Искусственные белковые волокна

        Выпуск волокна викара был начат на реконструированном заводе в Тафтвилле, на котором раньше выпускали казеиновое волокно аралак.

 

        9.2 Химическое строение

        Белок кукурузного зерна, являющийся глобулярным, имеет молекулярный вес около 40 ООО. По аминокислотному составу этот белок близок к белкам земляного ореха, сои и шерсти. Необходимо отметить, что растительные белки не обладают цистиновыми поперечными связями.

        Из кукурузной муки зеин извлекают щелочью, в которой он растворяется. При подкислении щелочного раствора зеин выпадает в осадок.

        Макромолекулы зеина имеют сильно изогнутую форму. При растворении зеина в растворе соды происходит денатурация белка, и макромолекулы его приобретают более вытянутую форму. Такой раствор используют для формования волокна. После формования волокно подвергают дублению и вытягиванию.

        Таким образом, два момента отличают структуру зеина от структуры шерсти:

1) сильно изогнутая (глобулярная) форма макромолекул; 2) отсутствие поперечных связей.

        Процесс формования волокна включает в себя операции, в результате которых зеиновое волокно получает свойства, приближающие его к шерсти: 1) денатурация белка и вытягивание волокна, в результате которых происходит распрямление макромолекул зеина и ориентация их; 2) обработка волокна формальдегидом для образования поперечных связей между макромолекулами.

 

      9.3 Производство

       Рассмотрим два метода получения зеинового волокна. Наиболее старый из этих методов предусматривает использование мочевины, как уже отмечалось, сравнительно дорогого химиката. Второй метод — переработка щелочных растворов белка — положен в основу современного производства зеинового волокна викара.

        Формование   зеинового   волокна   из   растворов   мочевины. Зеин извлекают из кукурузной муки раствором соды, осаждают, промывают и сушат. Готовый зеин растворяют в водном растворе спирта, содержащем некоторое количество формальдегида. К полученному раствору, чтобы увеличить его вязкость и сделать его таким образом пригодным для формования волокна, добавляют мочевину. Формование волокна проводят в прядильных ваннах, содержащих кислоту и соли. Сформованное волокно обрабатывают формальдегидом и сушат при температуре не выше 100° С.

         При обработке волокна формальдегидом происходит образование поперечных  связей между пептидными группами макромолекул:

            I                 I        I                I

            NH + О + HN -> N – СН2 – N + Н20.

             I        II        I        I                I  

                     CH2                                                                                                                                                                        

      В приведенной схеме длинные полипептидные цепи белка изображены вертикальными линиями:  NH                                                

      Формование волокна викара. Белок является одним из побочых продуктов производства кукурузного крахмала. Зеин представляет собой часть белка кукурузы, извлекаемую 70%-ным изопропиловым спиртом, который затем отгоняют и регенерируют, после чего зеин остается в виде светло-желтого тонко размолотого порошка.

      Для получения  более равномерного волокна зеин различных партий смешивают и растворяют в разбавленной щелочи, после чего получают очень вязкий 20%-ный прядильный раствор, который фильтруют под давлением, обезвоздушивают и выдерживают для созревания.

      Считают,  что при созревании происходит распрямление изогнутых и запутанных макромолекул глобулярного белка. Макромолекула белка содержит значительное количество внутренних солевых связей, образованных ее амино- и карбоксильными группами. Щелочь разрушает солевые связи и делает макромолекулу более свободной и менее изогнутой. Силы межмолекулярного взаимодействия, возникающие между распрямленными макромолекулами, приводят к образованию ассоциатов макромолекул, что равносильно резкому увеличению молекулярного веса белка. Когда вязкость раствора возрастет да необходимого значения, процесс созревания прекращают и прядильный раствор продавливают через платино-родиевые фильеры в осадительную ванну. Каждая фильера имеет до 5000 отверстий; нити от пятидесяти фильер объединяют в один общий жгут, содержащий, следовательно, 250 000 элементарных волоконец.

      В состав  осадительной ванны входят формальдегид и соли, из которых некоторые являются кислыми и образуют между вытянутыми макромолекулами зеина поперечные связи, в результате чего волокно становится достаточно прочным и способным выдержать последующие обработки.

      Жгут подают  в барку для предварительного  дубления, где проводят легкую  обработку формальдегидом. Эту обработку  проводят с целью увеличения прочности волокна, что необходимо для проведения последующей операции — вытягивания. Величина вытяжки является важным параметром; степень вытягивания должна быть достаточно высокой для того, чтобы макромолекулы распрямились, обеспечивая плотную упаковку, способствующую образованию межмолекулярных связей. Однако при слишком высоких степенях вытягивания может произойти потеря волокном растяжимости и  упругости в результате полного распрямления макромолекул.

      После вытягивания  волокно подвергают окончательному дублению — на этот раз в натянутом состоянии. Обработку волокна проводят в насыщенном растворе поваренной соли, содержащем формальдегид и кислоту. Образующиеся при обработке поперечные связи фиксируют макромолекулы в распрямленном ориентированном состоянии. После такой обработки волокно при релаксации не обнаруживает усадки и достаточно устойчиво к действиюводы, кислот, щелочей и органических растворителей. Обработанный жгут подвергают шести-десятикратной промывке и отжиму (для полного удаления всех реагентов, которые могли быть удержаны волокном при обработке), сушат, режут и упаковывают. Извитость волокно приобретает в процессе сушки.

 

                               Рис. 2. Технологическая схема производства волокна викара:

1 — зеин после смещения партий; 2 — едкий натр: 3 — растворитель; 4 — насос; 5 — фильтр; 6 — бак для созревания; 7 — фильтр; 8 — осадительная ванна — серная кислота, формальдегид, соли; 9 — формальдегид; 10 — предварительная обработка формальде¬гидом; 11— промывка водой; 12 — вытягивание; 13 — формальдегид, соль и кислота; 14 — вторая обработка формальдегидом; 15 — окончательная обработка формальдеги¬дом; 16 — жгут штапельного волокна викара.

 

       Процесс получения волокна викара состоит из следующих операций (рис. 2):

        1.Извлечения зеина из кукурузной муки едким натром.

        2.Получения прядильного раствора путем растворения зеина в растворе едкого натра.

        3.Формования волокна в осадительной ванне, содержащей кислоту и формаль-дегид.

        4.Предварительной легкой обработки волокна формальдегидом .

        5.Вытягивания волокна.

        6.Окончательной обработки волокна формальдегидом в кислой среде.

        7.Промывки, придания извитости, сушки и резки волокна.

 

       9.4 Свойства

        Разрывная длина зеинового волокна в сухом состоянии равна 16,8 км, т. е. это волокно является наиболее прочным из всех искусственных белковых волокон.  Разрывная длина волокна в мокром состоянии равна 6,75 км. При обработке в горячей воде волокно получает усадку, а после сушки разрывная длина его снижается до 9—10,8 км.

        Разрывная длина волокна викара в сухом состоянии (9,9— 10,8 км) и в мокром состоянии      (6,3 км), а также наличие извитости позволяют сделать предположение о том, что волокно викара выпускается, уже будучи подвергнутым такой обработке. Выпускается также волокно викара с очень высокой извитостью; извитость в этом случае достигается механическим путем. Высокая извитость волокна придает полноту получаемым из него изделиям. Удлинение волокна викара в сухом состоянии равно 32%, в мокром — 37%. Соответствующие показатели для шерсти — 30 и 70%. Для растяжения волокна викара на 1% необходима нагрузка, равная примерно 26—29% от разрывной.

        Волокно викара обладает легкой золотистой окраской, выцветающей на свету. Это волокно можно красить в средние и темные тона.

        Как и искусственные белковые волокна других типов, викара обладает круглым поперечным сечением (рис. 3), что, однако, не способствует улучшению его кроющих свойств. Этот недостаток компенсируется, однако, невысоким значением удельного веса волокна (1,25). Уместно вспомнить; что волокно шерсти обладает поперечным сечением эллиптической формы, мало, однако, отличающимся от круглого, — отношение осей эллипса составляет 1 : 1,22.

        Волокно викара слабо набухает в воде при температурах ниже 50° С, но при более высоких температурах, в частности при стирке, волокно поглощает значительные количества воды.

        В стандартных условиях волокно сорбирует 10% влаги. При замачивании  в  воде  викара поглощает около 40% воды.

        В воде (рН = 7,0) волокно набухает и диаметр его увеличи¬вается на 20%. Сообщалось, что волокно викара обладает большей устойчивостью к действию щелочей, чем натуральные белковые волокна.

        Волокно викара нерастворимо в органических растворителях, поэтому изделия из него можно без опасения подвергать сухой чистке. Волокно устойчиво к действию плесени и бактерий, непоедается молью и личинками коврового жучка. Это обстоятельство очень важно и определяет применение волокна викара для изготовления обивочных тканей. Устойчивость волокна к действию микроорганизмов оказалась неожиданно хорошей.

        Викара не свойлачивается и не усаживается; ткань из этого волокна после пятикратной стирки с кипячением обнаруживает как по утку, так и по основе усадку менее 2,5%. Возможно, что добавка викары к шерсти в небольших количествах (10—20%) может привести к улучшению ее свойлачиваемости, точно так же, как это имеет место при добавлении волокна ардиль.

        Волокно  викара в мокром состоянии не обладает запахом мокрой шерсти, напоминающим запах дигептилового эфира.

 

 

 

 

Рис.3.Микрофотография зеинового волокна: а – поперечный срез; б – продольный вид

                 (увеличино в 375 раз). Волокно окрашено потамин прочным красным.

        По устойчивости к действию солнечного света викара приближается к натуральным белковым волокнам. Есть сведения о том, что горючесть волокна викара ниже, чем целлюлозных волокон. Викара горит значительно лучше натуральных белковых волокон. При горении этого волокна ощущается запах, напоминающий запах паленой шерсти, и образуется черный хрупкий шарик. Так как прогрев при температурах до 155° в течение 40 мин не оказывает на волокно заметного действия, изделия из волокна викара можно безопасно гладить.

 

       9.5 Крашение

        Устойчивость волокна викара к действию горячей воды дает возможность проводить процесс крашения при температурах (45—55° С) и при кипячении.

        Для крашения волокна викара могут быть использованы кислотные или хромовые красители, применяемые обычно для крашения шерсти. Этими красителями волокно викара красят в тех же условиях, что и шерсть.

        Прямые красители также могут быть использованы для крашения викары.

        Есть указания о том, что в смеси с хлопком или вискозным волокном викару можно красить кубовыми красителями. Если учесть, что при крашении шерсти кубовыми (и то определенными типами) красителями необходимы меры предосторожности, заключающиеся в введении значительно меньших количеств каустика в красильную ванну, можно понять, как велико значение процесса образования в волокне поперечных связей, увеличивающих устойчивость волокна. Ткани, изготовленные из смеси хлопка с волокном викара, можно подвергать мерсеризации.

        Сернистые красители дают на волокне викара более светлые окраски, чем на хлопке; нафтоловые красители также могут быть использованы для крашения этого волокна.

        В случае необходимости окраски волокна могут быть ослаблены при помощи гидросульфита или растворимого сульфоксилата.

        В смесках с шерстью волокно викара устойчиво к карбонизации; однако в процессе щелочной отварки хлопчатобумажных тканей, содержащих волокно викара, волокно разрушается.

        Крашение зеинового волокна в массе можно осуществлять спирторастворимыми красителями.

 

     9.6 Применение

        Викара, пожалуй, является наилучшим из всех искусственных белковых волокон, которые когда-либо были получены.

        Викара обладает мягкостью и теплотой на ощупь и хорошо ведет себя в смесках с шерстью. В смесках с вискозным волокном викара придает изделиям мягкость, с нейлоном — повышенное влагопоглощение, с хлопком — упругость, эластичность и пышность. Волокно викара целесообразнее перерабатывать в смеси с другими волокнами, чем в чистом виде. Его можно считать волокном, улучшающим качество смесей. Гигроскопичность волокна, его теплота и мягкость на ощупь, сравнительно низкая электризуемость, малая загрязняемость, эластичность — типичные для искусственных белковых волокон свойства — делают викару особенно пригодным для смески с шерстью, так как в этих смесках с шерстью оно не маскирует ценных качеств шерсти.

        Из смесок викары с хлопком или вискозным штапельным волокном может быть получена тонкая пряжа № 100. Хорошие результаты получаются также при переработке смесок викары с шерстью по аппаратной и гребенной системам. В ткачестве не требуется каких-либо специальных приспособлений при переработке пряжи из викары; по-видимому, низкая прочность волокна делает викару более пригодной для утка, чем для основы.