подвижностью данного биополимера. Целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение, образованное остатками в-Д-глюкопиранозы, которые соединены друг с другом 1-4 глюкозидными связями: [C6H7O2(OH)3]n , где n - степень полимеризации. Для целлюлозы хлопка n=10000-15000. Отдельные макромолекулы целлюлозы в волокне связаны между собой межмолекулярными водородными связями (рис. 1).

Рис.1 Структура молекулы целлюлозы
 Наличие в макромолекуле целлюлозы большого числа гидроксильных групп, прочность глюкозидной связи и суммарная энергия межмолекулярных водородных связей определяют специфические свойства хлопкового волокна. Оно устойчиво к действию органических растворителей, набухает в водных растворах, особенно при нагревании, выдерживает кратковременное воздействие температуры 200оС. При длительном нагревании (при температуре >100оС) происходят необратимые структурные изменения. Проявление определенных типов молекулярного движения может способствовать перестройкам надмолекулярной структуры целлюлозы. Целлюлоза имеет сложную надмолекулярную структуру, для которой характерна ярко выраженная фибриллярность. Макромолекулы целлюлозы взаимодействуют между собой за счёт сил Ван-дер-Ваальса и образования водородных связей между гидроксильными группами. Большая протяжённость этого взаимодействия объясняет тот факт, что целлюлоза нерастворима в воде, хотя является гидрофильным веществом. Хлопковое волокно сильно отличается по своему строению от других целлюлозных волокон. Каждый волосок хлопка представляет собой очень тонкую и длинную клетку, сужающуюся у глухого конца и открытую с другого - того, которым волосок прикреплен к семени. Строение хлопкового волокна имеет ряд особенностей (рис. 2).

Рис. 2 Поперечный разрез хлопкового волокна.

Снаружи расположена первичная стенка толщиной около 1 мкм, содержащая примерно 50% целлюлозы. На поверхности первичной стенки сосредоточены жиро-восковые вещества. Этим объясняется плохая смачиваемость хлопкового волокна водой. За первичной стенкой следует основная многослойная вторичная стенка толщиной около 6-8 мкм. Она состоит из суточных отложений целлюлозы, образуемых при фотосинтезе из протоплазмы. Внутри волокна находится канал. В незрелом волокне он заполнен протоплазмой, в зрелом же содержатся только ее остатки. Исследования с помощью электронного микроскопа показывают, что отдельные слои целлюлозы образованы из фибрилл, которые, в свою очередь, представляют собой пучки микрофибрилл, состоящих из десятков и сотен цепей макромолекул целлюлозы. Отдельные молекулы в микрофибриллах и микрофибриллы в фибриллах расположены неплотно по отношению друг к другу и удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия, а также благодаря тому, что длинные цепи макромолекул входят отдельными своими частями в разные микрофибриллы и фибриллы. Поэтому как в отдельных суточных слоях, так и между ними имеются неплотности - поры, микрощели. Именно они оказывают большое влияние на поведение хлопковых волокон при различных процессах обработки, в частности при крашении. Микрофибриллы и фибриллы располагаются в отдельных слоях целлюлозы спиралеобразно, под углом 20-40° к оси волокна, поэтому волокно закручивается как спираль относительно своей оси. При созревании волокна протоплазма в канале постепенно засыхает, и волокно сплющивается. Рассматривая такое волокно под микроскопом, можно заметить, что оно имеет форму скрученной ленточки (или пустой сплющенной трубочки, рис. 3) со стенками и каналом определенной толщины, которая зависит от зрелости.

Рис. 3 Продольный и поперечный вид хлопковых волокон

Из поперечных срезов видно, что внутренняя полость волокна весьма значительна по сравнению с толщиной стенки, а так как эта полость открыта, по крайней мере с одного конца, то хлопковое волокно способно быстро и легко смачиваться и набухать изнутри. Этим хлопковое волокно выгодно отличается от лубяных волокон. Кроме того, при малой массе хлопковое волокно имеет достаточно развитую поверхность, что обусловливает способность хлопка к адсорбционным процессам. Мягкость и нежность хлопковых волокон, их скрученная форма объясняют высокую ценность хлопка как прядильного материала. Отдельные волоски хлопка легко сцепляются между собой, распрямляются при вытягивании, держатся в тонких нитях и поддаются закручиванию. Структурные изменения в хлопковых волокнах, инициированные сорбированной влагой, изучены в работах [1, 2]. Возможности модификации структуры на наноуровне позволяют коренным образом изменить свойства волокна. В настоящее время приоритетное направление современной науки и техники связано с нанотехнологиями. Одним из наноструктурированных природных материалов является микроцеллюлоза. Уникальный материал Tencel® (Тенцел) – это первое целлюлозное волокно, в котором были использованы нанотехнологии. Благодаря управлению и регулированию структуры нановолокон в волокне Tencel, получают ткани с высокими гидрофильными и абсорбционными свойствами и с высоким коэффициентом испарения. Уникальная технология нановолокон позволяет производить ткани, со свойствами, которые раньше не возможно было даже представить. Отличительная особенность нановолокна Tencel от синтетических волокон с низкими капиллярными свойствами заключается в уникальных свойствах транспортировки влаги. Нанотехнология Tencel усиливает это природное свойство всех волокон до необычайной степени, что создает оптимальные условия влажности для человеческой кожи. В отличие от синтетических волокон, которые не могут впитывать влагу во внутреннюю часть волокна, Tencel усиленно абсорбирует ее.

а) Хлопок б) Tencel в) Полиэстер

Рис.4 Микрофотографии поперечного среза волокон, показывающие поглощаемость влаги этими волокнами.

Микрофотография демонстрирует различие в поглощении воды различными волокнами. Так Tencel поглощает на 50% больше воды, чем хлопковое волокно. Полиэстер не поглощает воду вообще. Вода окрашена синим цветом. Иллюстрация основана на исследованиях при помощи электронного микроскопа доктором М. Abu Rous и др. В сравнении с другими волокнами, Tencel показывает самую высокую абсорбцию влаги. На рис.5 показано увеличение влажности в ткани, при увеличении влажности воздуха от относительной влажности 65% к относительной влажности 100%.

Рис.5 Увеличение влажности в ткани.

Нанотехнологии Tencel облегчают выполнение функций кожи человека, в частности служит защитной оболочкой, регулирует температуру тела и поддерживает водный баланс кожи, действуя подобно дополнительной оболочке. Приятное тактильное ощущение при прикосновении к материалу из волокон Tencel обусловлено очень гладкой поверхностью самого волокна (рис.6), а также высокими абсорбционными свойствами поверхностной структуры. Сравнение поверхности волокон шерсти, хлопка и Tencel под электронным микроскопом делает разницу очевидной. Волокно Tencel имеет гладкий контур и более гибкую поверхность, чем шерсть или хлопок. Шерсть имеет чешуйчатую поверхность, поверхность же хлопка имеет нерегулярную и грубую структуру.

Хлопок Шерсть Tencel

Рис. 6 Микрофотографии поверхности волокон

Tencel обладает бактериостатическими свойствами, препятствуя росту бактерий. Ключом к этому свойству волокон Tencel является регулирование влажности кожи. Избыточная влага поглощается и транспортируется от кожи во внутреннюю часть волокна, откуда выводится наружу. Что тем самым предотвращает развитие и рост бактерий и грибков на коже.

Дальнейшая модификация структуры целлюлозы и изменение ее свойств не возможны без детального изучения целлюлозных волокон, их изменения от различных воздействий. В данной работе проведены эксперименты по изучению изменений хлопкового волокна после различных воздействий технологических растворов. Работа проведена в лаборатории нанноструктурных методов исследования при Таразском государственном университете им. М. Х. Дулати. Объектом исследования служила хлопчатобумажная ткань, прошедшая стадии расшлихтовки, щелочной отварки и беления. На рис. 7 приведены микроснимки поверхности волокон, снятые на сканирующем электронном микроскопе.

исходный после расшлихтовки после отварки после беления

Рис. 7 Микроснимки поверхности волокон после обработок в технологических растворах

Из микрофотографий видно, что с поверхности волокна удаление технологической примеси (шлихты) происходит постепенно. В процессе отбеливания шлихта дробится, обнажая поверхность волокна. Таким образом, упрощается доступность волокна красильным растворам. Как было указано выше, сорбционная способность волокна может быть увеличена при изменении формы внутреннего канала волокна. При стремлении формы волокна к форме цилиндра сорбционная способность будет максимальной.

исходный после расшлихтовки после отварки после беления

Рис. 8. Микроснимки поперечного среза хлопковых волокон

Из микрофотографии видно, что полностью форму волокна к форме идеального цилиндра при проведении процессов расшлихтовки, отварки и беления невозможно. Однако наблюдается изменение сплющенной формы в сторону увеличения внутреннего канала волокна. При использовании дополнительных воздействий, или химматериалов, очевидно можно увеличить внутренний объем волокна и тем самым увеличить сорбционные свойства волокна, например красителей. Использование электронного сканирующего микроскопа позволяет визуально оценить изменение не только поверхности волокна, но и его формы за счет поперечных срезов. Таким образом, изменения поверхности волокна при его подготовке к крашению, а также изменение формы внутреннего объема дают возможность менять сорбционные свойства волокна, что особенно важно в процессах крашения.

Литература

1. Якунин Н.А., Завадский А.Е., Морыганов А.П. // Ж. Высокомолек. cоед. 2003. Т. 45А., № 5. С. 767.

2. Якунин Н.А., Завадский А.Е. // Ж. Химические волокна. 2004. №6. С. 57.

3. Abu Rous и др. AUTEX Мировая Конференция, 2005 г.

4. Дерматологическое исследование Tencel®, 2004, Унив.-Prof. Доктор T.L. Diepgen, Гейдельберг, Германия.