Строение и свойства целлюлозных волокон

Химический состав волокон
Строение и свойства целлюлозы и ее спутников
Строение волокон

Химический состав волокон
Тряпичная бумага, как мы уже говорили, отличается большой устойчивостью к старению. Одна из главных причин этой долговечности - химический состав хлопковых, льняных и пеньковых волокон, которые представляют собой почти чистую целлюлозу (в связи, с чем их обычно называют натуральными целлюлозными волокнами).
В табл. 1 приведен химический состав растительных волокон - хлопковых, льняных, пеньковых, а также рами и джутовых.
ТАБЛИЦА 1 Химический состав растительных волокон*
* Данные заимствованы из книги: Справочник бумажника. В 3-х томах. - М.: Лесная промышленность. - Т. 2, 1965. - С. 260.

Как видно, по содержанию а-целлюлозы (так называют целлюлозу, не растворимую в 17,5%-ном растворе едкого натра NaOH при 20°С в течение 1 часа) хлопковое волокно занимает первое место, затем следуют волокна льняное, пеньковое и рами - с приблизительно одинаковым содержанием а-целлюлозы, около 80%, и затем джутовое волокно.
Строение и свойства целлюлозы и ее спутников
Прежде всего, необходимо пояснить, что же именно представляет собой целлюлоза и каковы в общих чертах ее свойства.
Целлюлоза (от лат. cellula - букв, комнатка, здесь — клетка) - клетчатка, вещество клеточных стенок растений, представляет собой полимер класса углеводов - полисахарид, молекулы которого построены из остатков молекул моносахарида глюкозы (см. схему 1).

СХЕМА 1 Строение молекулы целлюлозы
Каждый остаток молекулы глюкозы - или, для краткости, глгокозный остаток - повернут относительно соседнего на 180° и связан с ним кислородным мостиком -О-, или, как принято говорить в данном случае, глюкозидной связью через атом кислорода. Вся молекула целлюлозы представляет, таким образом, как бы гигантскую цепочку. Отдельные звенья этой цепочки имеют форму шестиугольников, или - в терминах химии -6-членных циклов. В молекуле глюкозы (и ее остатке) этот 6-членный цикл построен из пяти атомов углерода С и одного атома кислорода О. Такие циклы называются пирановыми. Из шести атомов 6-членного пиранового цикла на изображенной выше схеме 1, в вершине одного из углов показан только атом кислорода О - гетероатом (от греч. етeроs; - другой, отличающийся от остальных). В вершинах остальных пяти углов располагается по атому углерода С (эти «обычные» для органики атомы углерода, в отличие от гетероатома, в формулах циклических соединений изображать не принято).
Каждый 6-членный цикл имеет форму не плоского шестиугольника, а изогнутого в пространстве, наподобие кресла ( см. схему 2 ),

СХЕМА 2 Форма кресла
- отсюда и название этой формы, или пространственной конформации, наиболее устойчивой для молекулы целлюлозы.
На схемах 1 и 2 стороны шестиугольников, расположенные к нам ближе, выделены жирной чертой. На схеме 1 видно также, что каждый глюкозный остаток содержит 3 гидроксильные группы -ОН (их называют гидроксигруппами или просто гидроксилами). Для наглядности эти группы -ОН заключены в пунктирную рамку.
Гидроксильные группы способны образовывать прочные межмолекулярные водородные связи с атомом водорода Н в качестве мостика, поэтому энергия связей между молекулами целлюлозы высока и целлюлоза как материал обладает значительной прочностью и жесткостью. Кроме того, группы -ОН способствуют поглощению водяных паров и придают целлюлозе свойства многоатомных спиртов (так называют спирты, содержащие несколько групп -ОН). При набухании целлюлозы водородные связи между ее молекулами разрушаются, цепочки молекул раздвигаются молекулами воды (или молекулами поглощенного реагента), и образуются новые связи - между молекулами целлюлозы и воды (или реагента).
В обычных условиях целлюлоза - твердое вещество плотностью 1,54-1,56 г/см3 , нерастворимое в обычных растворителях - воде, спирте, диэтиловом эфире, бензоле, хлороформе и др. В натуральных волокнах целлюлоза имеет аморфно-кристаллическое строение со степенью кристалличности около 70%.
В химических реакциях с целлюлозой участвуют обычно три группы -ОН. Остальные элементы, из которых построена молекула целлюлозы, вступают в реакцию при более сильных воздействиях - при повышенной температуре, при действии концентрированных кислот, щелочей, окислителей.
Так, например, при нагревании до температуры 130°С свойства целлюлозы изменяются лишь незначительно. Но при 150-160°С начинается процесс медленного разрушения - деструкции целлюлозы, а при температуре выше 160°С этот процесс происходит уже быстро и сопровождается разрывом глюкозидных связей (по атому кислорода), более глубоким разложением молекул и обугливанием целлюлозы.
По-разному действуют на целлюлозу кислоты. При обработке хлопковой целлюлозы смесью концентрированных азотной и серной кислот в реакцию вступают гидроксильные группы -ОН, и в результате получаются азотнокислые эфиры целлюлозы - так называемая нитроцеллюлоза, которая, в зависимости от содержания нитрогрупп в молекуле, обладает различными свойствами. Наиболее известны из нитроцеллюлоз пироксилин, применяемый для производства пороха, и целлулоид - пластмассы на основе нитроцеллюлозы с некоторыми добавками.
Другой тип химического взаимодействия имеет место при обработке целлюлозы соляной или серной кислотой. Под действием этих минеральных кислот происходит постепенная деструкция молекул целлюлозы с разрывом глюкозидных связей, сопровождающаяся гидролизом, т.е. обменной реакцией с участием молекул воды (см. схему 3).

СХЕМА 3 Гидролиз целлюлозы
На этой схеме изображены те же три звена полимерной цепочки целлюлозы, т.е. те же три остатка молекул целлюлозы, что и на схеме 1, только 6-членные пирановые циклы представлены не в форме "кресел", а в форме плоских шестиугольников. Такое условное обозначение циклических структур также общепринято в химии.
Полный гидролиз, проводимый при кипячении с минеральными кислотами, приводит к получению глюкозы. Продуктом частичного гидролиза целлюлозы является так называемая гидроцеллюлоза, она обладает меньшей механической прочностью по сравнению с обычной целлюлозой, так как показатели механической прочности падают с уменьшением длины цепочки полимерной молекулы.
Совершенно другой эффект наблюдается в том случае, если целлюлозу обработать непродолжительное время концентрированной серной или соляной кислотой. Происходит пергаментация: поверхность бумаги или хлопчатобумажной ткани набухает, и этот поверхностный слой, представляющий собой частично разрушенную и подвергнувшуюся гидролизу целлюлозу, придает бумаге или ткани после высушивания особый лоск и повышенную прочность. Это явление впервые было замечено в 1846 г. французскими исследователями Ж.Пумару и Л.Фипойе.
Слабые (0,5%-ные) растворы минеральных и органических кислот при температуре примерно до 70°С , если после их нанесения следует промывка, не оказывают разрушающего действия на целлюлозу.
К щелочам (разбавленным растворам) целлюлоза устойчива. Растворы едкого натра в концентрации 2-3,5% применяют при щелочной варке тряпья, идущего на изготовление бумаги. При этом из целлюлозы удаляются не только загрязнения, но и продукты деструкции полимерных молекул целлюлозы, имеющие более короткие цепи. В отличие от целлюлозы, эти продукты деструкции растворимы в щелочных растворах.
Своеобразно действуют на целлюлозу концентрированные растворы щелочей на холоде - при комнатной и более низких температурах. Этот процесс, открытый в 1844 г. английским исследователем Дж. Мерсером и получивший название мерсеризации, широко
применяется для облагораживания хлопчатобумажных тканей. Волокна обрабатывают в натянутом состоянии при температуре 20°С 17,5%-ным раствором едкого натра. Молекулы целлюлозы присоединяют щелочь, образуется так называемая щелочная целлюлоза, и этот процесс сопровождается сильным набуханием целлюлозы. После промывки щелочь удаляется, а волокна приобретают мягкость, шелковистый блеск, становятся более прочными и восприимчивыми к красителям и влаге.
При высоких температурах в присутствии кислорода воздуха концентрированные растворы щелочей вызывают деструкцию целлюлозы с разрывом глюкозидных связей.
Окислители, применяемые для отбелки целлюлозных волокон в текстильном производстве, а также для получения бумаг с высокой степенью белизны, действуют на целлюлозу разрушающе, окисляя гидроксильные группы и разрывая глюкозидные связи. Поэтому в производственных условиях все параметры процесса отбеливания строго контролируются.
Когда мы говорили о строении молекулы целлюлозы, мы имели в виду ее идеальную модель, состоящую только из многочисленных остатков молекулы глюкозы. Мы не уточняли, сколько этих глюкозных остатков содержится в цепочке молекулы (или, как принято называть гигантские молекулы, - в макромолекуле) целлюлозы. Но в действительности, т.е. в любом природном растительном сырье, существуют большие или меньшие отклонения от описанной идеальной модели. Макромолекула целлюлозы может содержать некоторое количество остатков молекул других моносахаридов - гексоз (т.е. содержащих 6 атомов углерода, как и глюкоза, которая также относится к гексозам) и пентоз (моносахаридов с 5-ю атомами углерода в молекуле). Макромолекула природной целлюлозы может содержать также и остатки уроновых кислот - так называют карбоновые кислоты класса моносахаридов, остаток глюкуроновой кислоты, например, отличается от остатка глюкозы тем, что содержит вместо группы -СН2ОН карбоксильную группу -СООН, характерную для карбоновых кислот.
Количество глюкозных остатков, содержащихся в макромолекуле целлюлозы, или так называемая степень полимеризации, обозначаемая индексом n, также различна для разных видов целлюлозного сырья и колеблется в широких пределах. Так, в хлопке n составляет в среднем 5 000 - 12 000, а в льне, пеньке и рами 20 000 - 30 000. Таким образом, молекулярная масса целлюлозы может достигать 5 млн. кислородных единиц. Чем выше n, тем прочнее целлюлоза. Для целлюлозы, получаемой из древесины, n значительно ниже - в пределах 2500 - 3000, что обусловливает и меньшую прочность волокон древесной целлюлозы.
Однако если рассматривать целлюлозу как материал, полученный из какого-либо одного вида растительного сырья - хлопка, льна, конопли или древесины и т.д., то и в этом случае молекулы целлюлозы будут иметь неодинаковую длину, неодинаковую степень полимеризации, т.е. в этой целлюлозе будут присутствовать более длинные и более короткие молекулы. Высокомолекулярную часть любой технической целлюлозы принято называть а-целлюлозой - так условно обозначают ту часть целлюлозы, которая состоит из молекул, содержащих 200 и более глюкозных остатков. Особенностью этой части целлюлозы является нерастворимость в 17,5%-ном растворе едкого натра при 20°С (таковы, как уже упоминалось, параметры процесса мерсеризации - первого этапа производства вискозного волокна).
Растворимая в этих условиях часть технической целлюлозы называется гемицеллюлозой. Она в свою очередь состоит из фракции b-целлюлозы, содержащей от 200 до 50 глюкозных остатков, и у-целлюлозы - наиболее низкомолекулярной фракции, с n менее 50. Название «гемицеллюлоза», так же как и «а-целлюлоза», условно: в состав гемицеллюлоз входит не только целлюлоза сравнительно низкой молекулярной массы, но и другие полисахариды, молекулы которых построены из остатков других гексоз и пентоз, т.е. другие гексозаны и пентозаны (см., например, содержание пентозанов в табл. 1). Общее их свойство - невысокая степень полимеризации n, менее 200, и как следствие - растворимость в 17,5%-ном растворе едкого натра.
Качество целлюлозы определяется не только содержанием a-целлюлозы, но и содержанием гемицеллюлоз. Известно, что при повышенном содержании a-целлюлозы волокнистый материал отличается обычно более высокой механической прочностью, химической и термической стойкостью, стабильностью белизны и долговечностью. Но для получения прочного полотна бумаги необходимо, чтобы в технической целлюлозе присутствовали и гемицеллюлозные спутники, так как чистая а-целлюлоза не склонна к фибриллированию (расщеплению волокон в продольном направлении с образованием тончайших волоконец - фибрилл) и в процессе размола волокон легко рубится. Гемицеллюлоза облегчает фибриллирование, что в свою очередь улучшает сцепление волокон в бумажном листе без чрезмерного уменьшения их длины при размоле.
Когда мы говорили о том, что понятие «а-целлюлоза» тоже условно, мы имели в виду, что и а-целлюлоза не является индивидуальным химическим соединением. Этот термин обозначает суммарное количество веществ, находящихся в технической целлюлозе и нерастворимых в щелочи при мерсеризации. Действительное же содержание высокомолекулярной целлюлозы в a-целлюлозе всегда меньше, так как примеси (лигнин, зола, жиры, воски, а также пентозаны и пектиновые вещества, химически связанные с целлюлозой) не полностью растворяются при мерсеризации. Поэтому без параллельного определения количества этих примесей содержание а-целлюлозы не может характеризовать чистоту целлюлозы, о ней можно судить лишь при наличии этих необходимых дополнительных данных.
Продолжая изложение первоначальных сведений о строении и свойствах спутников целлюлозы, вернемся к табл. 1.
В табл. 1 были приведены вещества, встречающиеся наряду с целлюлозой в растительных волокнах. Первыми после целлюлозы указаны пектиновые вещества и пентозаны. Пектиновые вещества - это полимеры класса углеводов, которые, так же как целлюлоза, имеют цепочечное строение, но построены из остатков уроновой кислоты, точнее - галактуроновой кислоты. Полигалактуроновая кислота называется пектовой кислотой, а ее метиловые эфиры - пектинами (см. схему 4).

СХЕМА 4 Участок цепи макромолекулы пектина
Это, разумеется, только схема, так как пектины разных растений различаются по молекулярной массе, содержанию групп -ОСН3 ( так называемых метокси-, или метоксильных, групп, или просто - метоксилов) и их распределению по цепи макромолекулы. Пектины, содержащиеся в клеточном соке растений, растворимы в воде и способны образовывать в присутствии сахара и органических кислот плотные гели. Однако пектиновые вещества существуют в растениях главным образом в виде нерастворимого протопектина - полимера разветвленного строения, в котором линейные участки макромолекулы пектина связаны поперечными мостиками. Протопектин содержится в стенках растительной клетки и межклеточном цементирующем материале, выполняя роль опорных элементов. Вообще пектиновые вещества являются резервным материалом, из которого путем ряда превращений образуется целлюлоза и формируется клеточная стенка. Так, например, в начальной стадии роста хлопкового волокна содержание пектиновых веществ в нем достигает 6%, а ко времени вскрытия коробочки постепенно убывает примерно до 0,8%. Параллельно увеличивается содержание целлюлозы в волокне, повышается его прочность, повышается степень полимеризации целлюлозы.
Пектиновые вещества довольно стойки к кислотам, но под действием щелочей при нагревании разрушаются, и это обстоятельство используется для очистки целлюлозы от пектиновых веществ (путем варки, например, хлопкового пуха с раствором едкого натра). Легко разрушаются пектиновые вещества и под действием окислителей.
Пентозаны - это полисахариды, построенные из остатков пентоз - обычно арабинозы и ксилозы. Соответственно эти пентозаны называются арабанами и ксиланами. Они имеют линейное (цепочечное) или слабо разветвленное строение и в растениях обычно сопутствуют пектиновым веществам (арабаны) или входят в состав гемицеллюлоз (ксиланы). Пентозаны бесцветны, аморфны. Арабаны хорошо растворимы в воде, ксиланы в воде не растворяются.
Следующим важнейшим спутником целлюлозы является лигнин - полимер разветвленного строения, вызывающий одревеснение растений. Как видно из табл. 1, лигнин отсутствует в хлопковом волокне, но в остальных волокнах - льняном, пеньковом, рами и особенно джутовом - он содержится в меньших или больших количествах. Он заполняет главным образом пространства между клетками растения, но проникает и в поверхностные слои волокон, играя роль инкрустирующего вещества, скрепляющего целлюлозные волокна. Особенно много лигнина содержится в древесине - до 30%. По своей природе лигнин уже не относится к классу полисахаридов (как целлюлоза, пектиновые вещества и пентозаны), а представляет собой полимер на основе производных многоатомных фенолов, т.е. относится к так называемым жирноароматическим соединениям. Существенное его отличие от целлюлозы заключается и в том, что макромолекула лигнина имеет нерегулярное строение, т.е. полимерную молекулу составляют не одинаковые остатки мономерных молекул, а разнообразные структурные элементы. Однако последние имеют между собой то общее, что состоят из ароматического ядра (которое образовано в свою очередь 6-ю атомами углерода С) и боковой пропановой цепочки (из 3-х атомов углерода С), этот общий для всех лигнинов структурный элемент называют фенилпропановым звеном (см. схему 5).

СХЕМА 5 Фенилпропановое звено
Таким образом, лигнин принадлежит к группе природных соединений, имеющих общую формулу (С6С3)х. Лигнин не является индивидуальным химическим соединением со строго определенным составом и свойствами. Лигнины различного происхождения заметно отличаются друг от друга, и даже лигнины, полученные из одного вида растительного сырья, но разными способами, иногда очень сильно различаются по элементарному составу, содержанию тех или иных заместителей (так называют группы, соединенные с бензольным ядром или боковой пропановой цепочкой), растворимости и другим свойствам.
Высокая реакционная способность лигнина и неодинаковость его строения затрудняют исследование его структуры и свойств, но тем не менее установлено, что в состав всех лигнинов входят фенилпропановые звенья, представляющие собой производные гваякола (т.е. монометилового эфира пирокатехина, см. схему 6).

СХЕМА 6 Производное гваякола
Выявлены и некоторые отличия в строении и свойствах лигнинов однолетних растений и злаков, с одной стороны, и древесины - с другой. Например, лигнины трав и злаков (к ним относятся лен и пенька, на которых мы останавливаемся более подробно) сравнительно хорошо растворяются в щелочах, тогда как лигнины древесины -трудно. Это обусловливает более жесткие параметры процесса удаления лигнина (делигнификации) из древесины методом натронной варки древесины (как-то: более высокие температуры и давления) по сравнению с процессом удаления лигнина из молодых побегов и трав методом варки в щелоке - методом, который был известен в Китае еще в начале первого тысячелетия нашей эры и который широко использовался под названием мацерации или бучения в Европе при переработке тряпья и разного рода отходов (льняных, пеньковых) в бумагу.
Мы уже говорили о высокой реакционной способности лигнина, т.е. о его способности вступать в многочисленные химические реакции, что объясняется присутствием в макромолекуле лигнина большого количества реакционноспособных функциональных групп, т.е. способных вступать в те или иные химические превращения, присущие определенному классу химических соединений. Особенно это относится к спиртовым гидроксилам -ОН, находящимся у атомов углерода в боковой пропановой цепочке, по этим группам -ОН происходит, например, сульфирование лигнина при сульфитной варке древесины - еще одном способе ее делигнификации.
Вследствие большой реакционной способности лигнина легко происходит и его окисление, в особенности в щелочной среде, с образованием карбоксильных групп -СООН. А при действии хлорирующих и белящих агентов лигнин легко хлорируется, причем атом хлора Сl вступает как в ароматическое ядро, так и в боковую пропановую цепочку, в присутствии влаги одновременно с хлорированием происходит и окисление макромолекулы лигнина, и получаемый хлорлигнин содержит также карбоксильные группы. Хлорированный и окисленный лигнин легче вымывается из целлюлозы. Все эти реакции широко используются в целлюлозно-бумажной промышленности для очистки целлюлозных материалов от примеси лигнина, который является очень неблагоприятным компонентом технической целлюлозы.
Почему присутствие лигнина нежелательно? Прежде всего потому, что лигнин имеет разветвленную, часто трехмерную, пространственную структуру и поэтому не обладает волокнообразующими свойствами, т. е. из него не могут быть получены нити. Он придает целлюлозным волокнам жесткость, ломкость, снижает способность целлюлозы набухать, окрашиваться и взаимодействовать с реагентами, применяемыми при различных процессах обработки волокон. При приготовлении бумажной массы лигнин затрудняет размол и фибриллирование волокон, ухудшает их взаимное сцепление. Кроме того, сам по себе он окрашен в желто-коричневый цвет, а при старении бумаги к тому же еще и усиливает ее пожелтение.
Наши рассуждения о строении и свойствах спутников целлюлозы могут показаться, на первый взгляд, излишними. Действительно, уместны ли здесь даже краткие описания строения и свойств лигнина, если реставратор-график имеет дело не с природными волокнами, а с бумагой, т.е. материалом, изготовленным из очищенных от лигнина волокон? Это, разумеется, так, но только в том случае, если речь идет о тряпичной бумаге, изготовленной из хлопчатобумажного сырья. В хлопке лигнина нет. Практически нет его и в тряпичной бумаге из льна или пеньки - он был почти полностью удален в процессе бучения тряпья.
Однако в бумаге, полученной из древесины, и в особенности в сортах газетной бумаги, в которых наполнителем служит древесная масса, лигнин содержится в достаточно больших количествах, и это обстоятельство следует иметь в виду реставратору, работающему с самыми разными, в том числе и низкосортными бумагами.
Строение волокон
Краткое описание целлюлозных волокон целесообразно начать с хлопкового волокна, так как оно сильно отличается по своему строению от других целлюлозных волокон.
Хлопком называют волокна, растущие на поверхности семян растения хлопчатника из семейства мальвовых. Каждый волосок хлопка представляет собой очень тонкую и длинную клетку, сужающуюся у глухого конца и открытую с другого - того, которым волосок прикреплен к семени. Размеры волокон хлопка разных сортов колеблются в довольно широких пределах. Например, средневолокнистый хлопчатник дает волокно, длина которого достигает 30-35 мм. Толщина волокна может составлять от 10 до 25 мкм. Строение хлопкового волокна имеет ряд особенностей (рис. 1).

РИС. 1 Поперечный разрез хлопкового волокна. (Сильно увеличено)
Снаружи расположена первичная стенка толщиной около 1 мкм, содержащая примерно 50% целлюлозы. На поверхности первичной стенки сосредоточены жиро-восковые вещества - этим и объясняется плохая смачиваемость хлопкового волокна водой. За первичной стенкой (которая частично разрушается в процессе отбелки) следует основная многослойная вторичная стенка толщиной около 6-8 мкм, она состоит из суточных отложений целлюлозы, образуемых при фотосинтезе из протоплазмы. Внутри волокна находится канал. В незрелом волокне он заполнен протоплазмой, в зрелом же содержатся только ее остатки.
Исследования с помощью электронного микроскопа показывают, что отдельные слои целлюлозы образованы из фибрилл, которые, в свою очередь, представляют собой пучки микрофибрилл, состоящих из десятков и сотен цепей макромолекул целлюлозы. Отдельные молекулы в микрофибриллах и микрофибриллы в фибриллах расположены неплотно по отношению друг к другу и удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия (главным образом - посредством водородных связей), а также благодаря тому, что длинные цепи макромолекул входят отдельными своими частями (звеньями) в разные микрофибриллы и фибриллы. Поэтому как в отдельных суточных слоях, так и между ними имеются неплотности - поры, микрощели - именно они оказывают большое влияние на поведение хлопковых волокон при различных процессах обработки, в частности при крашении.
Микрофибриллы и фибриллы располагаются в отдельных слоях целлюлозы спиралеобразно, под углом 20-40° к оси волокна, поэтому волокно закручивается как спираль относительно своей оси. При созревании волокна протоплазма в канале постепенно засыхает, и волокно сплющивается. Рассматривая такое волокно под микроскопом, можно заметить, что оно имеет форму скрученной ленточки (или пустой сплющенной трубочки, рис. 2)

РИС. 2 Продольный и поперечный вид хлопковых волокон
со стенками и каналом определенной толщины, которая зависит от зрелости. Из поперечных срезов видно, что внутренняя полость волокна весьма значительна по сравнению с толщиной стенки, а так как эта полость открыта, по крайней мере с одного конца, то хлопковое волокно способно быстро и легко смачиваться и набухать изнутри. Этим хлопковое волокно выгодно отличается от лубяных волокон. Кроме того, при малой массе хлопковое волокно имеет достаточно развитую поверхность, что обусловливает способность хлопка к адсорбционным процессам. Известно, какие значительные объемы газов поглощаются хлопковыми волокнами: например, аммиак поглощается в количестве, превышающем более чем в 100 раз по объему сам хлопок.
Мягкость и нежность хлопковых волокон, их скрученная форма объясняют высокую ценность хлопка как прядильного материала. Отдельные волоски хлопка легко сцепляются между собой, распрямляются при вытягивании, держатся в тонких нитях и поддаются закручиванию. Благодаря совокупности этих свойств хлопок, появившийся в Европе позднее других волокон (льняных и пеньковых), очень быстро завоевал себе главенствующее положение в текстильном производстве.
Столь же ценны и бумагообразующие свойства хлопка. В процессе размола волокон, основополагающем в бумажном производстве, тонкие и мягкие волокна хлопка легко ослабевают, скручиваются, спутываются в клочки. Хлопку не свойственна легкая фибриллизация льна (т.е. расщепление волокна на тонкие волоконца - фибриллы - вдоль оси волокна), но зато благодаря скручиванию хлопковых волокон бумага приобретает пухлость и непрозрачность, что в сочетании с мягкостью делает бумагу из хлопка наилучшим материалом для печатания гравюр с медных досок.
Лен, или льняное волокно, представляет собой клетки луба растения, называемого, так же как и его волокно, льном. Это растение относится к семейству льновых.
Стебель льна (рис. 3),

РИС. 3 Стебель льна
как и других стеблевых лубяных растений (конопли, рами, джута, кенафа), состоит из различных по своему строению и функциям тканей:
- покровной ткани 1, которая образована сомкнутыми клетками, покрытыми снаружи тонкой кожицей;
- коровой паренхимы 2 - из тонкостенных и неодревесневших клеток, они содержат запасы питательных веществ;
- волокон 3;
- камбия 4, состоящего из клеток, обеспечивающих рост льна;
- древесины 5;
- сердцевины 6, она состоит из рыхлых тонкостенных клеток, при отмирании которых образуется полость 7 стебля.
Все ткани, от покровной до слоя камбия, называются корой стебля, или лубом. Все, что расположено за камбием, называется древесиной.
Волокна льна распределены, как мы видим, в кольцевидном слое паренхимы. Они представляют собой пучки округлых толстостенных клеток с небольшим каналом, содержащим иногда остатки протоплазмы. Эти пучки волокон тянутся параллельно оси стебля по всей его длине. В среднем в стебле льна содержится 300-700 элементарных волокон, которые образуют 20-30 пучков с числом элементарных волокон в каждом из них от 15 до 24. Волокна склеены в пучки пектиновыми веществами.
Если пектиновые вещества удалить полностью, пучок распадется на отдельные элементарные волокна. Они представляют собой длинные глухие клетки, заостренные наподобие веретена с обоих концов. Волокна имеют гладкую, блестящую поверхность с продольными штрихами, характерны для волокон льна и поперечные сдвиги, как бы надломы, с узловатыми утолщениями (рис. 4),

РИС. 4 Поперечные сдвиги на волокнах
последний признак, кстати сказать, типичен и для волокон пеньки и джута. Длина элементарных волокон льна колеблется в пределах от 4 до 66 мм, а чаще всего бывает около 20 мм. Средняя толщина (поперечник) составляет 12-20 мкм. Отношение длины волокна к поперечнику приближается к 1200. Таким образом, как по соотношению размеров, так и по их абсолютной величине волокна льна и хлопка оказываются весьма сходными. И тем не менее льняное волокно гораздо прочнее хлопкового, что объясняется большей толщиной стенки льняного волокна.
Элементарные волокна льна, так же как и хлопка, имеют слоистое строение. Но пучки фибрилл первичной и вторичной стенок расположены спирально под меньшим углом (8-12°),чем в хлопковом волокне (20-40°). Эта намного большая ориентация структурных элементов относительно оси в льняном волокне по сравнению с хлопковым также обусловливает более высокую прочность льна и меньшую способность удлиняться при растяжении.
Льняное волокно гораздо менее податливо к химическим обработкам и крашению. Причина кроется прежде всего в том, что элементарное волокно льна представляет собой закрытую с обоих концов клетку, без свободного доступа во внутреннюю полость — канал. Кроме того, этот канал очень узок, а стенки клетки достаточно толсты. А если вспомнить об обилии пектиновых веществ и лигнина, окружающих волокна со всех сторон, а возможно, и проникающих в толщу стенок волокон, - веществ, трудно растворимых не только в кипящей воде, но и в других нейтральных растворителях, - то станет понятным, почему лен так упорно противостоит крашению и отбеливанию.
Из бумагообразующих свойств льняных волокон следует отметить в первую очередь их способность к фибриллированию в процессе размола. Поскольку стенки волокон льна ровные и толстые, они легко расщепляются в продольном направлении, образуя маленькие пряди волоконец - фибрилл. Последние, сцепляясь во время отливки (формования) бумажного листа, придают бумаге дополнительную прочность.
Пенька. Так называются у нас волокна, получаемые из двудомного растения конопли. Мужская особь - посконь - имеет более тонкий стебель, и только из нее получают прядильное волокно. У женской особи этого растения - матерки - волокно грубое.
Пеньковые волокна сходны со льном по своему строению, но грубее льняных волокон и представляют собой еще более одревесневшие клетки. Так же как льняные волокна, они склеены в пучки пектиновыми веществами. Длина отдельных клеток - элементарных волокон - составляет в среднем 10-15 мм, ширина (размер поперечника) -9-40 мкм. Волокна пеньки не столь ровны по длине, имеют более широкий канал и часто - заметные утолщения в продольном направлении. В поперечнике концы пеньковых волокон бывают с боковыми отростками, чего не встречается у льна.
При размоле волокна пеньки хорошо фибриллируются и дают бумагу, отличающуюся чрезвычайной прочностью (более высокой, чем у льна) и долговечностью. Эти свойства пеньки делают полученную из нее высокосортную бумагу незаменимой для изготовления разного рода документов, карт, чертежей.
Другие лубяные волокна - джут, рами, кенаф - имеют еще более жесткую и грубую структуру и поэтому применяются главным образом для изготовления канатов, веревок, шпагатов, а также тарных тканей и упаковочных бумаг.
Древесина. Древесные волокна отличаются более сложной морфологической структурой, меньшей упорядоченностью самих структурных элементов и меньшим содержанием целлюлозы, всего до 40-55%. Соответственно, так называемые спутники целлюлозы присутствуют в древесине в гораздо больших количествах: другие гексозаны (кроме целлюлозы) - 5-10%, пентозаны - 10-20%, лигнин - 20-30%. Поэтому для выделения целлюлозы из древесины приходится применять более жесткие условия обработки (более высокие температуры и давления). Макромолекулы целлюлозы в волокнах древесины короче, чем в волокнах хлопка, льна, пеньки. Средняя степень полимеризации n макромолекул древесной целлюлозы составляет 2500-3000. Таким образом, волокна древесины обладают существенно меньшей механической прочностью.