3.9. Włókna naturalne, sztuczne i syntetyczne

Lniana koszula, szata z naturalnego jedwabiu, a może polarowa bluza lub ubranie z materiału, z jakiego wykonuje się kombinezony kosmonautów? Współczesny człowiek może wybierać z bardzo szerokiej oferty materiałów wykorzystywanych do produkcji odzieży. Jak dzięki rozwojowi technologii chemicznej zmieniły się materiały, które służą nam do wytwarzania odzieży i innych wyrobów z włókien?

Już wiesz: 

  • jaką budowę chemiczną mają białka i cukry złożone, np. celuloza;
  • jak zbudowane są polimery oraz potrafisz podać ich przykłady.

Nauczysz się: 

  • klasyfikować włókna na naturalne (białkowe i celulozowe), sztuczne i syntetyczne, a także podawać ich przykłady;
  • rozpoznawać rodzaj włókien oraz przygotowywać doświadczenia pozwalające zidentyfikować włókna białkowe i celulozowe, sztuczne i syntetyczne;
  • opisywać zastosowania włókien naturalnych, sztucznych i syntetycznych, uwzględniając przy tym ich wady i zalety.

1. Włókna naturalne

Wśród włókien naturalnych wyróżnia sie włókna pochodzenia roślinnego, zwierzęcego i mineralnego.
Włókna roślinne pozyskuje się z różnych części roślin – nasion (bawełna), łodyg (len, konopie, juta, ramia), liści (sizal) lub owoców (włókna kokosowe).
Włókna pochodzenia zwierzęcego uzyskuje się na przykład z włosów ssaków (wełna, włosie), a także z wydzielin zwierzęcych (jedwab).
Włókna mineralne to włókniste substancje nieorganiczne naturalne (azbest) lub sztuczne (zamienniki azbestu, włókna szklane, wełna skalna lub żużlowa, włókna ceramiczne).
Najczęściej wykorzystywane – zwłaszcza do produkcji odzieży –włókna naturalne to bawełna, wełna, len i jedwab. Dlatego o tych włóknach warto dowiedzieć się więcej.

Polecenie 3.9.1.

Zastanów się, jakie związki organiczne wchodzące w skład komórek roślinnych i zwierzęcych mogą tworzyć włókna.

Wskazówka

Przypomnij sobie, które ze znanych ci związków o znaczeniu biologicznym, są związkami wielkocząsteczkowymi, zbudowanymi z powtarzających się elementów.
Wszystkie włókna są zbudowane z makrocząsteczek. Włókna naturalne zbudowane są z biopolimerów, tj. celulozy, białek, a włókna sztuczne z makrocząsteczek naturalnych, zmodyfikowanych w wyniku procesów chemicznych.
Włókna naturalne występują w przyrodzie w stanie gotowym do przerobu. Mogą być dostarczane przez rośliny, zwierzęta oraz występować w postaci minerałów.
Wszystkie włókna roślinne są zbudowane z celulozy. Oprócz niej w włóknach roślinnych w niewielkich ilościach występują lignina (polimer, którego monomerem są alkohole), a także kleje roślinne (pektyny).
Wśród włókien naturalnych wyróżnić można włókna pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

Włókna roślinne

Bawełna jest włóknem pozyskiwanym z krzewów bawełnianych. Białe włókna otaczają nasionka rośliny, tworząc na krzewach liczne białe kępki przypominające z wyglądu watę. Dojrzałe włókno kiedyś zbierano ręcznie, a dzisiaj zbiera się je głównie maszynowo.
Właściwości tkanin z bawełny – miękkość i przewiewność, a jednocześnie wytrzymałość – stwarzają wiele możliwości ich zastosowania. Łatwo o nie dbać – nadają się do prania w pralce, można je wirować oraz prasować na mokro w wysokiej temperaturze.
Bawełnę wykorzystuje się do produkcji odzieży, tkanin pościelowych, obrusów, środków opatrunkowych, sieci rybackich, filtrów do kawy.
Inną rośliną dostarczającą naturalnych włókien jest len. Włókna lniane pozyskuje się z łodyg tej rośliny. Jest to proces długotrwały i skomplikowany, obejmuje wiele etapów. Len był najpopularniejszym surowcem do produkcji odzieży, dopóki nie wprowadzono mechanicznej obróbki bawełny.
Tkaniny z lnu są chłonne i „oddychają”. Zapewniają szczególny komfort w upalne dni. Są ponadto trwałe i odporne na zabrudzenia. Wadą ich jest podatność na zagniecenia, które trudno rozprasować (niezbędna jest wysoka temperatura prasowania, oznaczana jako poziom 3. – najwyższy).
Lniana odzież oraz inne wyroby z włókien lnianych są traktowane obecnie jako wyroby ekskluzywne i eleganckie.
Sizal (sisal) to otrzymywane ze specjalnego gatunku agawy, twarde i bardzo wytrzymałe włókna. Stosuje się je do wyrabiania powrozów (lin, sznurów), mat i worków.

Włókna zwierzęce

Wełna to włosy zwierząt. Pozyskuje się ją głównie z sierści owczej oraz pochodzącej od innych zwierząt trawożernych – kóz, lam i wielbłądów. Najpopularniejsza jest wełna owcza, produkowana w wielu rodzajach.
Wełnę najlepszą gatunkowo uzyskuje się z owiec rasy merynos. Ma ona takie cenione przez użytkowników zalety, jak wyjątkowo cienkie włókna, miękkość, puszystość.
Wyroby z wełny cechują doskonałe właściwości termoregulacyjne – wełniana odzież zapewnia ciepło oraz szybko chłonie i odprowadza wilgoć. Ponadto wełna nie jest podatna na zabrudzenie oraz nie pochłania zapachów.
Z wełny produkuje się cieplejszą odzież, dywany, wykładziny, koce, poduszki, kołdry. Współcześnie wełna jest stosowana głównie w mieszankach z innymi włóknami i straciła bardzo na popularności na rzecz włókien syntetycznych.
Jedwab naturalny jest włóknem wytwarzanym przez gąsienice motyli jedwabników. Najbardziej popularne są jedwabniki morwowe. Gąsienice przędą dwie nitki jedwabiu, tworząc z nich kokon, w którym się przepoczwarzają. Te dwa włókna są sklejone ze sobą; dopiero rozdzielenie i rozplątanie kokonu oraz odpowiednia obróbka w gorącej wodzie pozwalają na uzyskanie nici o długości nawet 1–3 km. Włókna jedwabiu są najbardziej wytrzymałe spośród włókien naturalnych.
Tkanina jedwabna ma charakterystyczną, rozpoznawalną od pierwszego dotyku strukturę. Jest lekka i przewiewna, świetnie się układa. Uznaje się ją za najszlachetniejszą z tkanin. Ze względu na właściwości użytkowe oraz koszt produkcji jedwab jest włóknem bardzo drogim.
Tkaniny jedwabne wymagają delikatnego traktowania – zaleca się pranie ręczne, w temperaturze do 30°C i prasowanie przy temperaturze poniżej 150°C (oznaczanej jako poziom 1.).

Ciekawostka

Początkowo do wytwarzania odzieży człowiek wykorzystywał tylko naturalne surowce. Już w epoce kamienia obok prymitywnej odzieży ze skóry zaczęto także używać tkanin z włókien roślinnych. Egipcjanie nosili szaty lniane, Hindusi – bawełniane. Dzisiaj syntetyzuje się włókna o różnorodnych właściwościach i zastosowaniach. Jednak niektóre cechy włókien naturalnych są nadal bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do uzyskania w procesach technologicznych.
Do przędzenia nici służyły najpierw bardzo proste, a z czasem coraz bardziej skomplikowane urządzenia. Z biegiem czasu ręczne warsztaty tkackie zaczęto zastępować maszynami i tak powstał współczesny przemysł włókienniczy.

Włókna mineralne

Do niedawna powszechnie stosowanym i cenionym naturalnym włóknem mineralnym był azbest, który występuje w kilku odmianach o różnym składzie chemicznym. Azbest włóknisty jest zbudowany z cienkich, miękkich, lśniących włókien o barwie białej lub szarej, które charakteryzują się wytrzymałością na wysoką temperaturę oraz słabym przewodnictwem ciepła i elektryczności. Przędza azbestowa (wytwarzana z dodatkiem bawełny) miała zastosowanie w produkcji tkanin ognioodpornych i odpornych na działanie kwasów oraz w procesie wytwarzania tektury i papy azbestowej, używanych do izolacji cieplnej i elektrycznej.

Ciekawostka

2. Włókna wytwarzane w chemicznych procesach technologicznych – włókna sztuczne i syntetyczne

Włókna sztuczne

Włókna sztuczne są włóknami wytwarzanymi z surowców naturalnych – naturalnych polimerów, tj. celulozy, białka, kauczuku, które poddaje się obróbce chemicznej.
Wiskoza to włókno składające się głównie z celulozy, którą pozyskuje się przede wszystkim z drewna. Tkaniny z wiskozy mają właściwości zbliżone do bawełny, a w dotyku przypominają jedwab. Są materiałem termoregulującym i przewiewnym, wchłaniającym wilgoć, miękkim, elastycznym i przyjaznym w dotyku.
Modal jest włóknem składającym się w 100% z celulozy. Proces produkcyjny modalu jest bardzo zbliżony do procesu produkcyjnego wiskozy. Cechuje go duża odporność na uszkodzenia i atłasowy połysk. Pochłania o 50% więcej wilgoci niż bawełna. Tkaniny wykonane z niego są przewiewne, miękkie i sprężyste. Z modalu produkuje się m.in. bieliznę, odzież sportową i pościel.

[DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]Doświadczenie 3.9.1.

Problem badawczy:  
Jak rozpoznać (zbadać), czy tkanina wykonana jest z jedwabiu naturalnego bądź sztucznego?
Hipoteza: 
Jedwab naturalny jest włóknem białkowym, dlatego powinien palić się, wydzielając zapach palonego białka. Jedwab sztuczny zawiera w składzie głównie celulozę stad efekt jego spalania będzie inny, podobny do tego, jaki występuje podczas spalania papieru.
Co będzie potrzebne: 
  • szczypce metalowe,
  • palnik,
  • 2 szkiełka zegarkowe,
  • próbki jedwabiu naturalnego i sztucznego oraz próbka jedwabiu do identyfikacji.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Próbkę jedwabiu naturalnego umieść w płomieniu palnika.
  2. 2.
    Pozostałości spalania umieść na szkiełku zegarkowym.
  3. 3.
    Obserwuj, jak przebiega proces spalania oraz wygląd pozostałości po spalaniu. Zwróć uwagę także na zapach.
  4. 4.
    Podobnie postępuj z próbką jedwabiu sztucznego oraz próbką do identyfikacji.
Podsumowanie: 
Próba spalania jest łatwym sposobem identyfikacji włókien. Jedwab naturalny nie pali się, lecz topi, wydzielając zapach palonego białka. W wyniku spalania powstaje brunatna substancja.
Jedwab sztuczny spala się szybko, jasnym płomieniem, wydzielając zapach spalonego papieru. Powstający popiół ma barwę szarą.

[DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]Doświadczenie 3.9.2.

Problem badawczy:  
Jak rozpoznać (zbadać), czy tkanina wykonana jest z jedwabiu naturalnego, czy sztucznego (inną metodą)?
Hipoteza: 
Jedwab naturalny jest włóknem białkowym, dlatego powinien dawać pozytywny wynik charakterystycznej dla białek reakcji ksantoproteinowej. Jedwab sztuczny zawiera w składzie głównie celulozę i w tym przypadku wynik powinien być negatywny.
Co będzie potrzebne: 
  • dwa szkiełka zegarkowe,
  • pipetka lub kroplomierz,
  • próbki jedwabiu naturalnego i sztucznego oraz próbka jedwabiu do identyfikacji,
  • stężony kwas azotowy(V).
Instrukcja: 
  1. 1.
    Na szkiełkach zegarkowych połóż małe kawałki tkanin z jedwabiu naturalnego i sztucznego.
  2. 2.
    Na każdą tkaninę nanieś 2–3 krople stężonego kwasu azotowego(V).
  3. 3.
    Obserwuj zachodzące zmiany.
  4. 4.
    Na szkiełko zegarkowe połóż mały kawałek jedwabiu do identyfikacji.
  5. 5.
    Na tkaninę nanieś 2–3 krople stężonego kwasu azotowego(V).
  6. 6.
    Na podstawie obserwacji określ, czy badana tkanina została wykonana z jedwabiu naturalnego, czy sztucznego.
Podsumowanie: 
Pozytywny wynik reakcji ze stężonym kwasem azotowym(V) (ksantoproteinowej) – żółte zabarwienie – świadczy o zawartości białek w badanej próbce. Tkanina wykonana z jedwabiu naturalnego żółknie na skutek działania kwasu azotowego(VI), a tkanina z jedwabiu sztucznego – nie.

Ciekawostka

Na rynku można spotkać produkty, których wyjątkowość ma wynikać z tego, że do ich produkcji użyto włókien bambusowych. Reklamujący je producenci i sprzedawcy wymieniają długą listę ich zalet, które wynikają właśnie z rodzaju zastosowanego włókna. Czy rzeczywiście włókna bambusowe mają wyjątkowe właściwości? Otóż pod względem składu chemicznego włókna te są po prostu sztucznymi włóknami celulozowymi, do produkcji których użyto bambusa, jako surowca dostarczającego celulozę. (Źródło)
Wełna mineralna (wełna kamienna) jest materiałem izolacyjnym pochodzenia mineralnego. Znalazła zastosowanie w budownictwie – do izolacji termicznych i akustycznych ścian, stropów i podłóg i dachów – oraz jako surowiec do produkcji materiałów konstrukcyjnych. Do wytwarzania wełny mineralnej używa się m.in. kamienia bazaltowego i kruszywa wapiennego. Stosowane są również materiały pochodzące z recyklingu.

Włókna syntetyczne

Różnica pomiędzy włóknami sztucznymi a syntetycznymi polega na różnej technologii produkcji. Włókna syntetyczne są wytwarzane od początku do końca przez człowieka – z polimerów syntetycznych, w procesie polimeryzacji (głównie z ropy naftowej i węgla), a włókna sztuczne powstają na drodze obróbki chemicznej włókien naturalnych.
Poliamid (nylon) jest pierwszym włóknem syntetycznym. Ze względu na swoje właściwości zyskał ogromną popularność wśród producentów odzieży. Jest lekki, odporny na gniecenie, bardzo wytrzymały, łatwo się pierze i szybko wysycha. Stosuje się go także jako dodatek w postaci mikrowłókien (mikrofibra), np. w bieliźnie.
Produkuje się wiele rodzajów nylonu. Najbardziej znany jest opisywany tutaj nylon 66. Powstaje on w wyniku reakcji kondensacji kwasu adypinowego z heksano-1,6-diaminą. Reakcja ta polega na łączeniu na przemian cząsteczek kwasu dikarboksylowego z cząsteczkami diaminy i tworzeniu cząsteczek polimeru.
Poliestry (elana, torlen) to włókna syntetyczne wytwarzane w wyniku reakcji kwasów dikarboksylowych z alkoholami polihydroksylowymi.
Wyróżniają się dużą wytrzymałością na zginanie, rozrywanie i ścieranie, dobrą odpornością na działanie światła, czynników chemicznych (słabe kwasy i zasady), są odporne biologicznie, bardzo słabo chłoną wodę. Włókna poliestrowe – same lub jako mieszanka z wełną, bawełną (elanobawełna) lub włóknami wiskozowymi – służą do wyrobu tkanin na ubrania wierzchnie, tkanin dekoracyjnych, firanek.
Elastan (spandex, lycra) to włókno poliuretanowe, które zostało wynalezione w 1958 r. i od razu zrewolucjonizowało rynek odzieżowy. Zastosowanie elastanu jako dodatku do materiałów zmniejszało znacznie ich wagę, zwiększając jednocześnie trwałość oraz komfort i łatwość użytkowania. Elastan nie występuje w materiale samodzielnie, lecz jako dodatek – w mieszankach z innymi włóknami (np. z bawełną, jedwabiem). Włókno to cechuje bardzo duża rozciągliwość (do 500%) i sprężystość.
Polar jest rodzajem dzianiny wykonanej z PET i innych tworzyw sztucznych. Charakteryzuje się hydrofobowością oraz znacznie lepszymi od wełny właściwościami termoizolacyjnymi. Nie traci tych właściwości nawet w przypadku zamoczenia. Wykorzystuje się go m.in. do wytwarzania odzieży sportowej.
Obecnie produkuje się różne rodzaje tkanin polarowych. W zależności od zastosowania różnią się gramaturą (np. polar 100 oznacza, iż 1 metr kwadratowy materiału waży 100 gramów) oraz właściwościami termicznymi, miękkością i sprężystością.
Kevlar jest włóknem wytrzymałym, lekkim i odpornym na wysoką temperaturę. Wykorzystuje się go m.in. do produkcji kamizelek kuloodpornych, hełmów, sprzętu do uprawiania sportów ekstremalnych.
Tabela 1. Właściwości wybranych włókien
WłóknoGęstość d [g/cm3]Wytrzymałość na zerwanie Rm [MPa]Dopuszczalna temperatura pracy w powietrzu tp [°C]*Uwagi
bawełna1,5270200celuloza ok. 95%
jedwab naturalny1,2550120–200białka
nylon 661,149030–150poliamid 66
lycra1,240–120poliuretan
kevlar-491,463600200–200poliamid aromatyczny
*od pracy ciągłej do pracy krótkotrwałej
Źródło: Tablice chemiczne

Ciekawostka

Włókna węglowe – powstają w procesie przekształcania organicznych polimerów o bardzo długich łańcuchach przyczyniających się do znacznego wzrostu zawartości węgla w produkcie. Jego istotną cechą jest niska masa, dzięki czemu materiał ten jest wykorzystywany w kosmonautyce i w Formule 1. Obecnie, dzięki znacznemu obniżeniu kosztów produkcji, wykorzystuje się go także do wytwarzania wielu powszechnie używanych produktów.

Włókna nieorganiczne

Wśród włókien nieorganicznych wyróżnia się włókna chemiczne (sztuczne), do których należą włókna szklane i metalowe.
Włókna szklane są wyrabiane ze szkła w postaci waty szklanej służącej jako materiał do izolacji cieplnej w budownictwie oraz w postaci włókien do wyrobu przędzy na tkaniny ubraniowe dla pracowników hut, tkaniny filtracyjne, kurtyny teatralne. Włókna szklane charakteryzuje wysoka wytrzymałość na rozciąganie, odporność na działanie kwasów i ługów, wytrzymałość na temperaturę do 600°C.
Włókna metalowe są otrzymywane z miedzi, srebra, złota, stali lub stopów tych metali. Nici metalowe, tzw. szych, otrzymuje się przez okręcanie przędzy bawełnianej lub jedwabnej drucikami metalu. Nici tych używa się do haftu, wyrobu tkanin ozdobnych. Wyroby z włókien metalowych na skutek utleniania ciemnieją na powietrzu – należy je chronić przed światłem i wilgocią.

Polecenie 3.9.2.

Zaprojektuj doświadczenie pozwalające odróżnić wełnę od elany.

Wskazówka

Zastanów się, jakimi właściwościami chemicznymi charakteryzują się główne składniki tych włókien.

Podsumowanie

  • Włókna naturalne mogą być włóknami celulozowymi (włókna roślinne) lub białkowymi (włókna zwierzęce). Znane są też włókna naturalne mineralne (azbest).
  • Włókna produkowane przez człowieka na drodze chemicznej to włókna syntetyczne – wytwarzane z surowców pochodzenia naturalnego, np. wiskoza z celulozy – oraz włókna sztuczne – wytwarzane z substancji otrzymywanych na drodze syntezy chemicznej.
  • Współcześnie produkowanych jest wiele rodzajów włókien, które służą do wytwarzania produktów spełniających czasem bardzo specjalistyczne wymagania i służących bezpieczeństwu oraz komfortowi użytkowników.
  • Obserwacja spalania włókien pozwala w przybliżeniu określić rodzaj włókna. Dodatkowo włókna białkowe ulegają reakcjom charakterystycznym dla białek, np. reakcji ksantoproteinowej.

Praca domowa

Polecenie 3.9.3.

Problem 1.
Zaproponuj doświadczenie, które pozwoli wykazać, że tkanina wełniana jest wytwarzana z włókien białkowych. Przygotuj opis i schemat doświadczenia.
Problem 2.
Wyszukaj w swojej szafie ubrania, które są wykonane z różnego rodzaju włókien (4–5 rodzajów). Spróbuj określić, jakie to włókna. Przygotuj tabelę i zanotuj swoje przypuszczenia oraz sprawdź, czy były one poprawne, wyszukując informacje na metkach. Przedyskutuj uzyskane wyniki.
Czy wśród badanych ubrań znalazły się takie, które charakteryzował bardzo podobny wygląd, miękkość, a okazało się, że wykonane są z włókien różnego rodzaju?

Słowniczek

Definicja

włókna naturalne –
włókna pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego występujące w przyrodzie, które po odpowiedniej obróbce moga być wykorzystane do produkcji tkanin; jedynym naturalnym włóknem mineralnym jest azbest

Definicja

włókna syntetyczne –
włókna wytwarzane w procesach polimeryzacji i polikondensacji związków organicznych (głównie węglowodorów i ich pochodnych), np. poliamid czy poliester

Definicja

włókna sztuczne –
włókna wytwarzane ze związków chemicznych znajdujących się już w przyrodzie, przez formowanie polimerów naturalnych, np. wiskoza powstająca z celulozy, czyli z masy drzewnej

Zadania

Zadanie 3.9.1.

Zadanie 3.9.2.

Zadanie 3.9.3.

Zadanie 3.9.4.

Bibliografia

    Mizerski Witold, Tablice chemiczne, Warszawa 2008.
    Lipp-Symonowicz Barbara, Sztajnowski Sławomir, Wojciechowska Dorota, New Commercial Fibres Called ‘BambooFibres’ – Their Structure and Properties, "FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe" 2011, nr Vol. 19, No. 1 (84).