Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Ярошенко

§ 31. Волокна. Штучні й синтетичні волокна

ПОНЯТТЯ ПРО ВОЛОКНА. Волокнами називають матеріали, що складаються з довгих і тонких ниток або відрізків ниток, придатних для виготовлення пряжі й тканин. За походженням волокна поділяють на натуральні й хімічні.

НАТУРАЛЬНІ ВОЛОКНА. Люди здавна використовували натуральні (природні) волокнисті матеріали для виготовлення одягу й різних предметів домашнього вжитку, вітрил тощо. Нині з матеріалів рослинного походження виготовляють льняні й бавовняні тканини, з вовни тварин — вовняні тканини й ковдри, з коконів тутового шовкопряду — натуральний шовк. Століттями практично в кожній сільській українській оселі була власна прядка, на якій волокна перетворювали на нитку, — пряли (мал. 53). Як сировину використовували вирощені влітку, а потім вимочені у воді й відділені від костриці (непридатної для прядіння частини рослинного стебла) коноплі й льон.

Мал. 53. Експонати музею Г. С. Сковороди (смт Чорнухи, Полтавська обл.)

Серед натуральних волокон розрізняють волокна рослинного й тваринного походження. Натуральний шовк і вовна мають тваринне походження і складаються з білкових молекул. Шовкова нитка — це продукт виділення залоз гусениць шовкопрядів під час звивання коконів. Довжина шовкової нитки може досягати 800-1000 м.

Волокна рослинного походження складаються з целюлози й поділяються на: бавовняні та луб'яні. Теплолюбний бавовник в Україні не росте, а от луб'яні культури — льон і коноплі — вирощують на великих площах. З тонких волокон роблять різні тканини, з грубих — мішковину, канати й шнури. У місті Глухів Сумської області функціонує Інститут луб'яних культур Національної академії аграрних наук України — одна з найстаріших науково-дослідних установ держави. Тут вперше у світі створили сорти конопель, що не містять наркотичних речовин.

У ХХ ст. постала необхідність в одержанні волокон хімічним способом. На сьогодні цим способом виробляють волокон значно більше, ніж з природної сировини.

Волокна за походженням поділяють на натуральні та хімічні. Натуральні волокна виготовляють із природної сировини, хімічні — хімічним способом із високомолекулярних сполук.

ХІМІЧНІ ВОЛОКНА. Класифікацію хімічних волокон здійснюють за походженням сировини, з якої їх виробляють. Якщо сировиною для виробництва хімічного волокна є природний полімер, волокно називають штучним. Якщо ж сировиною є продукти органічного синтезу, то й хімічне волокно називають синтетичним.

Ознайомтеся з класифікацією волокон і прикладами, скориставшись малюнком 54.

Мал. 54. Класифікація та приклади волокон

Для виробництва хімічних волокон придатні полімери з довгими, лінійними або злегка розгалуженими макромолекулами, що мають досить велику відносну молекулярну масу й здатні або плавитися без розкладу, або розчинятися у певних розчинниках. У кожного волокна є свої переваги й недоліки. Тому однозначно стверджувати, що волокно, з якого виготовлена тканина погане чи гарне, не можна. Одне й те саме волокно може бути непридатним для одних цілей і незамінним для інших. Успіхи вчених і технологів у створенні волокон незаперечні. Так, нині виготовляють надміцні, термостійкі, хемостійкі, еластичні, негорючі та багато інших видів волокон.

ХІМІЧНІ ШТУЧНІ ВОЛОКНА. Вони з'явилися завдяки досягненням сучасної хімії.

До штучних волокон належать волокна, виготовлені шляхом хімічної обробки природної сировини целюлозного й білкового походження.

Виготовляючи їх спершу готують прядильний розплав чи розчин, тому що для вироблення хімічних волокон необхідно, щоб молекули сировини були рухливі. Тільки так їх можна розмістити вздовж осі утворюваного волокна й сформувати нитку.

Зробити тверду речовину рухливою можна двома способами — нагріти її до температури, вищої за температуру плавлення, або ж розчинити. Перший спосіб для целюлози не придатний, бо внаслідок нагрівання вона руйнується. Тому природний полімер целюлозу піддають хімічній обробці ангідридом етанової кислоти (СН3СО)2О, а утворений продукт реакції розчиняють у відповідних розчинниках. Утворену однорідну рідку суміш за спеціальними технологіями перетворюють на волокно, наприклад ацетатне волокно. Воно добре зберігає тепло, м'яке, мало мнеться, майже не збігається від прання, має приємний блиск. Однак, маючи низку цінних властивостей, воно поступається перед натуральними за гігієнічними характеристиками.

Виробництво ацетатного волокна було розпочато у Франції наприкінці ХІХ ст. й понад 100 років успішно розвивається.

Ще одне штучне волокно — віскозне — добувають з целюлози, яку піддають хімічній обробці з використанням нітратної кислоти. Віскозне волокно багато в чому схоже з натуральними волокнами (льоном і бавовною). Тканина з віскози має шовковистий блиск, приємна на дотик, м'яка, гігроскопічна, легко та рівномірно зафарбовується. Через неї добре проникає повітря, тобто в одязі з такої тканини тіло «дихає», що у спеку створює відчуття прохолоди. Завдяки переліченим властивостям віскозне волокно здобуло популярність і використовується у великих кількостях.

Тонше за шовк віскозне мікроволокно під назвою «мікромодал» зовні схоже на натуральний шовк, бархатисте, м'яке й дуже легке. Відомим вам застосуванням цього волокна є виготовлення панчіх і колгот.

До штучних волокон, виготовлених на основі целюлози, належить і мідноамоніачне волокно, яке використовують у виробництві килимів, технічних тканин, трикотажних виробів.

У процесі виготовлення хімічних волокон можна змінювати властивості волокна, а отже, з одного волокноутворювального полімеру одержувати широкий асортимент виробів, поліпшувати їх зовнішній вигляд (мал. 55).

Мал. 55. Штучні волокна (а — віскозне; б — ацетатне) та вироби з них

Штучні волокна одержують шляхом переробки природних полімерів, здебільшого целюлози, хімічним способом. Вони набагато дешевші за натуральні, мають більшу зносостійкість. Прикладом волокон цієї групи є віскозне, ацетатне та мідноамоніачне волокна.

СИНТЕТИЧНІ ВОЛОКНА. Це теж хімічні волокна, але для їхнього виробництва не використовується натуральна (природна) сировина. З продуктів переробки нафти, кам'яного вугілля, природного газу спершу добувають полімер, який далі перетворюють на волокно, а термостійкі полімери просто розплавляють.

Виробництво синтетичних волокон розпочалося пізніше штучних — у 60-ті роки ХХ ст. Але на сьогодні воно зростає швидшими темпами, порівняно з виробництвом штучних волокон. Пояснюється це доступністю відносно дешевої сировини, попитом на синтетичні волокна, зумовленим низкою їхніх цінних властивостей.

Синтетичні волокна на відміну від штучних від початку й до кінця виготовляють із продуктів переробки вуглеводневої сировини.

Популярними нині є поліпропіленове, полівінілхлоридне, поліуретанове волокна, капрон, поліестер, акрил, еластан та інші синтетичні волокна.

Виробництво синтетичних волокон з року в рік зростає, тому що вони легкі, міцні, довговічні, швидко сохнуть, слабко мнуться. Тому багато синтетичних волокон (у побуті їх називають «синтетика») застосовують у виробництві модного вбрання, спортивного одягу та взуття, спецодягу, необхідного для безпечного перебування в екстремальних умовах, і багатьох інших товарів. Розглянемо конкретні приклади найпоширеніших синтетичних волокон.

Поліпропіленове волокно — це синтетичне волокно, виготовлене з розплаву поліпропілену. Усі властивості поліпропілену, що були розглянуті у § 29, характерні й для цього синтетичного волокна. Воно також стійке до дії відбілювачів, кислот, органічних розчинників, його не псують цвілеві гриби, бактерії й комахи. Спецодяг, синтетичні килими, ковдри, тканини для пошиття верхнього одягу — це окремі приклади його застосування.

Поліестер (поліефір) — волокно, виготовлене з продукту кополімеризації двохатомного насиченого спирту етан-1,2-діолу (етиленгліколю) з терефталевою кислотою. З поліестеру виготовляють штучне хутро і килими, комбіновані тканини, до складу яких можуть входити шерсть, бавовна, льон. З таких тканин шиють верхній одяг, а також гардинно-тюлеві вироби.

Полівінілхлоридне (ПВХ) волокно формують із розчинів полівінілхлориду. Розглядаючи полімери, ми відзначали таку властивість полівінілхлориду, як негорючість. Ця ж властивість притаманна й волокну, яке вам доводилося не раз бачити, бо виготовленими з нього тканинами оббиті сидіння автомобілів, літаків, потягів тощо.

Еластан (поліуретанове волокно), або спандекс, формують із розчинів і розплавів синтетичної високомолекулярної сполуки під назвою поліуретан. Основна властивість еластану, як і каучуків, — еластичність. Що більший вміст еластану в тканині (його додають до багатьох видів волокон), то краще вона розтягується. Вироби з такого матеріалу облягають фігуру, зберігають форму тривалий час, легкі й зручні під час носіння. Завдяки цим властивостям еластан нині популярний у виробництві спортивних костюмів, блузок, сорочок, штанів, купальних костюмів.

Капрон (нейлон-6) — синтетичний полімер, структурними ланками якого є залишки 6-аміногексанової (ε-амінокапронової) кислоти. Хімічна будова цієї амінокислоти така, що характеристичні групи —NH2 і —СООН розташовані біля крайніх атомів Карбону H2N — (CH2)5 — COOH. Це робить можливим перебіг реакції поліконденсації за схемою:

Як бачимо, прототипом для створення капрону слугувало утворення природних полімерів — білків. Серед природних волокон аналогічно утворюються волокна вовни й шовку.

Капрон — стійка до більшості розчинників тверда речовина білого кольору, пом'якшується за температури 210 °С. З розплаву капрону можна легко витягувати нитки навіть у лабораторних умовах.

Капронове волокно еластичне, дуже міцне, стійке до стирання та згинання, негігроскопічне, з нього виготовляють канати. Рибалкам ці властивості капрону теж добре відомі, адже з капронових волокон виготовляють рибацькі сітки, волосінь. Багато капрону переробляють на комбіновані волокна, з яких виготовляють спортивні костюми, панчохи, шкарпетки, купальники тощо. Проте є в капрону й небажані властивості — він нестійкий до нагрівання, дії кислот і лугів. Через негігроскопічність капронового одягу людина в ньому швидко пітніє.

Визначити, яку основу — синтетичну чи натуральну — має волокно, можна нагріваючи або спалюючи волокно чи тканину. Штучні целюлозні волокна (бавовна, ацетатне, віскозне) спалахують швидко й згорають, розповсюджуючи запах паленого паперу. Грудочка, що залишається після горіння, легко розтирається пальцями. Натуральні волокна (вовняні, шовкові) згорають аналогічно целюлозним, розповсюджуючи запах паленого пір'я. Синтетичні волокна (наприклад, капрон) спершу плавляться, а потім згорають, розповсюджуючи різкий малоприємний (мишачий) запах. Поліестерні волокна швидко згорають, після чого залишається грудочка, яка пальцями не розтирається.

Одяг надходить у продаж з етикетками, де зазначено склад тканини. Так, на вміст у тканині поліпропіленового волокна вказує позначення РР, поліестеру — РЕ. Цією інформацією не треба нехтувати, бо вона допомагає придбати річ, що за фізико-хімічними характеристиками волокон найкраще підходитиме вам для тієї чи іншої пори року, відповідатиме призначенню (відвідування школи, заняття спортом, відпочинок на природі, урочисті події тощо).

Пам'ятайте, що оптимальним є поєднання у тканині натуральних і хімічних волокон. Перші забезпечують дотримання гігієнічних норм, другі — міцність, еластичність, незминання тощо.

Якщо на етикетці відсутній склад волокна, ви можете самостійно визначити, з якої сировини — природної чи синтетичної — його виготовили. Достатньо спалити кілька ниток волокна, а результат порівняти з описаними в параграфі наслідками спалювання різних волокон.

На одязі також містяться попереджувальні знаки, які інструктують щодо прання, прасування виробу, можливості використання розчинників для виведення плям тощо. Завжди ознайомлюйтесь з інформацією, розміщеною на етикетках виробів, і дотримуйтеся вказівок у процесі користування ними, тоді вироби будуть довго вам служити, зберігаючи привабливий вигляд.

Стисло про основне

• Високомолекулярні сполуки — основа натуральних і хімічних волокон.

• Натуральні волокна мають природне походження, хімічні — виготовляють із застосуванням хімічних методів.

• Хімічні волокна класифікують на штучні й синтетичні.

• Прикладами натуральних волокон є шерстяні й бавовняні, штучних — віскозні й ацетатні, синтетичних — капронові й полівінілхлоридні.

• Волокна відрізняються за властивостями, знання яких допомагає у виборі тканин і виробів з них, догляді за ними.

Сторінка ерудита

Кевлар (поліпарафенілентерефталамід) — синтетичне волокно високої механічної й термічної міцності, склад якого передає наведена формула.

Його розробником є американська хімік і винахідник Стефані Кволек (1923-2014).

Це легкий і міцний (в 5 разів міцніше сталі), нешкідливий для здоров'я людини, стійкий до перепадів температур матеріал. З нього виготовляють куленепробивні бронежилети і шоломи — засоби індивідуального захисту військовослужбовців і поліцейських (мал. 56), негорючий одяг пожежників. Кевларова тканина також стійка до дії органічних розчинників. Під впливом низьких температур міцність кевларової тканини зростає, проте сонячні промені й волога роблять волокно менш міцним, тому його покривають спеціальним захисним шаром.

Мал. 56. Засоби індивідуального захисту військовослужбовців і поліцейських

Знаємо, розуміємо

  • 1. Які матеріали дістали загальну назву «волокна»?
  • 2. Яка класифікація волокон вам відома?
  • 3. Наведіть приклади натуральних волокон, зазначте їх особливості.
  • 4. Наведіть приклади хімічних волокон, зазначте їх особливості.
  • 5. У чому полягає відмінність між природними й хімічними, штучними й синтетичними волокнами?

Застосовуємо

1. Ознайомтеся зі змістом етикеток на кількох текстильних виробах, виготовлених із тканин різного походження, і з'ясуйте, які волокна входять до їхнього складу. Вивчіть рекомендації щодо догляду за ними, вони допоможуть вам дізнатися більше про властивості волокон, із яких виготовлена тканина.

Працюємо з медійними джерелами

З різних інформаційних джерел дізнайтеся, де в Україні вирощують найбільше льону і технічних конопель, на яких вітчизняних підприємствах виготовляють шовкові й вовняні тканини, де розташовані комбінати з виробництва хімічних волокон і яку сировину вони використовують.