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)• Geheimgehalten: Seide (Verarbeitung in China)

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

tierischpflanzlich mineralisch

ChemiefasernNaturfasern

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

EinteilungCellulosefasern

(pflanzlich)

Eiweißfasern

(tierisch)Synthesefasern

Faserbeispiel Baumwolle Wolle Polyester

Entflammung Sehr leicht SchwerSchmelzen, dann

Entflammen

VerbrennungSehr schnell - helle, leuchtende Flamme

Langsam – kleine Flamme

Schnell – Tropfend – helle Flamme

GeruchVerbranntes Papier

Verbranntes HornSüßlich-aromatisch, stechend

RückstandHellgraue, leichte Flugasche

Schwarze, kohlige Masse

Helle, glasige, harte Masse

Demonstration 2: Brennprobe

)(2)(2

,2gg

Ox OHmCOn

Beispiele: Verbrennungsreaktion

Wolle

Cellulose

)(3)(2)(2

,2ggg

Ox NHpOHmCOn

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)

)(32 / aqIZnCl

Einschlussverbindung

MicelleIntermicellarer

Raum

4.2. Tierische Fasern

(Eiweiß)

Wolle Haare Seide

Wolle Schafkamelwolle MaulbeerseideSchurwolle (Alpaka, Lama) Wilde Seide

Angora (Tussahseide) KamelhaarZiegenhaar (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)(2)(32

)(32)(3)(32

aqaqaq

aqaqaq

NOOHNOH

NOHNOHNO

O

R1

NH

R2

NO2+

H

O

R1

NH

R2

N+

O-

O+

Sigma-Komplex

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 Microfibrille

5. Abgewandelte Naturfasern

Aus natürlichen Polymeren

Tierisch

(Eiweiß)

Pflanzlich

Latex Cellulose Algen

Viskose AcetatKupferseide

Alginat Caseinfaser

Versuch 3

Herstellung Kunstseide

5.1. Versuch 3: Kupferseide

Schweizer

Reagenz

4(aq)22(aq)(aq)(aq)4 SONaCu(OH) NaOH 2 + CuSO

2(aq)x33(aq)(aq)2 ](OH))[Cu(NH NH x + Cu(OH)

2(aq)43 ](OH))[Cu(NH

32 NH8- O,8H

• Deprotonierung von Cellulose• Quadratisch-planar

5.1. Versuch 3: Kupferseide

Einspritzen in Schwefelsäure:• Protonierung => Cellulose• Schweizer-Reagenz wird zerstört

Cupro

6. Synthesefasern

Synthesefasern

PolymerisationPolykondensation 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:

NH2 CH2 NH26

+ Cl

O

C CH2 C

O

Cl8

6 8Cl

NH2 CH2 NH2+

C CH2 C

O

Cl

O-

-HCl

1,6-Diaminohexan Sebacinsäuredichlorid

6.1.1. Versuch 4: Herstellung von Nylon

Nebenreaktion:

6 8NH2 CH2 NH C CH2 C

O

Cl

O...

6 8

O

CH2 NH C CH2

O

CN

H

... ... + n HCl

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

)()()(

2)()()( )(

aqaqs

saqs

OHNaHOCellNaOHOHCell

OHNaOCellNaOHOHCell

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!