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Natürliche und synthetische Fasern. Inhalt. Definition Geschichte Einteilung Naturfasern Abgewandelte Naturfasern Synthetische Fasern Weiterverarbeitung Veredelung Schulrelevanz. 1. Definition. Faser: - PowerPoint PPT Presentation
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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: 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
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
4.1. Pflanzliche Fasern
(Cellulose)
Pflanzenhaare Bastfasern Hartfasern
Baumwolle Flachs Sisal
Hanf Kokos Jute, Ramie
Flachs Jute Hanf
Baumwolle Kokospalme Sisal
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 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
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)
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-]
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
8. Veredelung
• Färben• Mercerisieren• Bleichen• Weichmacher • Optische Aufheller• Schutz: Knittern, Flammen, Schmutz, Wasser
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