Что такое волокна? виды и свойства волокон

История

Впервые мысль о том, что человеком может быть создан процесс, подобный процессу получения натурального шелка, при котором в организме гусеницы шелкопряда вырабатывается вязкая жидкость, затвердевающая на воздухе с образованием тонкой прочной нити, была высказана французским ученым Р. Реомюром ещё в 1734 году.

Производство первого в мире химического (искусственного) волокна было организовано во Франции в городе Безансоне в 1890 году и основано на переработке раствора эфира целлюлозы (нитрата целлюлозы), применяемого в промышленности при получении бездымного пороха и некоторых видов пластмасс.

Основные этапы в развитии химических волокон

На первом этапе — с конца XIX века до 1940—1950-х годов — разрабатывались и совершенствовались процессы получения искусственных волокон на основе природных полимеров из их растворов мокрым методом формования. Развивалось производство вискозных волокон. Некоторое развитие получили процессы сухого формования ацетатных волокон. Однако доминирующую роль в изготовлении текстильных изделий играли природные волокна, химические рассматриваются только как дополнение к природным волокнам. Изделия из химических волокон изготавливались в весьма небольших количествах.
На втором этапе — 1940-е—1970-е годы — развивались процессы синтеза волокнообразующих мономеров, полимеров и технологии получения волокон из расплавов синтетических полимеров. Одновременно сохранялось и совершенствовалось производство волокон мокрым методом формования. Производство химических волокон развивалось в промышленно развитых странах. В этот период созданы основные виды химических волокон, которые можно назвать «традиционными» или «классическими». Химические волокна рассматривались как дополняющие и только частично заменяющие природные волокна. Начинали развиваться процессы модифицирования волокон.
На третьем этапе — 1970—1990-е годы — выпуск химических волокон существенно возрос. Широко развились методы их модифицирования для улучшения потребительских свойств. Химические волокна приобрели самостоятельное значение для самых различных видов изделий и областей применения. Кроме того, они широко используются в смесях с природными волокнами. В этот же период в промышленно развитых странах созданы «волокна третьего поколения» с принципиально новыми специфическими свойствами: сверхпрочные и сверхвысокомодульные, термостойкие и трудногорючие, хемостойкие, эластомерные и др.
На четвёртом этапе — с 1990-х годов по настоящее время — идёт современный этап развития производства химических волокон, появление новых способов модифицирования, создание новых видов многотоннажных волокон: «волокон будущего» или «волокон четвёртого поколения». В их числе новые волокна на основе воспроизводимого растительного сырья (лиоцелл, полилактидные), новые мономеры и полимеры, получаемые путём биохимического синтеза и волокна на их основе. Проводятся исследования по применению новых принципов получения полимеров и волокон, основанных на методах генной инженерии и биомиметики.

Как правильно употреблять?

Основные принципы правильного употребления полезных волокон, которые так важны для организма человека:

Они должны присутствовать во всех приемах пищи.
Фрукты нужно есть вместе с кожурой.
Для перекуса использовать только фрукты.
Полностью исключить из меню выпечку из белой муки.
Регулярно употреблять небольшое количество отрубей.
Длительная термообработка способствует снижению содержания полезного вещества.
Вместо шлифованного риса стоит употреблять черный или коричневый.

Перед введением в меню клетчатки не помешает консультация опытного диетолога, особенно при наличии лишнего веса и сахарного диабета.

Строение мышцы

Каждая скелетная мышца состоит из множества тонких мышечных волокон, толщиной 0,05-0,11 мм и длиной до 15 см. Мышечные волокна собраны в пучки по 10-50 штук, окруженные соединительной тканью. Сама мышца тоже окружена соединительной тканью (фасцией). Мышечные волокна составляют 85-90% массы мышцы, остальную часть составляют кровеносные сосуды и нервы, проходящие между ними. Мышечные волокна плавно переходят на концах в сухожилия, а сухожилия крепятся к костям.

В саркоплазме (цитоплазме) мышечных волокон содержится множество митохондрий, которые выполняют роль электростанций, где проходят процессы обмена веществ и скапливаются вещества богатые энергией, а также другие вещества, необходимые для обеспечения энергетические потребностей. Каждая мышечная клетка имеет тысячи митохондрий, которые составляют 30-35% ее массы. Митохондрии выстраиваются цепочкой вдоль миофибрилл, тонких мышечных нитей, благодаря которым и происходит сокращение-расслабление мышц. Одна клетка содержит обычно несколько десятков миофибрилл. Длина миофибриллы может достигать нескольких сантиметров, а масса всех миофибрилл мышечной клетки составляет около 50% ее общей массы. Таким образом, толщина мышечного волокна главным образом будет зависеть от количества находящихся в нем миофибрилл и от поперечного сечения миофибрилл. Миофибриллы в свою очередь состоят из множества крохотных саркомеров.

Целенаправленные занятия физкультурой и спортом приводят к:

увеличению количества миофибрилл в мышечном волокне;
увеличению поперечного сечения миофибрилл;
увеличению размеров и количества митохондрий, снабжающих миофибриллы энергией;
увеличиваются запасов энергоносителей в мышечной клетке (гликогена, фосфатов и т.д.).

В процессе занятий сначала увеличивается сила мышцы, в последствии увеличивается толщина мышечного волокна, что в конечном итоге приводит к общему увеличению поперечного сечения всей мышцы. Процесс увеличения толщины мышечных волокон называется гипертрофия, а уменьшения — атрофия.

Сила и мышечная масса увеличиваются не пропорционально: если мышечная масса увеличивается, например, вдвое, то мышечная сила при этом увеличится втрое.

Биопсии мышечной ткани показали более низкий процент миофибрилл в мышечных волокнах женщин, чем у мужчин (даже у спортсменок высокой квалификации). Вкупе со значительно более низким уровнем тестостерона (тестостерон заставляет «выжимать» из мужского организма максимум), традиционная у мужчин тренировка на увеличение мышечной массы с большими весами в малом числе повторений оказывается малоэффективной для большинства женщин. Поэтому женщины и не могут нарастить огромные мышцы, как бы не старались. Количество мышечных волокон в конкретной мышце задано генетически и в процессе тренировок не изменяется. Поэтому человек с бОльшим количеством мышечных волокон в конкретной мышце имеет бОльший потенциал для развития этой мышцы, нежели другой человек, имеющий меньшее количество мышечных клеток в этой мышце.

Определение искусственных и синтетических тканей

Зная волокнистый состав тканей и свойства волокон, можно определить назначение ткани, ее поведение при раскрое, пошиве, влажнотепловой обработке, носке.

Признаки определения искусственных и синтетических тканей

Характерные признаки определения тканей	Показатели признаков тканей
вискозных	ацетатных	капрона	нитрона
Блеск	Резкий	Матовый	Резкий	Матовый
Гладкость поверхности	Гладкая	Гладкая	Гладкая	Шероховатая
Мягкость	Мягкая	Мягкая	Жесткая	Мягкая
Сминаемость	Сильная	Средняя	Малая	Средняя
Осыпаемость	Большая	Большая	Очень большая	Малая
Прочность в мокром состоянии	Малая	Средняя	Большая	Большая
Действие ацетона	—	Растворяется	—	—
Действие уксусной кислоты	—	Растворяется на холоде	Растворяется при нагреве	—
Горение	Смотрите таблицу – Свойства искусственных волокон	Смотрите таблицу – Свойства искусственных волокон	Смотрите таблицу – Свойства синтетических волокон	Смотрите таблицу – Свойства синтетических волокон

Лабораторно-практическая работа

Определение искусственных и синтетических тканей

Оборудование: образцы тканей, рабочая коробка, (указанны в таблице выше).

Ход работы

Рассмотреть образцы тканей. Определить искусственные и синтетические ткани по характеру горения. Заполнить таблицу (смотрите таблицу ниже).
Составить коллекцию искусственных и синтетических тканей.
Ответить на вопросы:
1. Какими свойствами обладает вискозный шелк? 2. Чем по внешнему виду отличается ацетатный шелк от капрона? 3. Как горит вискозный шелк? 4. Какая ткань растворяется в ацетоне?

Название ткани	Признаки определения
По внешнему виду	На ощупь	На прочность в мокром состоянии	По горению
Вискозный шелк	–	–	–	–
Ацетатный шелк	–	–	–	–
Капрон	–	–	–	–
Нитрон	–	–	–	–

«Обслуживающий труд», С.И.Столярова, Л.В.Домненкова

Ткани из искусственных и синтетических волокон нашли широкое применение как в быту, так и в промышленности. Из вискозных нитей изготавливают подкладочные ткани (саржа, сатин подкладочный), платьевые (крепмарокен, тафта), сорочечные (шотландка, пике), бельевые (полотно), а также декоративные и плащевые ткани. В смеси с хлопком химические волокна используют для производства бельевого трикотажа, спортивной одежды. Ацетатные волокна идут…

Химические волокна — это волокна, созданные искусственным путем с помощью физических и химических процессов. Производство химических волокон оказывает большое влияние на развитие текстильной промышленности — значительно расширяется ассортимент тканей, улучшаются их свойства, создаются новые виды тканей за счет смеси различных волокон и т. д. Наблюдается постоянное увеличение производства тканей из химических волокон. Это вызвано тем,…

Польза пищевых волокон

Клетчатка (второе название данных волокон), в первую очередь, отвечает за нормальную работу желудочно-кишечного тракта. Также множество продуктов, богатых клетчаткой, содержит большое количество витаминов и минералов.

Фитнес-козинак (клюква-свекла)

Растительные волокна бывают двух типов: растворимые и нерастворимые. В кишечнике они впитывают воду и превращаются в гелеобразное вещество.

Пищеварение и здоровье кишечника

Это главный плюс данных волокон. Клетчатка облегчает и предотвращает запоры, увеличивает объем каловых масс, улучшает их консистенцию. Также клетчатка способствует населению кишечника полезными бактериями. Содержащиеся в ее составе пребиотики являются профилактикой рака толстой кишки.

Контроль массы тела

Регулярное потребление пищевых растительных волокон позволяет поддерживать постоянный здоровый вес.

Напиток Weight Control (яблоко-лимон)

Низкий уровень сахара в крови

Волокна способствуют замедлению процесса пищеварения. В итоге сахар медленнее всасывается в кровоток, что стабилизирует его уровень в крови.

Снижает холестерин и давление

Высокое давление и уровень «вредного» холестерина — главные факторы риска для болезней сердца и сосудов. При регулярном потреблении клетчатки в достаточном количестве возникает снижение липопротеидов низкой плотности.

Важно, чтобы в ежедневном рационе любого человека было достаточное количество клетчатки.

Вариант №2

Технический прогресс шагнул далеко вперед с открытием химической природы вещей. На основе химических соединений синтезировали новые вещества. Прогресс коснулся и текстильной промышленности. Ранее, ткани получали из природных волокон. В 1890 году, впервые французами получено волокно, синтезированное на основе химических реакций.

Сейчас, все химические волокна классифицируются на:

Органическое волокно,
Неорганическое волокно.

Органические волокна получают на основе природного сырья – льна, хлопка, шерсти и шелка. Неорганические волокна, или химические, в свою очередь делятся на:

Искусственные.
Синтетические.

Любой процесс производства химического волокна, подразумевает длительную по времени обработку исходного материала. Весь процесс разделен на несколько этапов. После подготовительной обработки, получают концентрат, который является основой для прядения отдельных волокон, а дальше из них идет создание полотна. Поэтапно, все производство можно представить следующим образом: этап 1 – проведение предварительной обработки.

Этап 2 – Получение прядильного концентрата.

Этап 3 – Получение волокон.

Этап 4 – Обработка готовых волокон.

Этап 5 – Текстильная обработка.

При формировании концентратов добавляют целлюлозу. Чтобы изготовить целлюлозу в растворе, исходный концентрат под давлением продавливается через отверстия и, уже с готовых волокон, отмывают растворитель, для чего применяется уксусная кислота, гидроксид меди и натрия, сероуглерод. Поэтому закрепились названия – волокна ацетатные, медноаммиачные, вискозные. Вырабатывают вискозное полотно из еловой древесины. Ацетатное волокно вырабатывают из отходов хлопкового производства, такое полотно обладает хорошими гидрофильными свойствами (хорошо впитывают влагу).

Синтетические волокна получают из продуктов нефтепереработки, газообразной фракции и каменного угля. Поэтому волокна классифицируются по составляющим

полиамидное полотно (лавсан),
полиэфирное полотно (нейлон и капрон),
полиакрилонитрильное полотно (акрил, нитрон),
Эластановое полотно (лайкра и дорластан).

Обладают сильными горючими свойствами и легкоплавкостью, плохо, практически совсем не впитывают влагу.

10 класс

Что такое волокна натурального происхождения

Это все волокна, которые происходят из природных источников, из них может формироваться растительная ткань, минеральное вещество или текстиль. Такие волокна являются биоразлагаемым и возобновляемым ресурсом. Они легко доступны из природных материалов и, как правило, имеют низкую стоимость за единицу объема. Эти волокна классифицируются по происхождению:

Растительные — одним из основных компонентов таких нитей является целлюлоза, которая используется при производстве бумаги и ткани. Она содержится в хлопке, льне и конопле. Пищевые волокна (клетчатка) содержатся в пищевых растительных продуктах, таких как злаки, фрукты, овощи, орехи. Это тот тип углеводов, который не усваивается ферментами нашего организма. Клетчатка помогает поддерживать здоровье кишечника и снизить риск заболеваний, таких как диабет, рак кишечника и ишемическая болезнь сердца.
Животные волокна, состоящие, в основном, из белка. Они включают шелковое волокно из шелкопрядов, меховое волокно (к примеру, из овечьей шерсти), коллагеновое волокно (извлеченное из шкур животных), хитин (извлеченный из ракообразных и моллюсков).

Минеральные волокна берут свое начало в породах с волокнистой структурой. Состоят, в основном, из силикатов. Единственным примером природного минерального волокна является асбест.

Нетканые материалы из химических волокон

Нетканые материалы можно получать как из натуральных, так и из химических волокон. Часто нетканые материалы производят из вторсырья и отходов других производств.

Волокнистая основа, подготовленная механическим, аэродинамическим, гидравлическим, электростатическим или волокнообразующим способами, скрепляется.

Основной стадией получения нетканых материалов является стадия скрепления волокнистой основы, получаемой одним из способов:

Химический или адгезионный (клеевой) – сформованное полотно пропитывается, покрывается или орошается связующим компонентом в виде водного раствора, нанесение которого может быть сплошным или фрагментированным.
Термический – в этом способе используются термопластичные свойства некоторых синтетических волокон. Иногда используются волокна, из которых состоит нетканый материал, но в большинстве случаев в нетканый материал еще на стадии формования специально добавляют небольшое количество волокон с низкой температурой плавления (бикомпонент).

Краткая характеристика методов получения

В промышленности химические волокна вырабатывают в виде:

штапельных волокон (резаных длиной 35—120 мм);
жгутов и жгутиков (линейная плотность соответственно 30—80 и 2—10 г/м);
комплексных нитей (состоят из многих тонких элементарных нитей);
мононитей (диаметром 0,03—1,5 мм).

Первая стадия процесса производства любого химического волокна заключается в приготовлении прядильной массы (формовочного раствора или расплава), которую в зависимости от физико-химических свойств исходного полимера получают растворением его в подходящем растворителе или переводом его в расплавленное состояние.

Полученный вязкий формовочный раствор тщательно очищают многократным фильтрованием и удаляют твердые частицы и пузырьки воздуха. В случае необходимости раствор (или расплав) дополнительно обрабатывают — добавляют красители, подвергают «созреванию» (выстаиванию) и др. Если кислород воздуха может окислить высокомолекулярное вещество, то «созревание» проводят в атмосфере инертного газа.

Вторая стадия заключается в формовании волокна. Для формования раствор или расплав полимера с помощью специального дозирующего устройства подается в так называемую фильеру. Фильера представляет собой небольшой сосуд из прочного теплостойкого и химически стойкого материала с плоским дном, имеющим большое число (до 25 тыс.) маленьких отверстий, диаметр которых может колебаться от 0,04 до 1,0 мм.

При формовании волокна из расплава полимера тонкие струйки расплава из отверстий фильеры попадают в специальную шахту, где они охлаждаются потоком воздуха и затвердевают. Если формирование волокна производится из раствора полимера, то могут быть применены два метода: сухое формирование, когда тонкие струйки поступают в обогреваемую шахту, где под действием циркулирующего теплого воздуха растворитель улетучивается, и струйки затвердевают в волокна; мокрое формирование, когда струйки раствора полимера из фильеры попадают в так называемую осадительную ванну, в которой под действием различных содержащихся в ней химических веществ струйки полимера затвердевают в волокна.

Во всех случаях формирование волокна ведется под натяжением. Это делается для того, чтобы ориентировать (расположить) линейные молекулы высокомолекулярного вещества вдоль оси волокна. Если этого не сделать, то волокно будет значительно менее прочным. Для повышения прочности волокна его обычно дополнительно вытягивают после того, как оно частично или полностью отвердеет.

После формования волокна собираются в пучки или жгуты, состоящие из многих тонких волокон. Полученные нити при необходимости промывают, подвергают специальной обработке — замасливанию, нанесению специальных препаратов (для облегчения текстильной переработки), высушивают. Готовые нити наматывают на катушки или шпули. При производстве штапельного волокна нити режут на отрезки (штапельки). Штапельное волокно собирают в кипы.

Свойства волокон натурального происхождения

Такие нити обладают рядом качеств: малым весом и стоимостью, высокой удельной прочностью и удельной жесткостью. Эти свойства сделали их особенно привлекательными для многих различных промышленных целей. Все натуральные волокна не термопластичны — они не теряют своей формы и не размягчаются при нагревании. При температуре ниже точки разложения и распада они проявляют небольшую чувствительность к сухому теплу и не имеют усадки или высокой растяжимости при нагревании, а также не становятся хрупкими при охлаждении до температуры ниже нуля. Но под воздействием солнечного света и влаги натуральные волокна имеют тенденцию желтеть. А длительное воздействие приводит к потере прочности.

Все натуральные волокна особенно чувствительны к микробам разложения, включая плесень и гниль. Целлюлозные волокна разлагаются аэробными бактериями (получающими энергию от кислорода) и грибами. Они распадаются при высокой влажности, высоких температурах и, особенно, при отсутствии света. Термиты и серебряные рыбы тоже опасны для целлюлозы.

Шерсть и шелк подвержены не только микробному разложению бактериями и плесенью, но и повреждению от моли и ковровых жуков.

Волокна искусственного происхождения

Это волокна, в которых либо основные химические звенья были сформированы химическим синтезом с последующим образованием волокон, либо полимеры из природных источников были растворены и регенерированы после прохождения через фильеру с образованием волокон.

Искусственные волокна подразделяются на три класса.

На основе натуральных полимеров. Наиболее распространенным натуральным полимерным волокном является вискоза, изготавливаемая из целлюлозы. Ее получают в основном из выращиваемых деревьев. Другие волокна на основе целлюлозы: лиоцелл, модал, ацетат и триацетат. Менее распространенные натуральные полимерные волокна входят в состав каучука, альгиновой кислоты и регенерированного белка.
Волокна, изготовленные из химических полимеров, которых нет в природе. Они, в основном, нерастворимы и не являются химически активными. Наиболее распространенными являются полиэстер, полиамид (часто называемый нейлоном), акрил и модакрил, полипропилен, сегментированные полиуретаны, которые представляют собой эластичные волокна, известные как спандекс или эластаны.

Волокна, изготовленные из неорганических материалов, таких как стекло, металл, углерод или керамика. Они очень часто используются для армирования пластиков с целью формирования композитов.

Формование волокон

Процесс формования волокон состоит из следующих этапов:

продавливание прядильного раствора через отверстия фильер,
затвердевание вытекающих струек,
наматывание полученных нитей на приемные устройства.

Прядильный раствор подаётся на прядильную машину для формования волокон. Рабочими органами, непосредственно осуществляющими процесс формования химических волокон на прядильных машинах, являются фильеры. Изготавливаются фильеры из тугоплавких металлов – платины, нержавеющей стали и др. – в форме цилиндрического колпачка или диска с отверстиями.

В зависимости от назначения и свойств формуемого волокна количество отверстий в фильере, их диаметр и форма могут быть различными (круглые, квадратные, в виде звездочек, треугольников и т.п.). При использовании фильер с отверстиями фигурного сечения получают профилированные нити с различной конфигурацией поперечного сечения или же с внутренними каналами. Для формирования бикомпонентных (из двух и более полимеров) нитей отверстия фильер разделены перегородкой на несколько (две или более) частей, к каждой из которых подаётся свой прядильный раствор.

При формировании комплексных нитей используют фильеры с небольшим числом отверстий: от 12 до 100. Сформованные из одной фильеры элементарные нити соединяются в одну комплексную (филаментную) нить и наматываются на бобину. При получении штапельных волокон применяют фильеры с количеством отверстий в несколько десятков тысяч. Собранные вместе с нескольких фильер нити образуют жгут, который затем разрезается на штапельные волокна определенной длины.

Прядильный раствор дозировано продавливается через отверстия фильер. Вытекающие струйки попадают в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости от среды, в которой происходит затвердевание полимера, различают мокрый и сухой способы формования.

При формовании волокон из раствора полимера в нелетучем растворителе (например, вискозных, медно-аммиачных, поливинилспиртовых волокон) нити затвердевают, попадая в осадительную ванну, где происходит их химическое или физико-химическое взаимодействие со специальным раствором, содержащим различные реагенты. Это «мокрый» способ формования (Рис 2а).

Если формование проводят из раствора полимера в летучем растворителе (например, для ацетатных и триацетатных волокон), средой затвердевания является горячий воздух, в котором растворитель испаряется. Это «сухой» способ формования (Рис 2б).

При формовании из расплава полимера (например, полиамидных, полиэфирных, полиолефиновых волокон) средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух или инертный газ (Рис 2в).

Скорость формования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формования.

Прядильный раствор в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается, этот процесс называется фильерная вытяжка.

Химические волокна и нити непосредственно после формования не могут быть использованы для производства текстильных материалов. Они требуют дополнительной обработки.

В процессе формования образуется первичная структура нити. В растворе или расплаве макромолекулы имеют сильно изогнутую форму. Так как при формовании степень вытягивания нити невелика, то макромолекулы в нити расположены с малой долью распрямленности и ориентации вдоль оси нити. Для распрямления и переориентации макромолекул в осевом направлении нити выполняется пластификационная вытяжка, в результате которой ослабляются межмолекулярные связи, и образуется более упорядоченная структура нити. Вытягивание приводит к увеличению прочности и улучшению текстильных свойств нити.

Но в результате большой распрямленности макромолекул нити становятся менее растяжимыми. Такие волокна и изделия из них подвержены последующей усадке во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах. Поэтому возникает необходимость подвергнуть нити термофиксации тепловой обработке в натянутом состоянии. В результате термофиксации происходит частичная усадка нитей из-за приобретения макромолекулами изогнутой формы при сохранении их ориентации. Форма пряжи стабилизируется, последующая усадка, как самих волокон, так и изделий из них во время ВТО снижается.