Клейкость хлопкового волокна

1.1. Классификация и строение хлопкового волокна

Хлопок является волокном растительного происхождения, покрывающим семена хлопчатника – растения рода госсипиум (Gossypium). Изображение хлопчатника представлено на рис. 1. Хлопчатник (Gossypium) относится к семейству просвирниковых (Malvaceae).

Рис. 1. Хлопчатник (Gossypium)

Это однолетнее кустарниковое растение с крупными листьями высотой 0,6-1,7 м, произрастающее в районах с жарким климатом. Известно 5 культурных и более 30 диких видов хлопчатника [6].

Преимущественное распространение во всех странах получили 4 вида хлопка:

‒ волосистый, или косматый (средневолокнистый – длина волокна 26-35 мм);

‒ барбадосский – наиболее длинное (длина волокна 35-60 мм), тонкое и высококачественное волокно, обычно слегка кремового оттенка;

‒ древовидный (короткое и грубое волокно);

‒ травовидный (короткое и грубое волокно) [6].

Хлопок выращивается более чем в 80 странах мира. Основные страны производители хлопка – США, Индия, Пакистан, Египет, Бразилия, КНР, Узбекистан, Иран, Афганистан. Выращивается хлопок и на юге России, в Краснодарском крае, но только для селекционной работы [6].

Хлопчатник удивителен тем, что независимо друг от друга его стали выращивать народы Старого и Нового Света. Колумб и его спутники увидели у жителей открытого ими континента хлопчатобумажные передники и платки, защищавшие голову от солнца. Позднее повелитель ацтеков передал в дар испанскому завоевателю Кортесу 30 тюков плащей из хлопка. Хлопок был известен в Индии с VI века до нашей эры. Геродот писал, что там растут «странные растения, на которых вместо плодов вырастает шерсть». В жарком климате люди предпочитали легкие одежды из хлопка толстым и тяжелым из льна. Через арабский рынок хлопок попал в Палестину, Египет, Андалусию, Сицилию. До конца VIII века в Европу он ввозился только в виде готовых изделий. Впервые производство хлопчатобумажных тканей было открыто в 1772 г. в Англии [7].

Хлопковое волокно – это мягкие, тонкие, матовые волоски, покрывающие поверхность семян. Они бывают длинными и пушистыми или короткими и ворсистыми (линт, или хлопковый пух). В зависимости от возделываемого вида и сорта семя может нести оба типа волосков или только первый из них. Каждый волосок – это одна мертвая эпидермальная клетка семенной кожуры, представляющая собой длинную, уплощенную, спирально скрученную трубку. У диких видов хлопка длинных волосков нет. Волокна хлопка могут быть разных цветов. Наиболее распространенные: белые с легким кремовым оттенком, слегка желтоватые. Выведены также сорта хлопчатника, дающие волокна зеленоватого, бежевого или голубоватого цвета [8].

Хлопковые волокна относятся к элементарным, то есть волокнам, которые не могут быть разделены на более тонкие и короткие без разрушения. Основными характеристиками макроструктуры являются длина, толщина, извитость [8].

Длина ‒ одна из самых важных характеристик качества волокна, так как она определяет вид получаемой пряжи и качество вырабатываемых изделий. Длина хлопкового волокна колеблется от 1 до 54 мм. Волокно длиной до 20 мм не пригодно для изготовления пряжи и называется непрядомым, оно может быть использовано в производстве нетканых материалов, искусственных волокон [9].

Хлопок длиной от 20 до 54 мм подразделяют на три сорта. Характеристика хлопковых волокон разной длины и пряжи, изготовленной из них, приведена в табл. 1 [9].

Толщина (тонина) хлопкового волокна обозначается в микрометрах (по размеру поперечника) или в миллитексах. Тонина хлопковых волокон определенным образом связана с их длиной, чем длиннее волокно, тем оно тоньше:

‒ тонина длинноволокнистого хлопка от 167 до 125 мтекс (до 20 мкм);

‒ тонина средневолокнистого хлопка от 200 до 167 мтекс (20-23 мкм);

‒ тонина коротковолокнистого хлопка от 333 до 222 мтекс (более 23 мкм) [9].

Хлопковое волокно в процессе созревания сплющивается и приобретает штопорообразную извитость. У волокон разной степени зрелости и разной длины форма извитков и степень извитости различны, при этом степень извитости выше у тонковолокнистого хлопка (10-12 извитков на 1 мм длины), в то время как у средневолокнистого хлопка ‒ 8-9 извитков на 1 мм длины [9].

Поверхность хлопкового волокна вследствие его извитости становится неровной, что снижает естественный блеск, а также способствует удерживанию загрязнений. В то же время извитость способствует сцепляемости волокон и, как следствие, повышению прочности пряжи и изделий из нее [9].

Таблица 1 – Особенности пряжи из хлопка разных сортов

При микроскопировании хлопковое волокно представляет собой трубку из тонкой кожицы (кутикулы), которая наполнена целлюлозой. Целлюлоза откладывается в ней слоями (кольца роста), внутри остается незаполненное пространство – канал. Таким образом, стенки волокна состоят из нескольких слоев целлюлозы [9].

Линейные макромолекулы целлюлозы образуют в волокне сложную структуру, состоящую из различных комплексов и групп: микрофибрилл, более крупных пучков ‒ фибрилл и т. д. Макромолекулы, располагающиеся вдоль оси волокна, соединены между собой межмолекулярными связями. В более тонких волокнах упаковка пучков макромолекул более тесная, межмолекулярные расстояния меньше, вследствие чего энергия связи возрастает в несколько раз (при уменьшении расстояния в два раза межмолекулярная энергия может возрасти в 8-16 раз). Этими особенностями можно объяснить большую прочность тонких волокон в сравнении с более толстыми, имеющими рыхлую упаковку макромолекул. В то же время макромолекулы целлюлозы в хлопковом волокне упакованы менее плотно, чем в других волокнах, благодаря этому в структуре содержится значительное количество субмикроскопических пор. Наличие пор является одной из причин хорошей окрашиваемости и высокой воздухопроницаемости хлопка [9].

Фибриллы целлюлозы располагаются спирально относительно продольной оси, при этом направление спиралей может меняться и угол их наклона колеблется от 0 до 40°, составляя в среднем 23°. Довольно значительное разрывное удлинение (7-8 %) и прочность одиночного волокна обусловлены указанными особенностями его надмолекулярной структуры [9].

Под микроскопом в хлопковом волокне наблюдаются некоторые структурные отличия в зависимости от степени зрелости волокна. Степень скрученности и поперечный срез волокна имеют весьма разнообразную форму и зависят от зрелости волокна. От степени зрелости зависят и свойства волокна. Незрелые волокна имеют вид сплющенных ленточек с тонкими стенками и широким каналом, обладают малой прочностью, плохо окрашиваются и не пригодны для переработки. По мере созревания волокон отчетливо проявляются стенки, ограничивающие его канал. Волокно нормальной степени зрелости имеет вид штопорообразной извитой трубочки с развитыми стенками и внутренним каналом, замкнутым со стороны естественного конусообразного окончания волокна и открытого в месте прикрепления волокна к семени (рис. 2). У перезрелых волокон канал составляет его поперечник; извитость почти исчезает, они очень жесткие и ломкие [8].

Рис. 2. Внешний вид хлопкового волокна нормальной зрелости

По внешнему виду, толщине стенок и площади поперечного сечения все волокна хлопка подразделяют на 11 групп, обозначаемых коэффициентами зрелости (от 0,0 до 5,0): 0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0 (рис. 3) [9].

Чем выше степень зрелости волокна, тем выше его качество. Нормальная зрелость хлопкового волокна по эталону от 3,5 до 4,0. Степень зрелости от 4,5 до 5,0 характеризует перезрелое волокно (оно менее благоприятно для текстильного производства). Для незрелого волокна коэффициент зрелости составляет 0,0. Незрелые и недозрелые волокна являются дефектными [9].

Рис. 3. Внешний вид хлопкового волокна различной степени зрелости

Как и все структурные элементы хлопкового волокна, канал выполняет определенную функцию. Наличие воздуха в канале, являющегося плохим проводником тепла, повышает теплозащитные свойства изделий из хлопка; остатки протоплазмы служат питательной средой для развития естественной микрофлоры хлопкового волокна, которая вызывает его повреждение в условиях повышенной влажности и температуры [9].

Важную роль в формировании свойств хлопка и хлопчатобумажных изделий играет химический состав хлопкового волокна. Основным веществом, из которого состоит хлопковое волокно, является целлюлоза (94-95 %). Кроме того, хлопок содержит в себе жиро-восковые вещества (0,65 %), пектины (2 %), гемицеллюлозы, белковые, зольные, красящие вещества и воду [9].

Из всех органических соединений целлюлоза является самым распространенным высокомолекулярным соединением, макромолекулы которого состоят из большого числа повторяющихся единиц – 13-глюкозных остатков, соединенных гликозидными связями между первым и четвёртым углеродными атомами (рис. 4) [10].

Число глюкозидных остатков достигает 10 000 и более. В молекуле целлюлозы элементарные звенья С6Н10О5 содержат три химически активные гидроксильные группы ОН, которые способствуют возникновению сильного межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей, обеспечивая значительную прочность и жесткость целлюлозы.