Удивительный мир текстильных волокон

Удивительный мир текстильных волокон

Как много у вас одежды? А как много на вас? Все люди разные, но скорее всего, на вас будет больше одной вещи. У большинства людей есть и естественная, и культурная нужда в защите наших хрупких физических оболочек от непредсказуемой окружающей среды: одежда может защитить нас не только от незваных взглядов, но и от палящего солнца, пронизывающего ветра и излишней влаги. Какие механизмы стоят за такой многосторонней обороной, встроенной в наши тканевые покровы? Несмотря на разнообразие тканей, такие замечательные свойства одежды обуславливает одна и та же структурная особенность — волокна.

Все материалы, используемые для производства одежды, имеют структуру длинных, тонких нитей: от мягких волос в кашемире до блестящей проволоки в вышивке. История ткацкого дела начинается с самого расцвета цивилизации и продолжает развиваться по сей день. За тысячи лет человечество научилось использовать широкий ассортимент природных и искусственных волокон, чтобы одеваться удобно и красиво! Предлагаем вместе посмотреть на огромное разнообразие соседствующего с нами текстильного мира с молекулярной перспективы.

Определение и виды волокон

Для начала стоит разобраться в том, что отличает волокно от других структур. Волокно — это что-то нитеподобное, так что будем держать в голове эту идею!

Первая связь (сверху) – металлическая, изображены положительно заряженные катионы металла и отрицательно заряженные свободные электроны, которые держат катионы вместе. Вторая связь (посередине) – гликозидная, изображены три связанных шестиугольника, которые представляют собой молекулы глюкозы. Третья связь (снизу) – пептидная, изображены связанные шесть колец, обозначающие неизменную часть аминокислот. У каждого кольца есть направленный либо вверх, либо вниз "П"-образный символам, обозначающий радикальную группы данной аминокислоты.
Схематическое изображение трех видов химических связей в волокнах. Первая связь (сверху) – металлическая, изображены положительно заряженные катионы металла и отрицательно заряженные свободные электроны, которые держат катионы вместе. Вторая связь (посередине) – гликозидная, изображены три молекулы глюкозы. Третья связь (снизу) – пептидная, изображены шесть аминокислот с направленными в разные стороны радикальными группами

С точки зрения химии волокна должны состоять из длинных молекул, иначе они будут недостаточно гибкими и прочными. Чем «с нуля» конструировать длинную молекулу из одиноких атомов, гораздо проще будет собрать ее из множества коротких молекул, объединяя их как кольца цепи: такой процесс называется полимеризацией, а его продукт — полимером. Специфичное расположение атомов в каждом «колечке» цепи влияет на конечные свойства всего полимера — в нашем случае его комфорт при ношении, способность удерживать тепло и влагу, окрашивание и другие важные свойства ткани.

Если вы хотя бы один раз выбирали между вещами из разных тканей, вы точно слышали про две основные категории волокон в тканях: натуральные и синтетические. Натуральные волокна обычно составлены из полимеров естественного происхождения, а синтетические — из искусственных. Далее натуральные волокна разделяются по происхождению на растительные, животные и минеральные.

Растительные волокна

Волокна, полученные из наших зеленых друзей, представляют собой очень обширную категорию. Кора, листья и даже плоды растений давно служат людям на поприще тканевого производства. Видов растительных волокон так же много, как и агрокультур на нашей планете, однако большинство из них объединяет одно свойство — их основным полимером является целлюлоза.

Изображены (слева) парус в вертикальную полоску из четырех цветов, (справа) льняное общевосточноевропейское традиционное платье с белым верхом, синим низом, и орнаментами, и (снизу) зеленые джинсы в позе сидящего человека.
Различные примеры тканей из растительных волокон – парусина (парус), лён (платье), деним (джинсы)

При упоминании этого слова вы явно думаете о бумаге, но целлюлоза известна не только как материал для письма. Любое растение, которое может прийти вам на ум — одуванчик, сосна или кактус — содержит целлюлозу в качестве внутреннего «скелета». Из целлюлозы сделаны клеточные стенки зеленых растений, поэтому она является главным полимером в растительных волокнах. Получается, что все виды ткани из растительных волокон состоят из одного и того же целлюлозного каркаса.

Наверняка у вас назрел вопрос — как такие непохожие ткани, как ситец или деним, состоят из одной и той же молекулы? Их точно должно что-то отличать! Все просто: примеси и строение. В растительных волокнах, как и в самих клетках растений, целлюлоза выполняет роль поддержки, в то время как другие растительные полимеры влияют на точные свойства ткани. Также полимерные цепи целлюлозы могут быть расположены в разных направлениях: параллельно, перекрестно или в другом порядке, что тоже влияет на поведение и структуру волокон.

Желто-оранжевое целлюлозное волокно на голубом фоне. С левого верхнего к правому нижнему углу масштаб отдаляется.  В приближенной секции волокна показана целлюлоза в виде тонких полосок и также двояковогнутой формы цилиндры, символизирующие мертвые, сплющенные целлюлозные останки клеток.
Иллюстрация целлюлозного волокна, где выделены сплющенные мертвые клетки, которые составляют основу волокна

Хлопок

Будучи чрезвычайно распространенным материалом, хлопок окружает нас повсюду: джинсы, майки и многие бинты шьются из хлопковой ткани. Хлопок — это мировая индустрия, на нем были построены целые империи! Одной из причин, почему Великобритания пыталась колонизировать Индию, было приобретение ее хлопкового производства. Хлопок происходит из волокон семян рода Gossypium, а именно их выростов, которые образуют многим знакомое белое «облачко» хлопка. После сбора хлопка его очищают от самих семян и оставляют чистые волокна готовые к дальнейшей обработке.

Особенностью данных волокон-выростов является процесс их образования. В отличие от волокон из коры или листьев, хлопковые волокна — одна большая клетка. По своему происхождению они ближе к нежным волоскам на лепестках фиалки, нежели к прочному лубу льна. Кроме того, в сравнении с другими волокнами, хлопковые имеют гораздо меньше примесей в «каркасе» целлюлозы, что приводит к их узнаваемому белому цвету. Когда клеточная стенка начинает созревать, порядок отложения целлюлозы принимает спиралевидный характер. Направление этой спирали меняется на равных промежутках времени, что придает волокну гибкость, нужную для изготовления пряжи и впоследствии ткани из хлопка. Тысячелетия сельскохозяйственной селекции в культурах по всему миру позволили хлопку стать идеальной «партией» для производства ткани — его волокна на клеточном уровне приспособлены к созданию нашей одежды.

Животные волокна

Парадоксально, что по сравнению с растительными, животные волокна имеют гораздо более разнообразный химический состав, но при этом у них куда меньше видов. Двумя главными типами животных волокон считаются шерсть и шелк, а остальные — их подтипами. Если все растительные волокна построены на основе целлюлозы, то у животных волокон центральной частью структуры являются различные белки. Почему же всего одна молекула у растений образует больше видов волокон, чем несколько разных белков у животных?

Ответ на этот вопрос кроется в структурных различиях — у растений волокна встречаются в клетках всего организма, так как у всех есть целлюлозная стенка. У животных таковой стенки нет, поэтому волокна, которые используются в текстильном производстве, можно получить только из определенных органов. Для шерсти это различные виды волос у млекопитающих по типу овец или коз, а для шёлка — выделительные железы членистоногих вроде пауков и гусениц шелкопряда. Поэтому, несмотря на бóльшее химическое разнообразие, у животных меньше выбора на рынке волокон.

Шерсть

В основном волокна шерсти состоят из белка кератина — по разным подсчетам, на его долю приходится от 80 до 90% массы шерсти. Этот прочный белок вы можете встретить в структуре ваших ногтей и волос, а у других животных еще в рогах, копытах и шерсти. Различные породы овец, коз, верблюдов, кроликов и даже собак были выведены человеком исключительно ради производства густых, тонких и теплых шерстяных волокон. Существует множество подвидов шерсти, таких как каракуль, кашемир и ангора, но все они имеют одинаковый структурный каркас — волос. В этом волокне кератин принимает структуру двойной спирали, которая образует промежуточные филаменты, и бесформенного матрикса — пространства между промежуточными филаментами.

Молекулы кератина в волосах находятся в интересном положении: они являются и опорой, и цементом в «железобетоне» шерстяного волокна. Кератин стал таким мастером на все руки благодаря различной химии «колец» и их расположению относительно друг друга в двух различных формах полимера.

Хотя промежуточные филаменты придают прочность и порядок шерстяным волокнам, по виду они больше похожи на ребристые макароны. Опорой всего волоса является полая трубка из 16 двойных спиралей кератина, расположенных по кругу. Сетка промежуточных филаментов может держать весь волос вместе благодаря специальному расположению «колечек» белков (аминокислот) в каждой из спиралей.

В кератиновых филаментах гидрофобные и гидрофильные аминокислоты чередуются с так называемой гептадной последовательностью — О-И-И-И-О-И-И, где «О» означает гидрофОбный (отталкивающий воду), а «И» — гидрофИльный (притягивающий воду). Когда две цепи кератина с такой последовательностью «колец» сворачиваются в спираль, все гидрофобные аминокислоты выстраиваются в линию. В водной среде живых клеток это заставляет две соседние двойные спирали обернуться своими водоотталкивающими частями друг к другу, защищая их от воды и скрепляя себя прочной связью между двумя гидрофобными линиями. Стоит добавить, что еще семь таких пар двойных спиралей и можно получить прочный промежуточный филамент.

Менее организованный кератин в матриксе между филаментами отличается тем, что его «колечки» распределены более случайно, и значительная часть из них содержит атомы серы. Отсутствие четкой закономерности в расположении аминокислот позволяет такому кератину избежать отчетливой формы, что важно для «цемента» волоса, который затем заполняет все свободное пространство между филаментами, прочно скрепляя их вместе. Атом серы играет роль «крючка» на «кольцах» кератина — если два «крючка» расположены напротив, они зацепятся друг за друга. Это позволяет кератину в матриксе соединяться и между собой, и с кератином в филаментах, склеивая весь волос воедино.

По сравнению с растительными волокнами это крайне сложная структура. Однако её преимуществом для людей является более сложное поведение шерстяных волокон. В отличие от ватных «овечек», сделанных из хлопка, ни шерсть реальных овец, ни ваши волосы не превратятся в плотный ком, если вылить на них ведро воды. Различное отношение с водой сохраняется и в случае одежды: льняные носки могут высыхать целый день, а шерстяные — всего за два часа.

Причиной такого различного поведения с водой является различная химическая природа растительных и животных волокон. Целлюлоза — это производная глюкозы (сахара). Она глубоко впитывает воду и её сложно быстро высушить, не нарушив строения всего полимера. Шерсть же состоит из сложной сетки белков — в основном кератина. Скрепленные неполярными взаимодействиями, филаменты кератина никак не взаимодействуют с водой, сохраняя свою начальную структуру. А тот бесформенный «цемент» из кератина, полного дисульфидных связей, впитывает всю воду, предотвращая ее накопление между волокнами шерсти. Когда среда вокруг становится суше, вода просто испаряется, и основная структура остается неизменной. Поэтому же и говорится, что шерстяные вещи «отводят» воду от тела, а растительные вещи «держат» её — шерсть гораздо лучше испаряет излишки влаги.

Минеральные волокна

Волокна из мира живого звучит, конечно, впечатляюще, но куда более необычны материалы из мира неживой природы — неорганические волокна. Природные минеральные волокна происходят из кристаллов и металлов, а не из полимеров.

Асбест

Одним из самых интересных примеров минеральных волокон, используемых в производстве одежды, является асбест. Асбестовые волокна представляют собой длинные кристаллы силикатов — соединений кремния с кислородом. Силикаты часто встречаются в горных породах по всей Земле, но только в асбесте они формируют достаточно длинные кристаллы, затем образующие своеобразное волокно. Еще со времен Древней Греции люди заметили свойство горного льна выдерживать пламя, что повлекло за собой дальнейшее текстильное применение этого минерала в униформе пожарников. Асбест, будучи кристаллом кремния, не горел при температурах обычного пламени и хорошо защищал людей от жара огня.

Так почему мы перестали использовать такой надежный материал? Из-за склонности асбеста ломаться — хрупкости. Кристаллы силикатов, достаточно тонкие для использования в одежде, легко распадались на короткие и острые кусочки, из-за чего ткань с асбестом оставляла в воздухе мелкую пыль из тонких «иголок» силикатов. В отличие от домашней пыли, такое загрязнение приносит много вреда организму, если попадает внутрь. Кристаллы повреждают плевру (оболочку вокруг легких) и со временем вызывают хроническое воспаление и даже мезотелиому — особый тип рака легких. Когда доктора заметили связь между асбестом и болезнями легких, его волокна перестали использовать в тканях для униформы. Вместо них были разработаны новые материалы — арамиды. Их структура ближе к привычным цепям полимеров, что предотвращает риск попадания в организм. А поскольку «колечки» арамидов еще и могут связываться с соседними «кольцами» по несколько раз, волокна арамидов огнестойкие и прочные — не хуже асбеста!

Синтетические волокна

За миллионы лет проб и ошибок природа создала нам богатый гардероб из натуральных волокон, но научно-технический прогресс в одночасье обеспечил нас сотнями новых соединений, пополнивших ряды полимеров. С конца XIX века химическая промышленность постоянно изобретает все больше инновационных текстильных волокон: немнущиеся футболки, водонепроницаемые пальто и эластичные беговые костюмы — куда ни глянь, синтетические волокна позволяют достичь новых горизонтов.

Разнообразие синтетических волокон гораздо превышает разнообразие природных, так как все полимеры в «синтетике» собираются вручную, а не готовыми клеточными механизмами в растениях или животных. Это усложняет задачу получения такого полимера, но зато дает инженерам и химикам множество новых «колец», чтобы экспериментировать с созданием новых цепей.

Большая часть синтетических волокон основывается на продуктах или отходах нефтепереработки как источниках коротких молекул для полимеров. В обиходе такие вещества называются пластиками. Их «колечки» — различные производные нефтепродуктов, что позволяет расширить функционал волокон. Если у растений есть всего один основной вид «кольца», у животных — двадцать, то легко поддающиеся реакциям углеводороды могут создать сотни различных коротких молекул. А если еще и по-разному переставлять эти «колечки» внутри одного полимера, получается практически бесконечное множество различных полимеров. Действительно, пластиковые полимеры дают головокружительную свободу для творчества.

Стоит отметить, что значимая часть пластиковых волокон приносит серьезный вред окружающей среде. Например, после каждой стирки мелкие отрывки неразлагающихся синтетических нитей попадают в канализацию, а оттуда — в озёра и реки. Поэтому синтетические волокна далеко не решение всех проблем человечества, и использовать их надо с умом и только при надобности.

Полиэстер

Полиэстер — один из самых знакомых терминов на ярлыках «синтетики». Несмотря на все разнообразие полиэстерных изделий, чаще всего они сделаны из одной и той же молекулы — полиэтилентерефталата (ПЭТФ или PET) — полимера, в котором молекулы бензола и этилена соединены сложноэфирными (по-английски — эстерными, отсюда и название) связями. ПЭТФ является примерном сложных полимеров, цепи которых состоят из нескольких типов «колечек» — бензол чередуется с этиленом.

Все те свойства, за которые мы любим полиэстерные ткани, можно проследить из структуры ПЭТФ. Важно заметить, что бензол — плоская молекула, поэтому ПЭТФ можно представить как длинную цепь «тарелочек», связанных друг с другом нитками. А что мы знаем про тарелки? Их можно складывать друг на друга! Точно так же отдельные цепи ПЭТФ наслаиваются друг на друга благодаря взаимодействиям между молекулами бензола. В итоге молекула полиэстера мало того, что гидрофобна из-за своего химического состава, так еще в ней физически не хватает места, где может задержаться вода. Поэтому полиэстерные ткани часто используются именно в зимней одежде.

Полиэстер и в теплых спальных мешках эконом-класса и во внешней ткани пуховика выполняет свою работу по принципу бани. Его водостойкость не дает нагретой «изнутри» влаге испариться, а холодной влаге «снаружи» достичь вашего тела. Такая изоляция равноценна нахождению в плотно запертой сауне, где толстые стены берегут жар пара от ветра и вьюги. Этот эффект позволяет полиэстерной ткани поддерживать вашу температуру на комфортном уровне — если вы, конечно, не начали её носить посреди июля.

Заключение

Таков многообразный мир вездесущих текстильных волокон! Их различное химическое строение позволяет греть нас в холод, радовать глаз и исполнять многие другие функции одежды. Однако прогресс все дальше шагает в будущее, и современная наука постоянно находит множество способов развить структуру уже удобных для нас волокон: генетически модифицировать гусениц шелкопряда, чтобы они производили более прочный паучий белок в шелке, или использовать электромагнитные поля для сборки более крепких волокон из полимеров целлюлозы. Существуют целые лаборатории, направленные на разработку нановолокон, так как волокна с диаметром в несколько нанометров позволяют очень точно управлять тепло- и водостойкими свойствами ткани. Вместе последними технологиями и новейшими открытиями в науке, развитие текстильного дела идет по пути «умной одежды», способной адаптироваться к изменениям в вашем теле и окружающей среде. Поэтому, если вам когда-либо скажут, что производство одежды не дело науки, можете смело вспомнить эту статью! Ведь волокна, составляющие одежду, — это настоящий дивный мир прямо на пальцах.

Редактор: Дарина Мухамеджанова
Иллюстратор: Амира Куанышбек