Natürliche und synthetische Fasern
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Natürliche und synthetische Fasern Inhalt 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Definition Geschichte Einteilung Naturfasern Abgewandelte Naturfasern Synthetische Fasern Weiterverarbeitung Veredelung 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 Chemiefasern Naturfasern pflanzlich tierisch mineralisch Baumwolle Wolle Asbest Hanf Seide Jute Kaschmir Abgewandelte Synthetische Naturstoffe Polymere Viskose Modal Acetat Polyester Polyamid Elastan Aus anorg. Rohstoffen Glas Metall 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 Süßlicharomatisch, stechend Rückstand Hellgraue, leichte Flugasche Schwarze, kohlige Helle, glasige, Masse harte Masse Demonstration 2: Brennprobe Beispiele: Verbrennungsreaktion x O2 , n CO2( g ) m H 2 O( g ) Cellulose x O2 , n CO2( g ) m H 2 O( g ) p NH 3( g ) Wolle 4. Naturfasern Pflanzlich Tierisch (Cellulose) (Eiweiß) Mineralisch Sisal 4.1. Pflanzliche Fasern (Cellulose) Pflanzenhaare Bastfasern Hartfasern Baumwolle Flachs Hanf Jute, Ramie Sisal Kokos Flachs Jute Baumwolle Hanf 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) Einschlussverbindung ZnCl 2 / I 3 ( aq) Intermicellarer Raum Micelle 4.2. Tierische Fasern (Eiweiß) Wolle Haare Seide Wolle Schurwolle Schafkamelwolle Maulbeerseide (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: 3 ( aq ) 2 HNO3 ( aq) NO 3 ( aq ) H 2 NO H 2 NO3 ( aq) H O NO 2 ( aq ) 2 ( aq ) Nitrierung: (aq) L-Phenylalanin O O O R1 R1 R1 NH NH NH R2 R2 R2 NO 2 + + + H + (aq) O + N H + O N - O Sigma-Komplex O - gelb 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 Pflanzlich Tierisch (Eiweiß) Latex Cellulose Algen Viskose Alginat Acetat Kupferseide Caseinfaser Versuch 3 Herstellung Kunstseide 5.1. Versuch 3: Kupferseide CuSO 4 (aq) + 2 NaOH(aq) Cu(OH) 2(aq) Na 2SO 4(aq) Cu(OH) 2 (aq) + x NH3(aq) [Cu(NH 3 ) x ](OH) 2(aq) Schweizer Reagenz [Cu(NH 3 ) 4 ](OH) 2(aq) 8 H 2 O, - 8 NH3 • Deprotonierung von Cellulose • Quadratisch-planar 5.1. Versuch 3: Kupferseide Einspritzen in Schwefelsäure: • Protonierung => Cellulose • Schweizer-Reagenz wird zerstört Cupro 6. Synthesefasern Synthesefasern Polykondensation Polyester Polyamid (PA 6, 66) Aramid Polymerisation Polyaddition 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: O H2N CH 2 6 NH2 + Cl C O + NH2 CH 2 6 CH2 8 C Cl Sebacinsäuredichlorid 1,6-Diaminohexan H2N O - C Cl O CH2 C 8 -HCl Cl 6.1.1. Versuch 4: Herstellung von Nylon O H2N NH CH 2 C O CH2 6 N NH CH 2 6 C 8 O CH2 C 8 Nebenreaktion: HCl(aq) + OH-(aq) ... Cl O H ... C H2O + Cl-(aq) ... + n HCl 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 Esterbildung • Anwendungen: Bekleidung, Gardinen 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 ( Cell OH ( s ) NaOH ( aq) Cell O Na (s) H 2O ) Cell OH ( s ) NaOH ( aq) Cell O H Na OH ( aq ) • Änderung Gitterstruktur: Größerer Abstand von CelluloseMolekülen in Kristallittiefe • Dadurch: Faserschrumpfung in Länge 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!
