Химия


ШТУЧНІ ТА СИНТЕТИЧНІ ВОЛОКНА

Як вам відомо, Натуральні волокна — бавовну, льон, вовнy, шовк — виробляють із природних волокнистих матеріалів. Природний полімер целюлоза також має волокнисту струк­туру, проте вона недостатньо впорядкована, щоб із неї можна було виробити нитки. З цією метою треба перебудувати струк­туру речовини. Це досягається хімічним шляхом: целюлозу, виділену з деревини, обробляють спеціальними речовинами, продукт розчиняють. У розчині полімерні молекули стають

Більш рухливими, тепер з них можна формувати волокно (роз­чинник при цьому випаровується). Таким чином виготовляють штучні (ацетатне або віскозне) волокна, а з них — штучна (ацетатний або віскозний) шовк.

Волокна можна виробляти і синтетичним шляхом. Людо бавовна — полімерний матеріал, мономером якого є целюлозу то вовна і шовк — полімери білкової природи, молекули яких утворюються шляхом сполучення амінокислот. Як виявилося, подібну структуру має полімер амінокапронової кислоти складу H2N—(СН2)5—СООН. Загальна формула полімера:


• Складіть схему сполучення між собою трьох молекул амінокапронової кислоти за зразком, наведеним у § 13.

Волокно, вироблене з такого полімера, називається капро­ном. Воно міцне, не витирається, не вбирає вологу (через це швидко висихає), хоча й має деякі вади.

• Зважаючи на те, що це волокно білкової природи, зробіть при­пущення про його відношення до кислот, нагрівання. Дайте по­яснення.

Целюлоза

Знаходження у природі. Фізичні властивості. Целюлоза, або 4 клітковина, входить до складу всіх рослин, утворюючи в них обо­лонки клітин. Звідси походить і її назва ("целула" — клітина). Целюлоза надає рослинам потрібної міцності та еластичності і є немовби їх скелетом.

Волокна бавовни містять до 98 % целюлози; волокна льону й конопель теж в основному складаються з целюлози; у деревині во­на становить близько 50%. Папір, бавовняні тканини — це вироби з целюлози. Особливо чистими зразками целюлози є вата з очище­ної бавовни й фільтрувальний (непроклеєний) папір.

Виділена з природних матеріалів целюлоза — тверда волокнис­та речовина, яка не розчиняється ні у воді, ні в звичайних орга­нічних розчинниках.

Будова целюлози. Целюлоза, як і крохмаль, є природним по­лімером. Виявилося, що ці речовини мають навіть однакові за складом структурні ланки, отже, і ту саму молекулярну форму­лу (С6Н10О5)„. Але тоді постає запитання: від чого ж залежить відмінність між властивостями цих двох, без сумніву, різних речовин?

Можна припустити, що макромолекули крохмалю і целюлози від­різняються кількістю структурних ланок або своєю структурою. Справді, значення П У целюлози звичайно більше, ніж у крохма­лю: її середня відносна молекулярна маса досягає кількох мільйонів.

Але в основному целюлоза і крохмаль відрізняються струк­турою своїх молекул. Молекули крохмалю мають лінійну і розгалужену структуру, а молекули целюлози — тільки лінійну:

-С6НЮ05-С6Н1005-С6НІ005-С6НЮ05- ...

Цим пояснюється утворення целюлозою таких волокнистих мате­ріалів, як бавовна, льон, коноплі тощо. У природних волоконцях макромолекули целюлози розміщуються в одному напрямі; вони, як говорять, орієнтовані вздовж осі волокна (мал. 50). Численні вод­неві зв'язки між гідроксильними групами, що виникають при цьому, зумовлюють високу механічну міцність цих волоконець. У процесі прядіння бавовни, льону вони сплітаються у довші й міцніші нитки. З целюлози деревини не прядуть ниток. Це пояснюється тим, що мак­ромолекули в ній хоч і мають лінійну структуру, проте розміщені безладно, не орієнтовані в одному напрямі.

Здавалося б, відмінність у бу­дові молекул крохмалю і целюлози незначна, але вона дуже впливає на властивості полімерів. Досить згадати, що крохмаль є важли­вим продуктом харчування, а це­люлоза для цього не може вико­ристовуватися.

Хімічні властивості. З повсяк­денного життя відомо, що целюло­за добре горить. Під час горіння деревини без доступу повітря

Відбувається термічний розклад целюлози. При цьому утворюються леткі органічні речовини, вода і деревне вугілля. Серед органіч­них продуктів розкладу деревини — метиловий спирт, оцтова кис­лота, ацетон.

Оскільки макромолекули целюлози складаються з ланок, дуже подібних до тих, які утворюють крохмаль, можна припустити, що вона гідролізується і що продуктом гідролізу її, як і крохмалю, є глюкоза. Розітремо у фарфоровій ступці клаптики фільтрувально­го паперу (целюлози), змочені концентрованою сірчаною кислотою. Розведемо утворену кашку водою, нейтралізуємо кислоту лугом і, як у випадку з крохмалем, випробуємо розчин на реакцію з гідро­ксидом міді (II). Утвориться оксид міді (І). Отже, у нашому дос­ліді целюлоза гідролізувалася. Процес гідролізу, як у випадку з крохмалем, відбувається ступінчасто, поки, нарешті, не утворить­ся глюкоза.

Таким чином, сумарно гідроліз целюлози можна виразити тим самим рівнянням, що й гідроліз крохмалю:

Структурні ланки целюлози С6Н10О5, як і в крохмалі, містять по три гідроксильні групи. Іноді їх у формулі виділяють так:

Завдяки цим групам целюлоза може утворювати прості й склад­ні ефіри.

Велике значення мають азотнокислі ефіри целюлози. Вони утво­рюються внаслідок дії на целюлозу азотної кислоти в присутнос­ті сірчаної кислоти. Залежно від концентрації азотної кислоти та інших умов у реакцію етерифікації вступають одна, дві або всі три гідроксильні групи кожної ланки молекули целюлози, наприк­лад:

Загальна властивість нітратів целюлози — їх надзвичайна горючість. Тринітрат целюлози, який ще називається піроксилі­ном,—дуже вибухова речовина. Він використовується для вироб­ництва бездимного пороху.

Дуже важливі також оцтовокислі ефіри целюлози — діацетат і триацетат целюлози.

Діацетат і триацетат целюлози за зовнішнім виглядом схожі на целюлозу. З них виготовляють ацетатне волокно.

Застосування целюлози Дуже різноманітне. Завдяки високій механічній міцності її в складі деревини використовують у будівництві. З неї виготовляють різні столярні вироби. Волокнис­ті матеріали (бавовна, льон, коноплі) ідуть для виготовлення ни­ток, тканин, канатів. Із виділеної з деревини і звільненої від супро­відних речовин целюлози виробляють папір. У результаті гідролізу целюлози і бродіння глюкози, що утворюється при цьому, добувають етиловий спирт. З ефірів целюлози виготовляють нітролаки, кіно­плівку, медичний колодій, штучне волокно.

Добування ацетатного волокна. З давніх часів людина вико­ристовує природні волокнисті матеріали для виготовлення одягу й різних предметів домашнього вжитку. Одні з цих матеріалів рослинного походження і складаються з целюлози, наприклад льон, бавовна; інші — тваринного походження і складаються з білків — шерсть, шовк.

Із збільшенням потреб населення і техніки в тканинах ста­ла гостро відчуватися нестача волокнистих матеріалів. Виникла потреба добувати волокна хімічним способом.

Це можна здійснити двома способами.

Оскільки волокна характеризуються впорядкованим, орієнто­ваним уздовж осі волокна розміщенням лінійних макромолекул, то можна взяти природний полімер невпорядкованої структури і тією чи іншою обробкою змінити в ньому розміщення макромолекул, укласти їх в одному напрямі.

Можна зробити й так: добути полімер синтетичним способом, а потім укласти в ньому молекули в потрібному порядку. • У, промисловості добувають волокна обома способами. Волокна, що їх добувають переробкою природних полімерних матеріалів, на­зиваються Штучними, А ті, що добувають із синтетичних полімерів,— Синтетичними. Штучні й синтетичні волокна об'єднуються в одну гру­пу Хімічних Волокон, бо при добуванні і тих і інших, на відміну від природних волокон, застосовуються хімічні методи (мал. 51).

Як вихідний природний полімер для утворення штучних воло­кон беруть целюлозу, виділену з деревини, або бавовняний пух, який залишається на насінні бавовнику після того, як з нього знімуть волокна бавовни.

Щоб лінійні молекули полімеру розмістити вздовж осі утворю­ваного волокна, треба насамперед відокремити їх одну від одної, зробити рухливими, здатними до переміщення, тобто розплавити по­лімер або розчинити його. Розплавити целюлозу неможливо: від нагрівання вона руйнується. Отже, треба шукати методи розчинення целюлози.

Цього можна досягти її хімічною обробкою. Целюлозу обробля­ють оцтовим ангідридом у присутності сірчаної кислоти (оцтовий ангідрид — сильніший етерифікуючий засіб, ніж оцтова кислота).

Продукт етерифікації — триацетат целюлози розчиняють у суміші дихлорметану СН2С12 й етилового спирту. Утворюється в'яз­кий розчин, у якому молекули полімеру вже можуть переміщатися і розміщуватися в тому чи іншому потрібному порядку.

Щоб добути волокна, розчин полімеру продавлюють крізь фільєри — ковпачки з численними отворами (мал 52). Тонкі струмені роз­чину опускаються у вертикальну шахту заввишки близько 3 м, через яку проходить нагріте повітря.

Під впливом теплоти розчинник випаровується, і триацетат це­люлози утворює тонкі довгі волоконця, які скручуються потім у нитки і йдуть на дальшу переробку. Вже проходячи крізь отвори фільєри, макромолекули починають вишиковуватися вздовж стру­меня розчину. У процесі дальшої обробки макромолекули розмі­щуються ще впорядкованіше. Це забезпечує високу міцність воло­конець і ниток, які вони утворюють.

Часто штучні волокна застосовують не у вигляді довгих ниток (шовку), а у вигляді штапелю — різаних некручених волокон кілька сантиметрів завдовжки. Штапель можна використовувати для пря­діння разом з іншими волокнами, наприк­лад шерстю.

Ацетатне волокно менше втра-'чає міцність у вологому стані, ніж штучне віскозне волокно. Завдяки нижчій теплопровідності воно краще зберігає теплоту. Крім того, це волокно м'яке, мало мнеться, менше збігається від прання, має приємний блиск. Усе це робить його цінним текстиль­ним матеріалом.

Проте за гігієнічними власти­востями ацетатне волокно посту­пається перед бавовняним. Оскіль­ки більшість гідроксильних груп у ньому'етерифіковані, воно має менше можливостей для утворен­ня водневих зв'язків з молекулами води, тому ацетатне волокно менш гігроскопічне, гірше вбирає вологу.