Moduł 3. Identyfikowanie materiałów poddawanych procesom recyklingu

4. Materiał nauczania

4.5. Materiały włókiennicze

4.5.1. Materiał nauczania

Materiały włókiennicze produkowane są z włókien różniących się pochodzeniem, właściwościami oraz sposobem ich otrzymywania. Według pochodzenia włókna dzielimy na naturalne i chemiczne. Każda z tych grup dzieli się na włókna pochodzenia organicznego i nieorganicznego (rysunek 8).


Rys. 8 . Ogólna klasyfikacja włókien [opracowanie własne]

Włókna naturalne

Do włókien naturalnych zaliczamy włókna organiczne i nieorganiczne występujące w przyrodzie w stanie gotowym do przerobu. Włókna dostarczane przez rośliny nazywamy roślinnymi, przez zwierzęta – zwierzęcymi, a występujące w postaci kopalin – mineralnymi.

Właściwości włókien roślinnych i ich wpływ na właściwości wyrobów

Włókna roślinne dostarczane są w postaci włókien nasiennych lub włókien pochodzących z łodyg, liści albo łupin owoców. Wszystkie włókna roślinne zbudowane są z celulozy. Oprócz celulozy we włóknach roślinnych występuje w niewielkich ilościach lignina, substancja powstała ze zdrewniałych komórek roślinnych, nadająca włóknom niepożądaną sztywność. Poza tym w skład niektórych włókien wchodzą kleje roślinne, tzw. pektyny. Włókna roślinne są bardzo odporne na działanie wody. Nawet przy gotowaniu pod ciśnieniem, lecz bez dostępu powietrza, ich właściwości nie ulegają zmianie. Cecha ta przyczynia się do ogromnego rozpowszechnienia włókien roślinnych, dzięki niej następuje ułatwienie procesów wykończalniczych, odbywających się na mokro oraz procesów związanych z praniem gotowych wyrobów. Włókna roślinne wytrzymują ogrzewanie do temperatury 165 ° C. Powyżej tej temperatury przy ogrzewaniu bez dostępu powietrza zachodzi rozkładowa destylacja celulozy.

Do najbardziej znanych i najpowszechniej stosowanych włókien roślinnych należą bawełna, len i konopie.

Bawełna
Włókien bawełny dostarcza roślina o nazwie bawełnica, uprawiana w klimacie podzwrotnikowym. Bawełnica należy do rodziny roślin ślazowatych. Bawełnica jest rośliną jedno- lub dwuletnią o wysokości od 1 do 3 m. Liście ma trój- lub pięciopalczaste, kwiaty osadzone są na długich szypułkach. Po przekwitnięciu powstaje torebka owocowa wielkości orzecha włoskiego. Wewnątrz torebki znajdują się nasiona pokryte delikatnymi włosami, tj. włóknami bawełnianymi. Gdy torebka dojrzeje, pęka, a włókna podobne do pęczków waty wydostają się na zewnątrz.

Zebraną bawełnę poddaje się sortowaniu, suszeniu, odziarnianiu, polegającym na usunięciu nasion i oczyszczeniu. Po tych operacjach pozostają na nasionach bardzo krótkie włókienka (tzw. podwłosie) nienadające się do przędzenia, które po usunięciu nasion bywają używane do wyrobu pewnych gatunków włókien sztucznych. Z zebranej bawełny otrzymuje się, po jej odziarnieniu i oczyszczeniu, od 30 do 40% włókna nadającego się do przędzenia.

W stanie surowym włókno bawełny jest delikatne, cienkie oraz wytrzymałe na rozciąganie i zginanie. Z cienkich włókien bawełny można wyrabiać cienkie i mocne tkaniny o gładkiej powierzchni. Wytrzymałość bawełny w stanie mokrym jest większa niż w stanie suchym, dzięki temu wyroby bawełniane po zamoczeniu (np. podczas prania) można wyciągać i wykręcać bez obawy uszkodzenia włókien. Włókna i wyroby bawełniane są miękkie, miłe w dotyku, często o puszystej powierzchni. Charakteryzują się ponadto dobrymi właściwościami higienicznymi, dobrze wchłaniają wilgoć, nie sprawiając przy tym wrażenia mokrych.

Największą ilość bawełny przerabia się na tkaniny odzieżowe, bieliźniane, pościelowe. Z przędzy bawełnianej wyrabia się także dzianiny, zwłaszcza bieliźniane, nici do szycia i haftu, tasiemki, koronki itp., jak również materiały techniczne i opatrunkowe, np. watę i gazę lekarską. Bawełnę przerabia się również z dodatkiem włókien chemicznych. Wyroby te noszą nazwę bawełnopodobnych.

Len
Roślina dostarczająca włókien lnianych nosi nazwę lnu pospolitego. Len włóknisty jest rośliną jednoroczną, dochodzącą do 1,5 m wysokości, o drobnych liściach i drobnych kwiatach, przeważnie barwy niebieskiej. W czasie wzrostu łodyga lnu zmienia swoją barwę od zielonej poprzez żółtozieloną do żółtej lub brunatnej.

W łodydze lnu wyróżnia się trzy warstwy komórek: korę, drewno i rdzeń. Warstwa kory składa się z nabłonka, który chroni roślinę przed szkodliwym działaniem czynników zewnętrznych oraz z komórek wzmacniających łodygę. W warstwie kory położonej bliżej środka łodygi występuje tkanka łykowa, którą stanowią pęczki komórek przebiegające wzdłuż całej łodygi. Komórki włókniste i niewłókniste, występujące w łodydze, są spojone substancją kleistą zwaną pektyną. Warstwa drewna w łodydze składa się ze zdrewniałych komórek. Środek łodygi stanowią komórki, które tworzą rdzeń. W miarę dojrzewania łodygi, komórki tej warstwy wysychają i na ich miejscu tworzy się wolna przestrzeń wypełniona powietrzem.

Pojedyncze włókno lniane wydobyte z łodygi stanowi włókno techniczne. Włókno techniczne składa się z wielu pęczków krótkich i cienkich włókien elementarnych. Włókna elementarne są ze sobą spojone pektyną i stanowią pęczki włókna.

Włókna lniane odznaczają się dużą wytrzymałością na rozciąganie, mokre włókna wykazują większą wytrzymałość i w związku z tym z lnu wyrabia się np. tkaniny namiotowe, tkaniny na żagle oraz tkaniny obuwiowe. Włókna lniane wykazują wysoką higroskopijnością, ale małą izolacyjnością cieplną. Są sztywniejsze i twardsze w dotyku od bawełny. Sprężystość włókien lnianych jest bardzo mała. Tkaniny lniane mają w dużym stopniu skłonność do gniecenia się. Po zgnieceniu nie powracają do pierwotnego kształtu.

Z lnu wyrabia się tkaniny pościelowe, obrusowe, ścierkowe, odzieżowe oraz dekoracyjne. W celu zwiększenia sprężystości tkanin lnianych stosuje się mieszanki z włóknami syntetycznymi. Z lnu wyrabia się także nici, sznurki, sieci rybackie, tkaniny techniczne itp.

Konopie
Konopie są rośliną jednoroczna włóknodajną, należącą do rodziny pokrzywowatych. Włókno techniczne konopi ma budowę podobną do włókna lnu. Ma ono długość 1,5÷2,0 m, jest grubsze, twardsze, mocniejsze i sztywniejsze od włókna lnu. Nitek konopnych używa się do wyrobu grubych i mocnych tkanin, jak: płótna na żagle, namioty, worki, plandeki, a przede wszystkim w powroźnictwie do wyrobu sznurków i lin okrętowych.

Właściwości włókien zwierzęcych

Włókna zwierzęce pochodzą z uwłosienia zwierząt lub z wydzielin gąsienic owadów. Podstawowym składnikiem włókien zwierzęcych są substancje białkowe. Substancje, w skład których wchodzą białka, barwią się pod wpływem stężonego kwasu azotowego na żółto. Reakcja ta, nazwana reakcją ksantoproteinową, jest charakterystyczna dla ciał białkowych i służy do wykrywania ich obecności.

Włókna zwierzęce, a zwłaszcza włókna wełny, są wrażliwe na działanie podwyższonej temperatury. Długotrwałe działanie temperatury 100 ° C powoduje brunatnienie, a następnie rozkład włókien wełny. Jedwab ulega uszkodzeniu po ogrzaniu do temperatury 140 ° C. Zarówno wełna, jak i jedwab pod wpływem gotowania w wodzie tracą na wytrzymałości.

Największe znaczenie spośród włókien pochodzących z uwłosienia zwierząt ma wełna. Potocznie pod nazwą „wełna” rozumiemy wełnę owczą; inne rodzaje wełny są określone przez dodania nazwy zwierzęcia, z którego wełna pochodzi, np. wełna kozia, wielbłądzia. Inne włókna jak sierść, włosie nie są stosowane do wyrobu odzieży.

Wełna
Wełna jest włóknem pochodzącym z różnych ras owiec, wielbłądów, królików. W zależności od sposobu otrzymywania rozróżnia się wełnę żywą (strzyżoną), martwą i garbarską. Wełnę żywą otrzymuje się poprzez strzyżenie. Całkowita okrywa włosowa owcy po zestrzyżeniu nie rozpada się, ponieważ jest sklejona wydzielinami skóry i stanowi zwarte runo owcze.

Włókno wełny, zwane włosem, jest zbudowane z trzech warstw: naskórka, warstwy korowej oraz rdzenia, a w przekroju poprzecznym ma kształt zbliżony do koła. Naskórek składa się z łusek ułożonych dachówkowato na powierzchni włókien. Ilość łusek, ich kształt i układ zależą od rasy owcy, z której wełna pochodzi. Pod warstwą naskórka występuje warstwa korowa, składająca się z komórek, od których zależy wytrzymałość włókna. Rdzeń włosa zawiera substancje pigmentowe nadające wełnie naturalne zabarwienie. Rozróżnia się włosy bezrdzeniowe, włosy przejściowe, które mają rdzeń przerwany albo jego ślady, oraz włosy rdzeniowe, które mają wyraźny rdzeń, ciągnący się wzdłuż całego włókna.

Włosy bezrdzeniowe, zwane puchem, są to przeważnie włókna cienkie, miękkie i sprężyste. Włókna te są najbardziej wartościowym surowcem. Włosy rdzeniowe są grubsze, sztywne, mało sprężyste. Włókna wełny nie są proste, lecz wygięte wzdłuż łuków. Właściwość ta nosi nazwę karbikowatości. Dzięki karbikowatości wełna ma bardzo dobrą izolacyjność.

Włókna wełny odznaczają się dużym wydłużeniem przy rozciąganiu. Włókna grubsze ulegają większemu wydłużeniu niż włókna cieńsze. Wartość wydłużenia zależy od wilgotności włókien. Włókno suche może ulec przy rozciąganiu wydłużeniu do 50%, a włókno wilgotne do 70%. Duża zdolność włókien do wydłużenia przy rozciąganiu jest przyczyną łatwego odkształcania się wyrobów wełnianych (np. przy ruchach ciała). Jednak dzięki sprężystości wełny wyroby te nie deformują się. Niemniej przy praniu wyrobów wełnianych i suszeniu należy unikać, duże bowiem obciążenie wodą mogłoby spowodować trwałe zniszczenie odzieży.

Wyroby z wełny trudno się zwilżają wodą, dlatego nadają się na odzież wierzchnią jesienno-zimową. Natomiast przesycone gorącą parą wodną stają się podatne na formowanie. Pod działaniem pary i przy zastosowaniu zwiększonego ciśnienia można częściowo formować i utrwalać kształt nadany niektórym elementom wyrobów odzieżowych (np. poddawać plisowaniu, zaprasowywać fałdy).

Wełnę stosuje się do wyrobu tkanin i dzianin odzieżowych, materiałów dekoracyjnych, a także filców.

Jedwab naturalny
Jedwab naturalny jest włóknem pochodzącym z oprzędu gąsienicy motyla nocnego z rodziny prządek, zwanego jedwabnikiem morwowym. Pod koniec okresu swojego życia, który trwa 30÷36 dni, gąsienica rozpoczyna snucie oprzędu. Na zewnątrz gąsienica wydziela jedną nić, która składa się wewnątrz z dwóch włókien elementarnych spojonych ze sobą substancją kleistą, tzw. serycyną. Po wytworzeniu oprzędu gąsienica przeobraża się w poczwarkę. Oprzęd z zawartą w nim poczwarką nosi nazwę kokonu. Zebrane kokony poddaje się zaparzaniu gorącą parą lub gorącym powietrzem, a następnie kokony rozwija się. Całkowita długość włókna w kokonie wynosi około 3000 m, natomiast długość włókna, która daje się odwinąć z kokonu wynosi 1000 m. Rozwinięte nitki z kilku kokonów łączy się razem i nawija na motowidłach w motki. Otrzymany jedwab nosi nazwę jedwabiu surowego, czyli greży. Na skutek obecności serycyny jedwab surowy jest sztywny i bez połysku. W celu usunięcia kleistych substancji poddaje się go częściowemu lub całkowitemu odklejeniu przez gotowanie w roztworze mydła. Po procesie tym jedwab staje się miękki, lśniący i podatny na barwienie. Przekrój poprzeczny włókna ma kształt zbliżony do trójkąta z zaokrąglonymi wierzchołkami.

Wytrzymałość włókien jedwabiu naturalnego na rozciąganie jest bardzo duża. Wytrzymałość włókna mokrego jest nieco mniejsza. Nici do szycia i tkaniny z jedwabiu naturalnego, mimo że są bardzo cienkie, wykazują dużą wytrzymałość.

Jedwab naturalny jest używany do wyrobu tkanin sukienkowych, bluzkowych, krawatowych, apaszek, nici odzieżowych i specjalnych nici chirurgicznych. Z jedwabiu naturalnego wyrabia się tkaniny na czasze balonów, spadochronów oraz niektóre tkaniny techniczne.

Włókna mineralne

Jedynym naturalnym włóknem przędnym pochodzenia nieorganicznego jest azbest. Występuje on w kilku odmianach o różnym składzie chemicznym. Azbest włóknisty jest zbudowany z cienkich, miękkich, lśniących włókien o barwie białej lub szarej Odznacza się odpornością na wysoką temperaturę, jest złym przewodnikiem ciepła i elektryczności.

Dłuższe włókna przędzie się same lub z dodatkiem bawełny. Przędza azbestowa ma zastosowanie przy wyrobie tkanin ognioodpornych i odpornych na kwasy. Ze względu na szkodliwe oddziaływanie włókien azbestu na układ oddechowy człowieka, stosowanie azbestu jest systematycznie ograniczane.

Włókna chemiczne

Obok włókien naturalnych ogromne znaczenie mają włókna chemiczne. Podstawową ich grupę stanowią włókna organiczne, które dzieli się na włókna sztuczne oraz włókna syntetyczne. Włókna sztuczne produkowane są z polimerów naturalnych, tzn. występujących w przyrodzie, np. celulozy, białka. Natomiast włókna syntetyczne są wytwarzane z polimerów otrzymanych w wyniku syntezy chemicznej.


Rys. 9. Klasyfikacja włókien chemicznych [21]

Wytwarzanie włókien chemicznych

W procesie produkcji włókien chemicznych można wyodrębnić następujące etapy:

Włókna sztuczne i syntetyczne są wytwarzane w trzech postaciach: jako włókna ciągłe, włókna odcinkowe oraz jako żyłka. Nitka utworzona z jednego lub więcej włókien nazywa się włóknem ciągłym. Włókna odcinkowe otrzymuje się przez cięcie wiązki włókien ciągłych na odcinki o określonej długości. Włókna te przędzie się same lub w mieszankach z włóknami naturalnymi. Żyłką nazywa się pojedyncze włókno o znacznej grubości (średnica powyżej 0,1 mm). Do najbardziej rozpowszechnionych włókien sztucznych należą włókna wiskozowe i octanowe.

Włókna wiskozowe
Surowcami wyjściowymi do produkcji włókien wiskozowych są: celuloza drzewna, ług sodowy i dwusiarczek węgla. Arkusze celulozy zanurza się w roztworze ługu sodowego, a następnie dwusiarczku węgla, w wyniku czego otrzymuje się ksantogenian celulozy, który po rozpuszczeniu w NaOH staje się gęstą lepką cieczą, tzw. wiskozą. Wiskozę wprowadza się do maszyn przędzalniczych, gdzie pod zwiększonym ciśnieniem jest przeciskana przez dysze przędzalnicze zanurzone w kwaśnej kąpieli. W dnie dyszy znajdują się otworki o średnicy stanowiącej setne części milimetra i jest ich od 15 do 15000, zależnie od żądanej grubości nitki. Zespół nitek wytryskujący z jednej dyszy zostaje nawinięty na szpulę, czyli cewkę.

Włókna octanowe
Włókna otrzymywane metodą octanową są utworzone z estru celulozy (octan celulozy), zwanego acetylocelulozą. Pod działaniem mieszaniny złożonej z kwasu octowego, bezwodnika kwasu octowego i kwasu siarkowego celuloza zmienia się w acetylocelulozę. Otrzymany produkt rozpuszcza się w acetonie. Roztwór przeciska się przez dysze.

Uformowane strumyczki roztworu wprowadza się do specjalnych komór, w których pod wpływem strumienia ciepłego powietrza następuje odparowanie rozpuszczalnika i zestalenie włókien. Włókna octanowe są zatem przędzione „na sucho”, w odróżnieniu od włókien wiskozowych przędzionych „na mokro”.

Wytwarzanie włókien syntetycznych

Włókna syntetyczne otrzymuje się z polimerów wytworzonych ze związków chemicznych pochodzących m.in. z ropy naftowej, gazu ziemnego.

Do włókien mających największe zastosowanie w odzieżownictwie należą włókna: poliamidowe, poliestrowe, poliakrylonitrylowe.

Włókna poliamidowe
Podstawowymi surowcami do produkcji włókien poliamidowych są: ropa naftowa i smoła pogazowa otrzymywana przy suchej destylacji węgla. Z surowców tych uzyskuje się tzw. kaprolaktam, będący produktem wyjściowym do otrzymywania włókien poliamidowych, który po stopieniu i wymieszaniu z wodą przetwarza się w poliamid, a następnie formuje się w taśmę i zestala. Włókna są formowane metodą przędzenia ze stopu.

Włókna poliestrowe
Surowcami wyjściowymi do produkcji włókien poliestrowych jest kwas tereftalowy otrzymywany z ropy naftowej oraz glikol etylenowy otrzymywany z etylenu. Pierwszą czynnością jest otrzymywanie związku wielkocząsteczkowego poliestru. Płynny polimer po przejściu przez dysze szczelinowe tężeje, tworząc cienką taśmę. Taśmę tnie się na małe płatki, które są bezpośrednim surowcem do formowania włókien. Proces snucia i wykończania włókien poliestrowych jest podobny do procesów stosowanych przy wywarzaniu włókien poliamidowych.

W Polsce produkowane są włókna poliestrowe Elana (cięte) i Torlen (ciągłe).

Włókna poliakrylonitrylowe
Surowcem wyjściowym do produkcji włókien poliakrylonitrylowych jest akrylonitryl. Ogólna zasada otrzymywania tych włókien jest podobna do produkcji poprzednio omówionych włókien poliestrowych i poliamidowych.

Odznaczają się one dużą odpornością na działanie czynników atmosferycznych, dużą wytrzymałością na zrywanie i gniecenie. Są ponadto odporne na działanie kwasów i zasad.

W Polsce produkowane są cięte włókna poliakrylonitrylowe Anilana.

Charakterystyczne cechy i zastosowanie włókien sztucznych i syntetycznych

Włókna sztuczne charakteryzują się:

Włókna syntetyczne:

Włókna mogą być użytkowane jako luźna masa włókiennicza, przede wszystkim jednak stanowią surowiec do wytwarzania nitek, które są półproduktem do otrzymywania wyrobów włókienniczych. Półprodukty są formą przejściową między surowcem a wyrobem włókienniczym i dla użytkownika nie stanowią jeszcze wartości użytkowych.

Na drodze technologicznej przeróbki surowca lub półproduktu uzyskuje się gotowy produkt – wyrób włókienniczy. Do wyrobów włókienniczych zaliczamy między innymi:

I. Materiały włókiennicze/odzieżowe z nitek
Podstawowe materiały włókiennicze oraz materiały dodatkowe są wyrabiane z nitek. W przeważającej ilości są to wyroby płaskie, których grubość jest bardzo mała w stosunku do długości i szerokości. Zależnie od systemu przeplatania nitek rozróżnia się następujące podstawowe rodzaje tych wyrobów:

II. Materiały włókiennicze/odzieżowe otrzymywane bezpośrednio z luźnych włókien
Ze względu na rodzaj połączeń włókien wyróżnia się dwie grupy materiałów:

III. Inne materiały włókiennicze/odzieżowe

Słowniczek polsko-angielski
bawełna – cotton
dzianina – knitted material
filc – felt
folia odzieżowa – clothing foil
jedwab – silk
jedwab sztuczna – fibre silk
konopie – hemp
laminat – laminate
len – linen
materiał odzieżowy – clothing material
materiał skóropodobny – imitation leather material
materiał włókienniczy – textile
nitka – thread
odzież – clothing
poliester – polyester
przędzina – yarn
tkanina – fabric
ubranie – clothing
wełna – wool
włóknina – needled cloth
włókno – fibre
włókno chemiczne – chemical fibre
włókno mineralne – mineral fibre
włókno naturalne – natural fibre
włókno nieorganiczne – non-organic fibre
włókno octanowe – octanoic fibre
włókno organiczne – organic fibre
włókno poliamidowe – polyamid fibre
włókno poliestrowe – polyener fibre
włókno syntetyczne – synthetic fibre
włókno sztuczne – imitation fibre
włókno wiskozowe – viscose fibre
włókno szklane – glass fibre
wyrób pleciony – wicker product

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak dzielimy włókna wg pochodzenia?
2. W jakiej postaci dostarczane są włókna roślinne?
3. Jakie właściwości mają najbardziej znane włókna roślinne?
4. Jakie właściwości mają najbardziej znane włókna zwierzęce?
5. Jakie znasz włókna chemiczne?
6. Jak klasyfikujemy materiały włókiennicze/odzieżowe?

4.5.3. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz: Tak Nie
1) scharakteryzować włókna roślinne?
2) scharakteryzować włókna zwierzęce?
3) scharakteryzować włókna chemiczne?
4) przedstawić klasyfikację materiałów włókienniczych?
5) scharakteryzować stan sytuacji recyklingu materiałów włóknistych w naszym regionie i w Polsce?