Целлюлозные волокна: свойства и применение¶

Целлюлозные волокна — это природные или регенерированные волокна, основным компонентом которых является целлюлоза (полисахарид, состоящий из остатков β-глюкозы). Они составляют основу растительного мира, входя в состав клеточных стенок растений, и являются важнейшим сырьём для текстильной, бумажной и химической промышленности. К целлюлозным волокнам относят хлопок, лён, пеньку, джут, а также вискозные и лиоцелловые волокна, получаемые химической переработкой природной целлюлозы.

¶Строение и свойства

Целлюлоза в волокнах находится в фибриллярной форме: макромолекулы образуют микрофибриллы, которые объединяются в фибриллы и далее — в волокно. Степень полимеризации (число глюкозных остатков) у природных волокон высока (у хлопка — до 10–15 тысяч), что обеспечивает их механическую прочность. Молекулы целлюлозы содержат гидроксильные группы, способные к образованию водородных связей, что определяет гидрофильность волокон.

Ключевые физико-механические свойства целлюлозных волокон:

• Гигроскопичность: способность поглощать влагу (хлопок — до 8–10 % от массы при нормальных условиях, вискоза — до 12–13 %).
• Прочность: разрывная нагрузка у хлопка составляет 25–40 сН/текс, у льна — 40–60 сН/текс; во влажном состоянии прочность природных волокон возрастает на 10–20 %, у вискозы — падает на 40–50 %.
• Термостойкость: выдерживают нагревание до 150–180 °C без разрушения, при более высоких температурах начинается деструкция (обугливание).
• Устойчивость к щелочам: природные волокна устойчивы к действию разбавленных щелочей, что используется в мерсеризации хлопка; кислоты, напротив, вызывают гидролиз целлюлозы.
• Электрические свойства: являются диэлектриками, обладают высоким электрическим сопротивлением, склонны к накоплению статического заряда при низкой влажности.
• Биоразлагаемость: под действием микроорганизмов и ферментов волокна разлагаются в природной среде, что делает их экологически предпочтительными по сравнению с синтетическими аналогами.

¶Классификация

По происхождению целлюлозные волокна делят на две группы:

1. Натуральные (природные) растительные волокна — формируются в растениях естественным путём:

• Семенные: хлопок (волоски на семенах хлопчатника).
• Лубяные: лён, пенька (конопля), джут, кенаф, рами — извлекаются из стеблей.
• Листовые: сизаль, абака (манильская пенька) — из листьев.
• Плодовые: кокосовое волокно (койр) — из околоплодника кокосового ореха.

1. Химические (регенерированные) волокна — получают переработкой природной целлюлозы (древесной или хлопковой):

• Вискозное волокно — производится через ксантогенирование целлюлозы (наиболее распространённый вид).
• Лиоцелл (лиоцелловое волокно) — получают прямым растворением целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде; экологически более безопасный процесс.
• Медно-аммиачное волокно (купро) — растворяют целлюлозу в медно-аммиачном комплексе; в настоящее время выпускается ограниченно.
• Ацетатные и триацетатные волокна — сложные эфиры целлюлозы; по химической природе относятся к целлюлозным, но обладают иными свойствами (термопластичностью, меньшей гигроскопичностью).

¶Применение

Целлюлозные волокна широко используются в различных отраслях:

• Текстильная промышленность: хлопок и лён — основа производства тканей (ситца, бязи, денима, льняного полотна), трикотажа, швейных ниток. Вискоза и лиоцелл применяются для изготовления одежды, подкладочных тканей, домашнего текстиля; ацетатный шёлк — для подкладок и декоративных тканей.
• Технические материалы: пенька и джут — для производства канатов, шпагатов, мешковины, технических тканей; сизаль — для щёток, шлифовальных материалов; койр — для матрасов, геотекстиля.
• Целлюлозно-бумажная промышленность: древесная целлюлоза и хлопковый линт — сырьё для производства бумаги, картона, вискозной целлюлозы.
• Медицина и гигиена: хлопковая вата, марля, бинты, нетканые материалы на основе вискозы и лиоцелла (одноразовые салфетки, подгузники, средства женской гигиены). Лиоцелл используется для производства хирургических перевязочных материалов благодаря высокой биосовместимости.
• Композиционные материалы: целлюлозные волокна применяются как армирующий наполнитель в биокомпозитах (например, в сочетании с полилактидом), а также в производстве целлофана и плёнок.
• Строительство: пенька и джут используются как утеплитель и уплотнитель в деревянном домостроении (пакля, джутовый войлок).

¶Экологические аспекты

Натуральные целлюлозные волокна являются возобновляемым ресурсом, полностью биоразлагаемы и не накапливаются в окружающей среде. Регенерированные волокна (вискоза, лиоцелл) также поддаются биологическому разложению, однако их производство связано с использованием химических реагентов: вискозный процесс — с сероуглеродом и щелочами, что требует очистки стоков и выбросов. Лиоцелловая технология считается более экологичной, так как растворитель (N-метилморфолин-N-оксид) регенерируется в цикле до 99 %. В то же время выращивание хлопка сопровождается значительным потреблением воды и применением пестицидов, что стимулирует развитие органического хлопководства.

¶Источники

• Перепелкин К. Е. «Химические волокна: развитие производства, свойства, применение» — СПб., 2008.
• Кукин Г. Н., Соловьев А. Н., Кобляков А. И. «Текстильное материаловедение» — М., 1992.
• ГОСТ 3274.1-72 «Волокно хлопковое. Методы определения разрывной нагрузки».
• Савостицкий Н. А., Амирова Э. К. «Материаловедение швейного производства» — М., 2001.