Natürliche und synthetische Fasern

Natürliche und synthetische

Fasern

Inhalt

1. Definition 2. Geschichte 3. Einteilung 4. Naturfasern

5. Abgewandelte Naturfasern 6. Synthetische Fasern

7. Weiterverarbeitung 8. Veredelung

9. Schulrelevanz

1. Definition

Faser:

Langgestreckte Aggregate, deren Moleküle oder Kristalle in der Moleküllängsrichtung oder einer Gittergeraden überall gleichgerichtet sind.

2. Geschichte

• 500 v. Chr.: Baumwolle

• Einige Jahrhunderte zuvor: Schafwolle

• 1892: Viskose (England)

• 1912: 1. vollsynthetischen Fasern (Polymerisation von Vinylchlorid)

• 1935: Nylon (W.H. Carothers)

• 1938: Perlon (P. Schlach)

• 1941: Polyester (J. R. Whinfield, J. T. Dickson)

• 1942: Polyacryl (H. Rein)

Carothers

Demonstration 1

Griff- und Knitterprobe

Demonstration 1: Griffprobe

Überblick über die Vielfältigkeit der Fasern

Baumwolle Warm, fest

Leinen Kühl, steif

Schafwolle Warm, rau, weich

Seide Glatt, weich

Synthetische Fasern Unterscheidung schwer mgl.

Demonstration 1: Knitterprobe

• Hinweis über textilen Rohstoff

• Faserbehandlungsverfahren: Fasertypische Eigenschaften leicht verändert

Sehr starkes Knittern Leinen (Flachs)

Starkes Knittern Baumwolle, Viskose, Seide Geringes Knittern Wolle, Acetat, Polyamid

Sehr geringes Knittern Polyester

3. Einteilung

Fasern

tierisch

pflanzlich mineralisch

Chemiefasern Naturfasern

Abgewandelte Naturstoffe

Synthetische Polymere

Aus anorg.

Rohstoffen

Baumwolle Wolle Asbest Viskose Polyester Glas Hanf Seide Modal Polyamid Metall

Jute Kaschmir Acetat Elastan Kohlenstoff

Demonstration 2

Brennprobe

Demonstration 2: Brennprobe

Einteilung Cellulosefasern (pflanzlich)

Eiweißfasern

(tierisch) Synthesefasern Faserbeispiel Baumwolle Wolle Polyester

Entflammung Sehr leicht Schwer Schmelzen, dann Entflammen

Verbrennung

Sehr schnell - helle, leuchtende Flamme

Langsam – kleine Flamme

Schnell –

Tropfend – helle Flamme

Geruch Verbranntes

Papier Verbranntes Horn

Süßlich-

aromatisch, stechend

Hellgraue, leichte Schwarze, kohlige Helle, glasige,

Demonstration 2: Brennprobe

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) ( 2 )

( 2

2,

g g

O

x n CO m H O

Beispiele: Verbrennungsreaktion

Wolle Cellulose

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x n CO m H O p NH

4. Naturfasern

Tierisch (Eiweiß) Pflanzlich

(Cellulose)

Mineralisch

Sisal

4.1. Pflanzliche Fasern (Cellulose)

Pflanzenhaare Bastfasern Hartfasern

Baumwolle Flachs Sisal

Hanf Kokos

Jute, Ramie

Flachs Jute Hanf

Baumwolle Kokospalme Sisal

Versuch 1

Aus was besteht Baumwolle?

4.1.1. Baumwolle

• Samenhaar der Pflanze Gossypium herbaceum (lat., Malvengewächs)

• Anbau in ca. 80 Ländern (tropische & subtropische Zone)

• Reißfest, kochfest, hitzebeständig, nicht formbar

4.1.1. Baumwolle

• 90% Cellulose

• Samenhaare (in sich verdreht):

Bündel sehr feiner Cellulose-Fibrillen

Lumen

4.1.1. Versuch 1: Aus was besteht Baumwolle?

• Baumwolle: Cellulose-Zellen

• Intermicellare Quellwirkung von ZnCl₂

• Aufweitung der Zwischenräume

=> Einlagerung von Polyiodionen

• Blauer CT-Komplex (ähnl. Iod-Stärke)

) 3 ( 2 / I _aq ZnCl ^







Einschlussverbindung

Micelle Intermicellarer

4.2. Tierische Fasern

(Eiweiß)

Wolle Haare Seide

Wolle Schafkamelwolle Maulbeerseide Schurwolle (Alpaka, Lama) Wilde Seide

Angora (Tussahseide)

Kamelhaar Ziegenhaar

(Mohair, Kaschmir) Rosshaar

Versuch 2

Was haben Seide und Wolle gemeinsam?

?

Versuch 2: Was haben Wolle und Seide gemeinsam?

• Xanthoproteinreaktion

• Wolle & Seide enthalten Eiweiße (Aminosäuren) Reaktion der Salpetersäure:

) 2 (

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3 ( 2

) 3 (

) 2 3 (

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2 3

aq aq aq

aq aq aq

NO O

H NO

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NO HNO

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O R₁

NH R₂

NO₂⁺

H O

R₁

NH R₂

N⁺ O^-

+ O

O R₁

NH R₂

N⁺ O^-

O

+ ^H+ Nitrierung: _O

R₁

NH R₂

+ ^NO2+

O R₁

NH R₂

NO₂⁺

pi-Komplex

gelb

(aq)

(aq) L-Phenylalanin

4.2.1. Seide

• Aus Kokons der Seidenspinnerraupe

• Seidenfibroin: 60% Aminosäuren Glycin & Alanin, kein Cystein

• Festeste aller Naturfasern, glatt, glänzend

• Empfindlich gegen Hitze & Laugen

(entfernt)

4.2.2. Wolle (Schaf-, Schurwolle)

• Allg. Tierhaare (meist Schafe)

• Hauptteil: Cotexzellen (spindelf. Fibrillen), Cysteinbrücken

• Fibrillen: Keratin (N-, S-haltiges Gerüsteiweiß, 20 versch.

Aminosäuren incl. Cystein )

• Hygroskopisch, schwerentflammbar, sehr warmhaltend

1 Schuppenzellen 2+3 Faserstamm

(Spindelzellenschicht) 2 Ortho Cortex

3 Para Cortex 4 Makrofibrille

5. Abgewandelte Naturfasern

Aus natürlichen Polymeren

Tierisch (Eiweiß) Pflanzlich

Latex Cellulose Algen

Viskose Acetat

Kupferseide

Alginat Caseinfaser

Versuch 3

Herstellung Kunstseide

5.1. Versuch 3: Kupferseide

Schweizer Reagenz

4(aq) 2

2(aq) (aq) (aq)

4 + 2 NaOH Cu(OH) Na SO

CuSO _ 

2(aq) x

3 3(aq)

2(aq) + x NH [Cu(NH ) ](OH)

Cu(OH) _

2(aq) 4

3) ](OH) [Cu(NH



3 2O, - 8NH 8H



• Deprotonierung von Cellulose

• Quadratisch-planar

5.1. Versuch 3: Kupferseide Einspritzen in Schwefelsäure:

• Protonierung => Cellulose

• Schweizer-Reagenz wird zerstört

6. Synthesefasern

Synthesefasern Polymerisation

Polykondensation Polyaddition

Polyester Polyamid

(PA 6, 66)

Aramid

Polyamid

Polyacrylnitril Polyvinylchlorid Polyvinylacetat

Polyurethane (Elastan)

6.1. Polyamide

• Hochmolekulare Verbindungen:

Bausteine durch Peptidbindungen (-CO-NH-) verknüpft

• Kettenförmige Moleküle: Wiederkehrende Säureamidgruppen in Hauptkette

• Amidgruppe: Kondensation Säure & Amin

• 2 Klassen:

– Aminocarbonsäuretyp (AS: Aminosäure) [-NH-R-CO-]

– Diamin-Dicarbonsäuretyp (AA-SS: Diamin & Dicarbonsäure) [-NH-R-HN-OC-R‘-CO-]

Versuch 4

Herstellung von Nylon

6.1.1. Versuch 4:

Herstellung von Nylon

Polykondensation:

N

H₂ CH₂ NH₂

6

+

O

C CH₂ C

O 8 Cl

6 Cl 8

N

H₂ CH₂ NH₂⁺ C CH₂ C

O

Cl O^-

-HCl

1,6-Diaminohexan Sebacinsäuredichlorid

6.1.1. Versuch 4: Herstellung von Nylon

Nebenreaktion:

6 8

N

H₂ CH₂ NH C CH₂ C O

Cl O

...

6 8

O CH₂ NH C CH₂

O N C

H

... ...

+

HCl_(aq) + OH^-_(aq) H₂O + Cl^-_(aq)

5.1.1. Nylon & Perlon

• 1935: Du Pont Company entdeckt: Schmelze von PA 66 zu Fäden verstreckbar

• 1938: I.G. Farben: Fasern aus PA 6

• Eigenschaften Nylon & Perlon sehr ähnlich =>

Vollständiger Patentaustausch & Aufteilung Absatzmärkte

• Eigenschaften: färbbar, sehr reißfest, knickbar, leicht, hochelastisch, mottensicher, laugenfest

• Hauptanwendungen: Textilien, Teppiche, Taue, Borsten, Haushaltsgeräte, Dübel

6.2. Polyester

• Polykondensation: Diol & Dicarbonsäurederivat

• Anwendungen: Bekleidung, Gardinen

Esterbildung

7. Weiterverarbeitung - Spinnverfahren

Spinnen (Chemiefaserproduktion):

Erzeugen von Fäden aus gelösten oder geschmolzenen Rohstoffen mit Hilfe von Spinndüsen.

• Schmelzspinnverfahren

• Trockenspinnverfahren

• Nassspinnverfahren

Demonstration 3

Schmelzspinnen von Polyamid

7.1 Schmelzspinnverfahren

Für Polyamide (Perlon, Nylon)

7.2 Nassspinnverfahren

Für abgewandelte Naturstoffe (Viscose, Kupferseide)

7.3 Trockenspinnverfahren

Für z.B. Polyacrylnitril

8. Veredelung

• Färben

• Mercerisieren

• Bleichen

• Weichmacher

• Optische Aufheller

• Schutz: Knittern, Flammen, Schmutz, Wasser

Versuch 5

Mercerisieren & Färben von

Baumwolle

Versuch 5: Mercerisieren & Färben von Baumwolle

• Intramicellare Reaktion: Natronlauge dringt in Micelle ein

• Änderung Gitterstruktur: Größerer Abstand von Cellulose- Molekülen in Kristallittiefe

• Dadurch:

Faserschrumpfung in Länge

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s

s aq

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OH Na

H O Cell

NaOH OH

Cell

O H Na

O Cell

NaOH OH

Cell



Versuch 5: Mercerisieren & Färben von Baumwolle Farbvertiefung:

• Intramicellare Abstände größer

• Unbehandelte Faser: Reaktion der Farbstoffmoleküle nur mit OH-Gruppen an Faseroberfläche

• Behandelte Faser: Reaktion mit OH-Gruppen in Micelleninnerem möglich

• Erhöhung der Quantität an Farbstoffmolekülen

Versuch 5: Mercerisieren & Färben von Baumwolle

Mercerisieren = Laugieren unter Spannung:

• Verhindern der Faserschrumpfung

• Ausgleich: Aufdrehen der Faserwindungen

• Effekt: Seidenglanz durch glattere Oberfläche

Vor

Mercerisierung

Nach

Mercerisierung

9. Schulrelevanz

Jahrgangsstufe 12:

• Synthetische Makromoleküle

• Modifizierte Naturstoffe;

natürliche Fasern

(Seide, Wolle, Baumwolle, Papier)

• Textilfärbung; Färbeverfahren

Vielen

Dank!