VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V - COnnecting REpositoriesVpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta Stran 5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Aljani Petek

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Leja Loĉniškar

VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V

BOMBAŢNIH VZORCIH NA POTENCIAL ZETA

Diplomska naloga

Maribor, oktober 2011

Vpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta

Stran 2

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa

VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V BOMBAŢNIH VZORCIH

NA POTENCIAL ZETA

Študent: Leja LOĈNIŠKAR

Študijski program: visokošolski, Kemijska tehnologija

Smer: Kemijska tehnika

Predvideni strokovni naslov: dipl. inţ. kem. tehnol. (VS)

Mentorica: doc. dr. Aljana PETEK

Somentorica:

Lektorica:

dr. Irena PETRINIĆ

Cvetka Jurišiĉ, pred. uĉit. slov. in srbohrvašĉine

IZJAVA Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelala sama, prispevki drugih so posebej oznaĉeni.

Literaturo s podroĉja diplomskega dela sem pregledala po naslednjih elementih:

Vir: Web of Science, Science Direct

Gesla: zeta potential, streaming potential, modacrylic

Skupine gesel (unija itd.): zeta potential

Ĉasovno obdobje: Od leta 1950 do 2011

Število referenc: 58

Število prebranih izvleĉkov: 30

Število prebranih ĉlankov: 11

Število pregledanih knjig: 12

--------------------------

Maribor, oktober 2011 podpis študenta(ke)


Stran 3


Stran 4


Stran 5

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Aljani Petek za

strokovne nasvete in somentorici dr. Ireni Petrinić

za pomoĉ in vodenje pri opravljanju diplomskega

dela. Hermini Bukšek, uni. dipl. inţ. kem. teh., se

zahvaljujem za nasvete in pomoĉ pri

eksperimentalnem delu. Hvala dr. Thomasu

Luxbacherju iz podjetja Anton Paar GmbH za

strokovno usmerjanje.

Lepa hvala tudi mojim staršem za veliko

spodbudnih besed.


Stran 6

VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V BOMBAŢNIH VZORCIH NA POTENCIAL ZETA

Povzetek

Potencial zeta je eksperimentalno doloĉljiva veliĉina in je rezultat delovanja

elektrokinetiĉnih pojavov. Nanaša se na spremembo potenciala na striţni površini med

premikajoĉim in mirujoĉim delom difuzne dvojne plasti. Namen diplomske naloge je bil

ugotoviti kako gostota zloţenosti prej v cilindriĉni celici vpliva na potencial zeta in kakšen

vpliv ima nanj širina reţe pretoĉnega kanala v celici z nastavljivo reţo. Ugotavljali smo tudi

ali so rezultati potenciala zeta prej in pletenin med seboj primerljivi. V naši raziskavi smo

potencial zeta doloĉali z elektrokinetiĉnim analizatorjem SurPASS, ki temelji na merjenju

pretoĉnega toka in pretoĉnega potenciala. Z uporabo tega instrumenta je mogoĉe dobiti

tudi informacijo o realnem potencialu zeta, in ne le o navideznem. Rezultati merjenj v

cilindriĉni celici so pokazali, da z narašĉajoĉo gostoto zloţenosti postaja potencial zeta

vse manj negativen. Rezultati merjenj v celici z nastavljivo reţo pa so pokazali, da širina

reţe pretoĉnega kanala, z izjemo 100% modakrila, ne vpliva na potencial zeta. S

primerjavo rezultatov potenciala zeta prej in pletenin smo ugotovili, da celici dajeta

primerljive rezultate navideznega potenciala zeta. Ugotovili smo tudi, da realni in

navidezni potencial zeta nista primerljiva zaradi velikih razlik v absolutnih vrednostih. Za

informacijo o realnem potencialu zeta bo raziskavo potrebno nadaljevati z merjenjem v

modificirani celici z nastavljivo reţo. Rezultati merjenj v cilindriĉni celic in celici z

nastavljivo reţo so potrdili priĉakovan trend vzorcev glede na vsebnost bombaţa in

modakrila, in sicer da s poveĉano vsebnostjo modakrila potencial zeta postaja vse bolj

negativen.

Ključne besede: potencial zeta, pretoĉni potencial, modakril, cilindriĉna celica, gostota

zloţenosti

UDK: 677.2.017:544.638(043.2)


Stran 7

THE INFLUENCE OF MODACRYL IN COTTON SAMPLES ON ZETA

POTENTIAL

Abstract

The zeta potential is an experimentally determinable parameter and is the result of

electrokinetic phenomena. It refers to the potential change on shear surface between the

moving part and the static part of the diffuse double layer. The aim of the thesis was to

determine the effect of packing density of yarn in a cylindrical cell on zeta potential and

what impact it has the width of slit in the streaming channel in an adjustable gap cell on

zeta potential. We also wanted to determine whether or not the results of zeta potential

measurements of yarn and knitted fabrics are comparable. In our study, zeta potential was

determined with using a »SurPASS« electrokinetic analyzer based on the streaming

current and streaming potential measurement. By using this instrument is it also possible

to get informations about the correct zeta potential, and not just for the apperent zeta

potential. The results of measurements in the cylindrical cell have shown that the higher

the packing density, the less negative the zeta potential. The results of measurements in

the adjustable gap cell have demonstrated that the width of the slit in the streaming

channel, with the exception of 100% modacrylic, does not affect the zeta potential. When

comparing the zeta potential results of yarn and knitwear, it was determined that the

results of apparent zeta potential are comparable between both cells. It was also

determined that the apparent and correct zeta potential are not comparable due to large

differences in absolute values. In order to obtain accurate information on the correct zeta

potential, all further measurements shall be performed in a modified adjustable gap cell.

The results of measurements in the cylindric and adjustable gap cell confirmed the

expected trend of samples, namely depending on the content of cotton and modacrylic –

the higher the content of modacrylic, the more negative the zeta potential.

Key Words: zeta potential, streaming potential, modacrylic, cylindrical cell, packing

density

UDK: 677.2.017:544.638(043.2)


Stran 8

KAZALO VSEBINE

1 UVOD………………………………………………………………………………………………………. 13

2 TEORETIČNI DEL………………………………………………………………… 15

2.1 Tekstilna vlakna…………………………………………………………………………………... 15

2.1.1 Bombaţ………………………………………………………………………………………... 18

2.1.2 Modakril………………………………………………………………………………………... 23

2.1.3 Ognjevarne tekstilije……………………………………………………………………..….... 31

2.1.3.1 Mejni kisikov indeks…………………………………………………………………...... 35

2.1.4 Površinske (elektrokinetiĉne) lastnosti bombaţa in modakrila…………………………... 35

2.2 Elektrokinetični pojavi………………………………………………………………………....... 36

2.3 Električna dvojna plast……………………………………………………………………......... 38

2.4 Določanje pretočnega potenciala/toka oz. potenciala zeta……………………............... 40

3 EKSPERIMENTALNI DEL……………………………………………………………………….. 43

3.1 Uporabljeni vzorci………………………………………………………………………............. 43

3.2 Merilni instrument SurPASS…………………………………………………………………... 45

3.2.1 Opis delovanja merilnega instrumenta SurPASS……………………………….............. 45

3.2.2 Sestavni deli instrumenta SurPASS………………………………………………………... 46

3.2.3 Potek meritev na primeru………………………………………………………………….... 48

3.2.3.1 Priprava raztopine elektrolita………………………………………………………....... 48

3.2.3.2 Namestitev vzorca v merilno celico…………………………………………………... 48

3.2.3.3 Upravljanje instrumenta SurPASS s programom »Visiolab for SurPASS«………. 50

4 REZULTATI IN DISKUSIJA……………………………………………………........................ 60

4.1 Meritve s cilindrično celico…………………………………………………………………….. 61

4.2 Meritve s celico z nastavljivo reţo…………………………………………………………….. 65

4.3 Primerjava med cilindrično celico in celico z nastavljivo reţo…………………………... 68

4.4 Mejni kisikov indeks……………………………………………………………………………… 69

5 ZAKLJUČEK…………………………………………………………………………………………….. 71

6 VIRI IN LITERATURA……………………………………………………………………………….. 73


Stran 9

SEZNAM SLIK

Slika 2 – 1: Zgradba molekule celuloze.………………………………………………… 17

Slika 2 – 2: Razvoj bombaţnega ploda………………………………………………… 18

Slika 2 – 3: Morfološka zgradba bombaţnega vlakna………………………………… 19

Slika 2 – 4: Vzdolţni in preĉni videz bombaţnega vlakna……………………………. 20

Slika 2 – 5: Bombaţna vlakna razliĉne zrelosti…………………………………………. 22

Slika 2 – 6: Shema suhega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine ……………… 26

Slika 2 – 7: Shema mokrega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine ……………. 27

Slika 2 – 8: Molekula MAC………………………………………………………………... 27

Slika 2 – 9: Spiralno zavito in splošĉeno modakrilno vlakno ……………………...… 28

Slika 2 – 10: Modakrilno vlakno z neenakomernim premerom in z navzoĉimi

izboklinami po dolţini ………………………………………………………. 28

Slika 2 – 11: Preĉni prerezi od (a) do (i) razliĉnih modakrilnih vlaken………….…….. 29

Slika 2 – 12: Tipiĉna lastnost »fish eye« (ribje oko) …………………………………… 29

Slika 2 – 13: Cikel širjenja plamena ………………………………………………………. 32

Slika 2 – 14: Prikaz elektrokinetiĉnih pojavov …………………………………………... 37

Slika 2 – 15: Shema elektriĉne dvojne plasti po

Gouy-Chapman-Stern-Grahame modelu…………..…………………….. 40

Slika 2 – 16: Enaĉbe za doloĉanje potenciala zeta …………………………………….. 42

Slika 3 – 1: Vzorci prej…………………………………………………………………….. 44

Slika 3 – 2: Vzorci pletenin……………………………………………………………….. 44

Slika 3 – 3: Cirkulacija elektrolita v instrumentu SurPASS …………………………… 45

Slika 3 – 4: Sestavni deli merilnega instrumenta SurPASS ………………………….. 46

Slika 3 – 5: Sestavni deli nosilca ………………………………………………………… 47

Slika 3 – 6: Cilindriĉna celica……………………………………………………………… 47

Slika 3 – 7: Celica z nastavljivo reţo…………………………………………………….. 48

Slika 3 – 8: Sestavni deli cilindriĉne celice in pripomoĉki za namestitev vzorca…… 49

Slika 3 – 9: Sestavni deli celice z nastavljivo reţo …………………………………….. 50

Slika 3 – 10: Pogovorno okno…………………….………………………………………. 50

Slika 3 – 11: Postavitev cevk pri procesu izpiranja ……………………………………... 51

Slika 3 – 12: Pretok elektrolita v odvisnosti od tlaka v CYC……………………………. 52

Slika 3 – 13: Definirani parametri v predlogi za CYC……………………………………. 53

Slika 3 – 14: Parametri med nastavljanjem širine reţe v AGC…………………………. 55

Slika 3 – 15: Pretok v odvisnosti od tlaka pri razliĉnih širinah reţe v AGC ………….. 56

Slika 3 – 16: Definirani parametri v predlogi za AGC…………………………………… 57

Slika 4 – 1: Pretoĉni potencial za vzorec preje CO40:MAC60 v odvisnosti od tlaka

pri razliĉnih dolţinah ĉepa preje.…..……………….……………………... 61

Slika 4 – 2: Pretoĉni potencial za vse vzorce prej v odvisnosti od tlaka pri dolţini

ĉepa preje l=1,1 cm………….……………………………………………… 62

Slika 4 – 3: Pretoĉni potencial za vse vzorce prej v odvisnosti od tlaka pri dolţini

ĉepa preje l=0,7 cm……………….………………………………………… 63

Slika 4 – 4: Odvisnost navideznega potenciala zeta od gostote zloţenosti prej v


Stran 10

CYC, na podlagi merjenega pretoĉnega toka in potenciala za razliĉne

vzorce sestave bombaţ/modakril……………………………..…………… 64

Slika 4 – 5: A.c. in d.c. upornost pri razliĉnih dolţinah ĉepa preje za vse vzorce….. 65

Slika 4 – 6: Odvisnost navideznega in realnega potenciala zeta od širine reţe

pretoĉnega kanala v AGC, na podlagi merjenega pretoĉnega toka za

razliĉne vzorce pletenin sestave bombaţ/modakrila……………………. 66

Slika 4 – 7: Odvisnost navideznega in realnega potenciala zeta od širine reţe

pretoĉnega kanala v AGC, na podlagi merjenega pretoĉnega

potenciala za razliĉne vzorce pletenin sestave bombaţ/modakril……… 67

Slika 4 – 8: Primerjava navideznega potenciala zeta v CYC, ter navideznega in

realnega potenciala zeta v AGC, na podlagi merjenega pretoĉnega

potenciala za razliĉne vzorce sestave bombaţ/modakril……………….. 68

SEZNAM PREGLEDNIC

Preglednica 2 – 1: Razvrstitev tekstilnih vlaken glede na izvor………………………….. 16

Preglednica 2 – 2: Dolţine in odgovarjajoĉi preseki razliĉnih vrst bombaţnih vlaken… 21

Preglednica 2 – 3: Seznam proizvedenih modakrilnih vlaken.…………………………… 25

Preglednica 2 – 4: Obnašanje tekstilij pri gorenju…………………………………………. 32

Preglednica 2 – 5: Klasifikacija vlaken glede na naĉin gorenja…………………………. 34

Preglednica 3 – 1: Karakteristike uporabljenih vzorcev………………………………….. 43

Preglednica 3 – 2: Rezultati meritve na preji ob upoštevanju aproksimiranega

Helmholtz-Smoluchowskijevega pristopa v CYC…………………… 54

Preglednica 3 – 3: Povpreĉni rezultati meritve na preji ob upoštevanju

aproksimiranega Helmholtz-Smoluchowskijevega pristopa v CYC.. 55

Preglednica 3 – 4: Rezultati meritve na pletenini z upoštevanjem aproksimiranega

Helmholtz-Smoluchowskijevega in Helmholtz-Smoluchowskijevega

pristopa v AGC…………………………………………………………. 58

Preglednica 3 – 5: Povpreĉni rezultati meritve na pletenini z upoštevanjem

aproksimiranega Helmholtz-Smoluchowskijevega in Helmholtz-

Smoluchowskijevega pristopa v AGC……………………………….. 59

Preglednica 4 – 1: Razlike med navideznim ZP (CYC), navideznim ZP (AGC) in

realnim ZP (AGC)……………………… ……………………………... 69

Preglednica 4 – 2: Rezultati merjenja minimalne koncentracije kisika…………………. 70


Stran 11

UPORABLJENE KRATICE

CO bombaţ (ang. Cotton) po DIN 60 001, EDV

MAC modakril (ang. Modacrylic) po DIN 60 001, ISO 2076

LOI mejni kisikov indeks (ang. Limiting Oxgen Index)

TTF tekstilno-tehnološka fakulteta

UV ultravioliĉno valovanje

PAN poliakrilonitril (ang. Polyacrylonitrile) PES poliesterna vlakna

IEP izoelektriĉna toĉka (ang. Isoelectric point)

IHP notranja Helmholtzova ravnina (ang. Inner Helmholtz Plane)

OHP zunanja Helmholtzova ravnina (ang. Outer Helmholtz Plane)

H-S Helmholtz-Smoluchowski

F-M Fairbrother-Mastin

SurPASS elektrokinetiĉni analizator (ang. Surface Potential Analayzer for Solid

Samples)

CYC cilindriĉna merilna celica (ang. Cylindrical Cell)

AGC merilna celica z nastavljivo reţo (ang. Adjustable Gap Cell)

ZP potencial zeta (ang. Zeta Potential)


Stran 12

UPORABLJENI SIMBOLI

R monomer (/)

n polimerizacijska stopnja (/)

dI/dp odvod pretoĉnega toka po tlaku A Pa–1

dU/dp odvod pretoĉnega potenciala po tlaku V Pa–1

L dolţina pretoĉnega kanala m

A presek pretoĉnega kanala m2

R elektriĉna upornost znotraj merilne celice Ω

T temperatura ˚C

Grške ĉrke

potencial zeta V

η viskoznost elektrolita Pa s

ε0 permitivnost vakuuma (8,854 10-12) AsV–1 m–1

εr relativna permitivnost elektrolita (/)

κB specifiĉna elektriĉna prevodnost raztopine elektrolita zunaj

pretoĉnega kanala S m-1


Stran 13

1 UVOD

Tekstilni izdelki nas vsakodnevno spremljajo skozi ţivljenje. V veliki meri jih uporabljamo

za poveĉanje varnosti ter za zagotavljanje zašĉite v nevarnih situacijah. Negorljivost oz.

nizka vnetljivost vlaken spada med vedno bolj zaţelene lastnosti tekstilnih materialov in

zato je le-ta ena izmed najpogosteje zahtevanih funkcionalnih lastnosti. Takšne tekstilije

so tehniĉne tekstilije, prirejene za funkcionalno (namensko) uporabo. Nizka vnetljivost

tekstilnih materialov je torej koristna in tudi uporabna lastnost. Vlakna se razlikujejo po

tem, ali se vnamejo ali ne (so gorljiva ali negorljiva) in pri kateri temperaturi se vnamejo

(temperatura vţiga). Veĉina tekstilij je gorljivih. Mednje uvršĉamo celulozna vlakna

(bombaţ, lan, juta, konoplja, itd.). Bombaţ ima posebne fizikalne in estetske lastnosti, je

naravnega izvora in biorazgradljiv, zato dosega najširši obseg uporabe in predstavlja eno

najbolj zastopanih vlaken v svetovni proizvodnji tekstila. Bombaţna vlakna so lahko

gorljiva (neţelena lastnost), kar pomeni, da gorijo hitro, pri ĉemer se plamen hitro širi

okrog celotnega obmoĉja. Proizvedeni dim lahko povzroĉi opekline, poškodbe dihalnih

poti ali celo smrt. V nasprotju s prej omenjenimi vlakni pa se nekatera sintetiĉna vlakna

(aramid, modakril, azbest, steklo) uprejo vţigu, vendar pri visokih temperaturah lahko

povzroĉijo hude opekline. Modakrilna vlakna se uporabljajo na podroĉju tehniĉnega

tekstilstva zaradi njihove obstojnosti pri visokih temperaturah. Modakrilna vlakna so

kemijsko modificirana poliakrilnitrilna vlakna, kjer se uporabijo kopolimerna vlakna,

sestavljena iz akrilonitrila in vinil klorida ali vinileden klorida. V svoji molekulski strukturi

torej vsebujejo klorove atome, ki zavirajo gorenje. Imajo podobne lastnosti kot volna in

zaradi teh se lahko mešajo v vseh razmerjih.

Za karakterizacijo površin prej in pletenin se kot moţna metoda uporablja metoda

doloĉanja potenciala zeta, (ang. Zeta Potential), ki je eksperimentalno merljiv parameter.

Obstaja veĉ naĉinov, kako ga doloĉiti. Najpogosteje ga doloĉamo na podlagi pretoĉnega

potenciala (ang. Streaming potential) oz. pretoĉnega toka (ang. Streaming current).

Potencial zeta se nanaša na spremembo potenciala na striţni površini med premikajoĉim

in mirujoĉim delom difuzne dvojne plasti. Ob nabiti površini se ustvari plast ionov

elektrolita. Ioni se adsorbirajo preko elektrostatskih interakcij in imajo naboj nasprotnega

predznaka, kot je naboj na nabiti površini. Na vrednost potenciala zeta vplivajo neĉistoĉe,

aditivi, konĉna priprava površine vlaken, adsorpcije vode ali elektrolita idr. Tehnika

doloĉanja potenciala zeta je izjemno obĉutljiva, ker ţe majhne spremembe površine


Stran 14

materiala prinašajo velike spremembe pri vrednosti potenciala zeta. Za doloĉanje

potenciala zeta smo v naši raziskavi uporabili elektrokinetiĉni analizator SurPASS (ang.

Surface Potential Analayzer for Solid Samples), katerega proizvajalec je Anton Paar

GmbH iz Gradca, Avstrija. Merilni instrument deluje na principu merjenja pretoĉnega

potenciala in pretoĉnega toka, ki ga ustvarja gibanje elektrolita skozi pretoĉni kanal

merilne celice. Potencial zeta smo na podlagi izmerjenega pretoĉnega toka, dI/dp oz.

pretoĉnega potenciala, dU/dp ovrednotili z aproksimiranim Helmholtz-Smoluchowskijevim

(H-S) pristopom, kot tudi s Helmholtz-Smoluchowskijevim (H-S) pristopom. Kljuĉni del

instrumenta SurPASS predstavlja merilna celica. Meritve so bile izvedene z uporabo dveh

merilnih celic, in sicer s cilindriĉno celico, CYC (ang. Cylindrical Cell) in s celico z

nastavljivo reţo, AGC (ang. Adjustable Gap Cell).

Glede na kompleksnost merjenj pretoĉnega toka/potenciala za doloĉitev potenciala zeta

tekstilnih materialov, se je pojavila potreba po tem, da se ugotovi vpliv doloĉenih

parametrov na potencial zeta ob uporabi razliĉnih merilnih celic. Namen diplomske naloge

je bil raziskati, kako gostota zloţenosti prej v cilindriĉni celici, CYC, vpliva na potencial

zeta in kakšen vpliv ima nanj širina reţe pretoĉnega kanala v celici z nastavljivo reţo,

AGC, v primeru merjenja pletenin. Ugotoviti smo ţeleli tudi, ali so rezultati potenciala zeta

prej in pletenin med seboj primerljivi. V diplomski nalogi smo prikazali tudi rezultate

mejnega kisikovega indeksa, LOI, za iste pletenine, katerih meritve so bile izvedene na

Tekstilno-tehnološki fakulteti v Zagrebu. LOI-indeks pomeni minimalno potrebno vsebnost

kisika v zraku, da vlakno zagori. Ta informacija nam daje podatek o relativni vnetljivosti

tekstilij. Višja kot je LOI-vrednost, tem bolj je pletenina ognjevarna.

Diplomsko delo je strukturirano iz sedmih poglavij, in sicer iz Uvoda, kateremu sledi

Teoretiĉni del, kjer so predstavljene teoretiĉne osnove bombaţa, modakrila in potenciala

zeta. V Eksperimentalnem delu je opisan merilni instrument »SurPASS«, merilni celici in

opis poteka meritev. Poglavje Rezultati in diskusija vsebuje grafiĉno predstavljene

rezultate naše raziskave in njihove razlage. Omenjenemu poglavju sledi Zakljuĉek, v

katerem so podane temeljne ugotovitve naše raziskave. Sledita še poglavji Viri in

literatura ter Priloge.


Stran 15

2 TEORETIČNI DEL

2.1 Tekstilna vlakna

Vlakna (ang. Fibers) so gibka, tanka, paliĉasta telesa, za katera je znaĉilna velika dolţina

in majhna širina ter relativno visoka trdnost. Vlakno je osnovna surovina za izdelavo

tekstilnih materialov. Pridobijo jih iz naravnih materialov ali pa jih izdelajo iz umetnih snovi.

V tekstilne polizdelke in izdelke (preje, vrvice, tkanine, pletiva, itd.) jih predelajo s postopki

predenja, tkanja, pletenja, vezenja. Med seboj se loĉijo po obliki in številnih fizikalnih,

kemiĉnih in bioloških lastnostih. Za obdelavo in predelavo morajo vlakna biti trdna,

trpeţna, raztezna, elastiĉna, voljna, proţna, sprejemljiva za barvila in odporna zoper

vlago. Vsakodnevno smo v stiku z oblaĉili, ki so iz vlaken in nam polepšajo videz ter

zašĉitijo telo pred mrazom, vroĉino, vlago, ognjem, strupi, vrezi in udarci. Idealnega

vlakna, ki bi zadostilo zahtevam in potrebam ĉloveka na vseh podroĉjih, ni. [1, 2]

Zgodovinski razvoj tekstilnih vlaken

Razvoj tekstilnih vlaken sega vse v obdobje prazgodovine. Ljudje so ţe takrat uporabljali

surovine, ki jih je narava nudila, koţe in krzna ţivali ter vlakna razliĉnih rastlinskih delov.

Oblikovana so bila v preprosta oblaĉila, ki so ĉloveku varovala telo. Prvi so ugotovili

uporabo naravnih vlaken Azijci. Mezopotamci so prvi zaĉeli izkorišĉati ovĉjo volno,

Egipĉani lan, Indijci bombaţ (soĉasno so bombaţ odkrili tudi Perujci) in Kitajci svilo.

Ĉlovek izkorišĉa bombaţ ţe 8.000 let. Vse do konca 18. stoletja so bili vsi tekstilni izdelki

izdelani roĉno. Razvile so se tehnike predenja, tkanja in pletenja. Šele z industrijsko

revolucijo je predelava vlaken iz obrtne dejavnosti prerasla v industrijsko proizvodnjo. To

je omogoĉilo veĉjo proizvodnjo tekstilnega blaga in pospešilo porabo vlaken. Do konca

19. stoletja je bila narava edini vir tekstilnih vlaken. V 20. stoletju so odkrili kemiĉna vlaka

(nova vlakna). Ta so nato delno nadomestila naravna vlakna. [2, 3, 4]

Vlakna razvršĉamo na veĉ naĉinov. Glede na izvor se delijo na naravna (ang. Natural

fibers) in kemiĉna (ang. Man-made fibers) vlakna, kar prikazuje preglednica 2 – 1.

Naravna vlakna so vlaknate naravne tvorbe (deli rastlin, ţivali, rudnin), ki jih s primernimi

postopki pridobijo, osamijo, oĉistijo in predelajo v tekstilne izdelke. Naravna vlakna


Stran 16

razdelimo na rastlinska in ţivalska vlakna. Rastlinska vlakna so bombaţ, konoplja ter lan,

gradnik omenjenih vlaken je celuloza. Ţivalska vlakna so volna, svila in razne dlake.

Gradnik teh vlaken je beljakovina. Kemiĉna vlakna so industrijsko izdelana vlakna iz

naravnih ali s sintezo dobljenih polimernih snovi. Kemiĉna vlakna iz naravnih polimerov

razdelimo na regenerirana celulozna vlakna, modificirana celulozna vlakna, vlakna iz

lateksa in alg. Vlakna iz sintetiĉnih polimerov pa razdelimo na polimerizacijska,

poliadicijska in polikondenzacijska. [4, 5]

Preglednica 2 – 1: Razvrstitev tekstilnih vlaken glede na izvor [6].


Stran 17

Rastlinska (celulozna) vlakna

Celuloza je naravni polimer, sestavljena je iz veĉ molekul glukoze, ki so med seboj

povezane. Nastaja pri fotosintezi v zelenih rastlinah. Pri procesu fotosinteze, kjer se iz

vode in ogljikovega dioksida, pod vplivom sonĉne svetlobe in ob delovanju ustreznih

encimov, najprej tvori glukoza, ki se pretvori v celibiozo in ta dalje v celulozo. Pri procesu

se sprošĉa kisik. Celuloza je oporna snov rastlin in se kopiĉi v steblih, listih, plodovih in

celo v semenih. To so deli rastlin, kjer je lahko celuloza v vlaknati obliki. Deleţ celuloze se

razlikuje glede na vrsto celuloznih vlaken. Najĉistejša celuloza v naravi je bombaţ, ki

vsebuje kar 91% te vlaknate snovi. Celuloza je glavna sestavina rastlinskih vlaken, zato

jih imenujemo tudi celulozna vlakna. Celulozna vlakna (ang. Cellulose fibers) v vodi niso

topna, vendar so higroskopiĉna. To pomeni, da se voda veţe na molekule celuloze in

povzroĉa nabrekanje. [3, 7]

Slika 2 – 1: Zgradba molekule celuloze [3].

Polimerizacijska sintetiĉna vlakna

Polimerizacija je reakcija, kjer se veliko število istovrstnih nenasiĉenih majhnih molekul

spaja v velike molekule ali makromolekule (polimeri) [8]. Polimerizacija je veriţna reakcija,

ki se zaĉne zaradi delovanja svetlobe, toplote, pritiska, zvoka ali katalizatorjev. Zaĉetno

reakcijo polimerizacije imenujejo startna reakcija. Reakcijski zmesi dodajo, ĉe je potrebno,

še regulatorje, ki zagotavljajo prekinitev polimerizacije pri doloĉeni polimerizacijski stopnji.

Konĉni polimerizat ima isto empiriĉno sestavo kot monomer, iz katerega je polimerizat

nastal. Za polimerizacijo velja splošna enaĉba [9]:

n · R = [R]n (2.1)

kjer so: R – monomer, ki sestavlja polimer in

n – število monomerov, ki se spajajo v polimer

(polimerizacijska stopnja).

Polimerizacijo lahko izvedejo tudi z dvema ali veĉ razliĉnimi monomeri, v tem primeru

dobijo heteropolimere ali kopolimere [8]. Veĉina sintetiziranih polimerov, iz katerih so

današnja vlakna, so kopolimeri. Imajo boljše lastnosti kot homopolimeri: na primer imajo

niţje tališĉe, boljšo obarvljivost, izboljšane mehanske lastnosti, npr. elastiĉnost, itd… [2]


Stran 18

2.1.1 Bombaţ

Bombaţ, CO (ang. Cotton), je naravno tekstilno vlakno rastlinskega (semenskega) izvora.

Semenska vlakna so celice, ki rastejo iz koţice semen. Gre torej za predelane semenske

nitke semen rastline bombaţevec (Gossypium).

Danes bombaţ gojijo na velikih plantaţah Amerike, Indije, Egipta in drugod po svetu, kjer

so primerni klimatski pogoji, saj potrebuje tropsko in subtropsko podnebje. Za vsako

drţavo, kjer ga gojijo, je bombaţ industrijsko zelo pomembna surovina. Na plantaţah ga

gojijo kot zel, grmiĉ in redkeje kot drevo. Je veĉletna rastlina, vendar ga vsako leto na

novo vzgojijo. Potrebuje mnogo toplote, vlage in sonca. V mrzlih, vetrovnih legah in v

senci drugih rastlin ne uspeva dobro. Semena sejejo v dobro preorano, zrahljano zemljo,

obogateno z humusom in hranilnimi snovmi. Pribliţno teden dni po setvi semena vzklijejo.

Po šestih tednih se na nizkih grmih bombaţevca z dlanasto deljenimi listi pojavijo prvi

popki, ki se pozneje razvijejo v lepe, velike cvetove. Zunanjo ĉašo cveta sestavljajo trije

nazobĉani listi. Cvete v roţnati, beli in krem barvi, kar prikazuje slika 2 – 2a. Iz cveta se

razvije plod, ki je rjav in nekoliko veĉji kot oreh. Prikazan je na slika 2 – 2b. V vsakem

plodu je 10 – 40 ĉrno rjavih ali temno zelenih semen. Iz pokoţice enega semena se

razvije pribliţno 2000 do 7000 vlaken, vendar vsako vlakno tvori ena celica. V zaprtem

plodu se vlakna med seboj ovirajo, nastaja pritisk, saj ţeli vsako vlakno (celica) ĉim prej k

svetlobi. To oviranje povzroĉi, da se vlakna svedrasto zvijejo. Ti zavoji so neprecenljive

vrednosti za nadaljnjo predelavo vlaken. Po nekaj tednih plod poĉi in bombaţna vlakna v

nekaj dneh na zraku in soncu dozorijo (slika 2 – 2c). Med zorenjem prehaja olje iz semen

v vlakna, ta dobijo lepši lesk, trdnost in razteznost. Ĉez šest mesecev se zaĉne dolga

sezona obiranja. Ker ves bombaţ ne dozori naenkrat, ga obirajo veĉkrat. Obirajo ga roĉno

ali strojno. Obirajo samo popolnoma zreli bombaţ, saj so nezrela vlakna slabše kvalitete.

Obran bombaţ sušijo, obraĉajo, ĉistijo. Ĉišĉenje bombaţnih glavic pomeni loĉevanje

semen od vlaken. Oĉišĉena vlakna stiskajo v velike, v juto zavite bale.

Danes je bombaţ najbolj pomembno rastlinsko vlakno na svetu. Iz njega tkejo blago,

bodisi samo iz ĉistega bombaţa ali pa v kombinaciji z drugimi vlakni. [7, 10, 11]

(a) (b) (c)

Slika 2 – 2: Razvoj bombaţnega ploda

(a) Cvetoĉi bombaţevec, (b) plod bombaţevca in (c) odprt plod z bombaţnimi vlakni na

površini [12, 13, 14].

Kemiĉna sestava bombaţnega vlakna


Stran 19

Kemiĉna sestava bombaţnih vlaken je odvisna od sorte in pogojev med rastjo. Po

kemijski zgradbi je sestavljen iz 91% celuloze, 7,85% vode, 0,55% protoplazme in

pektinskih snovi, 0,40% voska in mastnih snovi ter iz 0,2% mineralnih soli. [15]

Strukturne znaĉilnosti bombaţnega vlakna

S strukturo opisujemo sestavo celiĉne stene vlaken. Celuloza je sestavni del celiĉnih sten.

Bombaţno vlakno ima plastno strukturo. Notranji del bombaţnega vlakna predstavlja z

zrakom napolnjena cevka, lumen, ki zavzema 2/3 širine vlakna in se proti koncu zoţuje. V

njem je ob rasti protoplazma, ki prehranjuje vlakno in se z dozorevanjem vlakna posuši.

Lumen obdaja terciarna celiĉna stena, v kateri se nahajajo nabrekljive pektinske snovi,

hemiceluloza, naravna barvila, itd. Sledi veĉ plasti sekundarne celiĉne stene, v kateri je

najveĉ razliĉnih plasti vzporedno razporejenih celuloznih fibrilov. Nad njo je primarna

celiĉna stena, sestavljena iz celuloze, pektinov, voskov in proteinov. Zunanja plast

bombaţnega vlakna se imenuje povrhnjica ali kutikula. Povrhnjica sestoji v glavnem iz

voskov, mašĉob in pektina. Kutikula šĉiti vlakno pred zunanjimi vplivi. Ĉim debelejše so

celiĉne stene in ĉim manjši je lumen, tem trdnejše je vlakno. [16, 17, 18]

Slika 2 – 3: Morfološka zgradba bombaţnega vlakna [3].

Karakteristiĉen videz bombaţnega vlakna prikazuje slika 2 – 4, narejena pod elektronskim

mikroskopom. Slika 2 – 4a prikazuje karakteristiĉno strukturo bombaţnega vlakna, po

kateri je vlakno prepoznavno in je po tem tudi identificirano. Na sliki 2 – 4b je viden preĉni

prerez bombaţnih vlaken.


Stran 20

(a) (b)

Slika 2 – 4: Vzdolţni in preĉni videz bombaţnega vlakna

(a) Mikroskopska slika vzdolţnega videza bombaţnega vlakna, (b) mikroskopska slika

preĉnega prereza bombaţnih vlaken [19].

Lastnosti in znaĉilnosti bombaţnih vlaken [1, 3, 16, 19]

Ĉistost

Ĉistost bombaţa je odvisna zlasti od izvora. Ta karakteristika se nanaša na koliĉino

razliĉnih primesi v surovem bombaţu (ostanki semen, listja, stebel, zemlje, praha, peska,

itd…). Vlakna, pridobljena z roĉnim obiranjem, vsebujejo manj takšnih primesi (1,5%) od

vlaken bombaţa, ki je bil obran strojno (do 15%). Zaţelena je ĉim veĉja ĉistoĉa vlaken, saj

neĉistoĉe zelo zniţajo vrednost bombaţa.

Barva

Barva bombaţa je odvisna od rastlinskih pigmentnih barvil, ki so v primarni steni in lumnu.

Barvila nastajajo v vlaknu šele tik pred zorenjem. Barva bombaţa je odvisna od vrste,

zrelosti in klimatskih pogojev, pri katerih je rastlina rastla. Bombaţna vlakna so preteţno

bele do bledo rumene barve. Zdrav, zrel in kvaliteten bombaţ je bele barve. Odstopanja

od bele barve pomenijo slabšo kvaliteto bombaţa.

Dolţina vlaken

Dolţina vlaken je eden najpomembnejših podatkov za doloĉevanje kakovosti bombaţa.

Bombaţna vlakna so relativno kratka. Dolţina vlaken med razliĉnimi sortami bombaţa je

razliĉna in tudi v isti sorti bombaţa najdemo daljša in krajša vlakna. Za predelavo je

zaţeleno, da so vlakna ĉim daljša, da je med njimi ĉim manjša razlika v dolţini in da se

ţe v surovem bombaţu odstranijo kratka vlakna, in sicer do dolţine 12,5 mm. Takšna

vlakna se laţje predejo. Ĉim daljša so vlakna, tem finejše preje lahko iz njih spredejo.

Dolţina vlaken se giblje od 10 do 60 mm. Dolţina vlakna in stopnja razvitosti sekundarne

stene je odvisna od stopnje rasti rastline, tako obstaja tudi povezava med dolţino vlakna

in videzom njegovega preĉnega prereza. Daljša vlakna imajo na splošno bolj razvito

sekundarno steno, vendar pa je vse to odvisno od sorte bombaţa.


Stran 21

Preglednica 2 – 2: Dolţine in odgovarjajoĉi preseki razliĉnih vrst bombaţnih vlaken [19].

Finost vlaken

Bombaţna vlakna so na splošno fina vlakna. Obiĉajno se finost vlaken nahaja v obmoĉju

od 12,5 do 42 tex. Finost (debelina) bombaţa je odvisna od vrste bombaţa oziroma

njegove dolţine. Ĉim daljše je vlakno, tem finejše je. Na finost vpliva tudi zrelost

bombaţa. Nezrela vlakna so zelo fina, a slabih mehanskih lastnosti in slabo obarvljiva.

Finost je lastnost vlaken, ki se izraţa z razmerjem med maso in dolţino vlakna. Finost

imenujemo tudi dolţinska masa vlaken. Od te lastnosti je odvisna trdnost preje, mehkost,

lesk in otip. Izraţamo jo z enotami tex, dtex, mtex. [7]

Zrelost

Zrelost bombaţa se opredeljuje s stopnjo razvitosti sekundarne stene. Po odstotku zrelih

vlaken v vzorcu ga delimo na:

zreli bombaţ, ki ima nad 82% zrelih vlaken,

srednje zreli bombaţ s 76 – 81% zrelih vlaken,

nezreli bombaţ s 70 – 75% zrelih vlaken in

zelo nezreli bombaţ, ki ima pod 70% zrelih vlaken.

Deleţ zrelih in mrtvih vlaken se z razliĉnimi ocenjevalnimi postopki doloĉa z opazovanjem

pod mikroskopom. Slika 2 – 5 prikazuje razlike v obliki, glede na zrelost vlaken. Nezrela

vlakna se teţje predelajo v preje in so slabše kvalitete kot zrela. Zrela vlakna dajo

enakomernejše, kakovostnejše preje, boljše absorbirajo barvila in se enakomerneje

obarvajo.


Stran 22

Slika 2 – 5: Bombaţna vlakna razliĉne zrelosti

(a) mrtva vlakna imajo razvito samo primarno steno, (b) nezrela vlakna imajo slabo

razvito sekundarno steno, (c) zrela vlakna imajo zelo dobro razvito sekundarno

steno [19].

Trdnost

Za bombaţna vlakna lahko reĉemo, da so dokaj trdna in spadajo v skupino srednje trdnih

vlaken. Vendar trdnost variira v odvisnosti od vrste bombaţa in se razteza v obmoĉju od

16 do 52 cN/tex. Trdnejša vlakna omogoĉajo trdnejše preje. Zanimivo je, da so vlakna v

mokrem stanju trdnejša kot pa v suhem. Poveĉana trdnost v mokrem je posledica

nabrekanja vlakna in poveĉanega trenja med plastmi. Trdnost mokrega bombaţa je veĉja

za 5 – 20%. Pretrţni raztezek je 5 – 10% in nanj moĉno vpliva vlaga. Pri normalnih

klimatskih pogojih je pretrţni raztezek 5%, pri nasiĉeni vlagi pa se poveĉa na 10%.

Bombaţno vlakno je relativno odporno proti deformacijam. Je zelo neelastiĉno. Pri 2%

raztezku je stopnja elastiĉnostnega povratka 75%, pri 5% raztezku pa le še 45%.

Vpojnost vlage

Higroskopiĉnost bombaţa ni pomembna le pri predelavi, temveĉ tudi pri uporabi. Zaradi

posebne strukture in kemiĉne sestave sprejema bombaţ vlago iz zraka. Bombaţno vlakno

je zelo dobro higroskopiĉno. Veţe lahko 5 – 9,5% vlage pri standardnih pogojih, t.j. pri

65% relativni vlaţnosti, 15% pri 95% relativni vlaţnosti in 25 – 27% pri 100% relativni

vlaţnosti. V primerjavi z drugimi naravnimi vlakninami je higroskopiĉnost bombaţa

majhna. Zaradi svoje higroskopiĉnosti in hidrofilnosti bombaţna vlakna niso nagnjena k

statiĉnemu naelektrenju.

Gostota

Bombaţ spada med vlakna s srednjo gostoto. Gostota je 1,53 – 1,56 g/cm3. V primerjavi s

sintetiĉnimi tekstilnimi vlakni pa ima bombaţ visoko gostoto.


Stran 23

Toplotna odpornost

Bombaţna vlakna so lahko gorljiva in tudi gorijo naprej, ĉe jih odmaknemo z direktnega

plamena, in torej ne ugasnejo sama. Gorijo dobro in hitro, z rumenim plamenom. Pri

segrevanju bombaţnih vlaken s suho toploto pri temperaturi 50ºC le-ta posteklenijo. Pri

temperaturah med 120ºC in 150ºC vlakna spremenijo barvo, pri temperaturah nad 200ºC

pa se vlakna poškodujejo. Do samovţiga bombaţnih vlaken lahko pride pri 400ºC, pri

temperaturi nad 430ºC pa zoglenijo. Visoke temperature povzroĉijo oksidacijo in

porumenitev. Mejni kisikov indeks bombaţnih vlaken je 19.

Odpornost na mikroorganizme in insekte

Pod doloĉenimi pogoji (npr. vlaţna skladišĉa) se lahko na bombaţnih vlaknih razvijejo

glive, plesni in bakterije, ki pa vlaken ne poškodujejo. Odpornost na glive, plesni in

bakterije je pri beljenem bombaţu dobra, pri nebeljenem pa slaba. Na poškodovanem

bombaţnem tekstilu so vidni temni madeţi. Molji bombaţa ne poškodujejo.

Odpornost na svetlobo in staranje

Bombaţna vlakna izgubijo na trdnosti, ĉe so dalj ĉasa izpostavljena UV ţarkom. Na

splošno so bombaţna vlakna zelo dobro odporna na staranje. Ĉe se bombaţ pravilno

hrani (v suhem in temnem prostoru) za daljše ĉasovno obdobje, je izguba na trdnosti

minimalna.

Odpornost na kemikalije

Bombaţ je odporen proti alkalijam in organskim topilom, koncentrirane anorganske kisline

pa ga zelo moĉno poškodujejo.

2.1.2 Modakril

Modakrilna, MAC (ang. Modacrylic), vlakna so sintetiĉni homopolimeri ali kopolimeri.

Naravno so odporna proti ognju [20]. Vkljuĉevanje halogenskih monomerov daje tem

vlaknom visoko stopnjo odpornosti proti ognju. Modakrilna vlakna so bila prva sintetiĉna

vlakna, ki so bila negorljiva, zelo teţko vnetljiva, samougasljiva in niso kapljala.

Modakrilna vlakna imajo podobne lastnosti kot akrilna vlakna. Veĉje razlike so v tem, da

so modakrilna vlakna negorljiva in imajo boljšo toplotno odpornost v primerjavi z akrilnimi.

[21] So pa tudi manj vzdrţljiva od akrilnih, se ne meĉkajo, imajo zmerno dimenzijsko

stabilnost, visok elastiĉni povratek in dobro obdrţijo barvo [22]. Zato se MAC vlakna

uporabljajo kot sestavina v pohištvu (preproge, zavese, odeje), oblaĉilih (piţame za

otroke, umetno krzno, obloge in okraski) in v drugih raznovrstnih izdelkih, kot so lasulje,

plišaste igraĉe, soboslikarski valji. Modakrilna vlakna se uporabljajo tudi v avtomobilski in

letalski industriji. [21] Za modakrilna vlakna obstaja kar nekaj definicij, kot sledi:

»Federal Trade Comission« opredeljuje modakrilna vlakna kot vlakna, izdelana iz

predilne snovi, v kateri je vsaka dolga veriga sintetiĉni polimer, sestavljen iz manj kot 85%

in najmanj 35% teţe akrilonitrilnih (PAN) enot [23].

»Burean International pourla standardization de la Rayonmet des Fibres

Synthetiques (BISFA)« pa opredeljuje modakrilna vlakna kot vlakna, ki vsebujejo med

50% in 85% mase akrilonitrila v verigi [24].


Stran 24

»Modakrilna vlakna (MAC)« so multipolimerizati, ki vsebujejo najmanj 35% in

najveĉ 85% akrilonitrila [9].

Zaĉetek komercialne proizvodnje modakrilnih vlaken je bil leta 1949 v »Union Carbide

Corporation« v Ameriki. Na zaĉetku so modakrilna in akrilna vlakna uvršĉali v eno

skupino, in sicer zaradi podobne sestave. Leta 1960 je »Federal Trade Commision« loĉila

modakrilna in akrilna vlakna. Modakrilna vlakna so od takrat naprej samostojna skupina.

[20] Prvo modakrilno vlakno, proizvedeno leta 1948 v »Union carbide Corporation« v

Ameriki, je bilo Dynel. Leta 1976 je bilo devet proizvajalcev modakrilnih vlaken v petih

razliĉnih drţavah. Do leta 1985 ni bilo velikih sprememb na tem podroĉju, dokler ni izšel

prvi znanstveni ĉlanek v forenziĉni reviji o priznavanju in prepoznavanju teh vlaken. Od

takrat se je marsikaj spremenilo. Razvili so se nove vrste modakrilnih vlaken, nekatere

vrste pa so opustili. Leta 1991 je bilo na voljo sedem modakrilnih vlaken z zelo razliĉnimi

kemijskimi sestavami. [24] V preglednici 2 – 2 so prikazana modakrilna vlakna skozi

zgodovino.


Stran 25

Preglednica 2 – 3: Seznam proizvedenih modakrilnih vlaken [24].

Proizvodnja modakrilnih vlaken

Modakrilna vlakna proizvajajo s polimerizacijo komponent. Osnovni monomer je akrilonitril

(H2C=CHCN), ki vsebuje dvojno vez v verigi polimera. Z uporabo ustreznega redoks

iniciatorja, v dvojni vez monomera razpade π – vez in iz molekule nastane radikal, ki je

izrazito reaktiven. Na nastali reaktiven radikal se veţe naslednja molekula monomera in

naslednja molekula drugega monomera, itd. Na ta naĉin molekula hitro raste in nastane


Stran 26

linearni makromolekulski ĉlen – makroradikal (polimer), kateremu je rast prekinjena, ko se

doseţe zadovoljiva stopnja polimerizacije. Druga prevladujoĉa komponenta pri

pridobivanju polimerov za modakrilna vlakna je halogenski monomer. Halogenski

monomer je obiĉajno vinil-klorid (CH2=CHCl) ali vinileden-klorid (CH2=CCl2). Ko je

doseţena zadovoljiva stopnja polimerizacije, sledi raztapljanje polimerizata v topilu.

Uporabljajo se topila z relativno nizkim vrelišĉem, npr. aceton. Nastane teţko tekoĉa

zmes, imenovana predilna raztopina. Za izpredanje vlaken se lahko uporablja suhi (slika 2

– 6) ali mokri (slika 2 – 7) postopek. Predilna raztopina se vodi do predilne šobe s

pomoĉjo ĉrpalk. Z iztiskanjem predilne raztopine skozi luknjice predilne šobe v tok

vroĉega zraka pri suhem predenju, kjer topilo izhlapi, se vlakna strdijo. Pri mokrem

predenju se predilna raztopina vodi preko šob v koagulacijsko kopel, kjer se topilo, v

katerem je polimer raztopljen, nevtralizira in vlakna se strdijo. Zasnova strukture in s tem

zasnove lastnosti vlaken se zaĉnejo v predilni šobi, in sicer pri toku predilne raztopine

skozi tanke šobe in dalje, vse dokler se polimerni curek v predilnem jašku ne strdi. Med

odstranjevanjem topila poteka soĉasno tudi delna kristalizacija polimera. Nastala vlakna

se nato raztezajo in segrevajo. Pri raztezanju se preoblikuje struktura oblikovanih vlaken.

Raztezna sila povzroĉi rušenje in drobljenje kristalnih tvorb, ki so nastale pri strjevanju

vlaken, in njihovo preoblikovanje v mikrofibrile. Po raztezanju so vlakna izpostavljena

povišani temperaturi (toplotnemu stabiliziranju), da se doseţe dimenzijska stabilnost

vlaken. Sledi nanašanje preparacijskih sredstev (za zbijanje statiĉnih lastnosti), kodranje,

sušenje in rezanje vlaken. Suho predenje daje bolj gladka in manj porozna vlakna, kot pa

bi jih dobili z mokrim predenjem. Rezano vlakno Dynel se proizvaja z mokrim predenjem,

Vercel je pa suho predeno vlakno. Proizvodnja MAC vlaken je zelo podobna proizvodnji

akrilonitrilnih vlaken. [2, 7, 21, 24]

Slika 2 – 6: Shema suhega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine [2].


Stran 27

Slika 2 – 7: Shema mokrega predenja modakrilnih vlaken iz raztopine [2].

Kemiĉna sestava modakrilnega vlakna

Modakrilna vlakna so sestavljena iz 35 – 85% akrilonitrila in 15 – 65% vinil-klorida ali

vinileden-klorida [19].

Slika 2 – 8: Molekula MAC [19].

Strukturne znaĉilnosti modakrilnega vlakna

Modakrilna vlakna so sestavljena iz komonomerov, ki imajo velike nitrilne (-C≡N) skupine

na straneh. Zaradi teh skupin prihaja do minimalnih intermolekularnih sil v strukturi.

Makromolekule se med seboj povezujejo z Van der Waals-ovimi vezmi. Pri tem ne

moremo govoriti o pravilni tridimenzionalni kristalni strukturi, kot je to pri veĉini drugih

vlaken. Modakrilna vlakna vsebujejo pribliţno 40% kristalnih podroĉij. Deleţ kristalnih

podroĉij v vlaknu je doloĉen s polimerom, ki ga gradi.

Modakrilna vlakna se lahko pojavijo v razliĉnih oblikah, od katerih nekatere ne kaţejo

obiĉajnih lastnosti in jih zlahka zamenjamo z akrilnimi vlakni. Morfološko obstaja nekaj

znaĉilnosti, ki kaţejo, da je vlakno modakrilno, ne pa akrilno. Vlakna so lahko spiralno

zavita in splošĉena (slika 2 – 9) in/ali imajo zelo neenakomeren premer ali pa so navzoĉe

kjer je: X=H, Y=Cl (vinil-klorid)

ali

X=Y=Cl (vinileden-klorid).


Stran 28

izbokline po dolţini (slika 2 – 10). Pojavljajo se preĉni prerezi oblik, ki jih ni mogoĉe najti v

akrilnih vlaknih (slika 2 – 11). [2, 21, 24]

Slika 2 – 9: Spiralno zavito in splošĉeno modakrilno vlakno [24].

Slika 2 – 10: Modakrilno vlakno z neenakomernim premerom in z navzoĉimi izboklinami

po dolţini [24].


Stran 29

Slika 2 – 11: Preĉni prerezi od (a) do (i) razliĉnih modakrilnih vlaken [24].

Kadar v raztopini ostanejo neraztopljeni delci polimera, nastanejo vlakna z znaĉilnim

videzom. Oznaka za to tipiĉno lastnost je »fish eye« (ribje oko), kar je vidno na sliki 2 –

12. [24]

Slika 2 – 12: Tipiĉna lastnost »fish eye« (ribje oko) [24].

Lastnosti in znaĉilnosti modakrilnih vlaken [2, 7, 9, 19, 20, 21, 24, 25, 26]


Stran 30

Barva

Modakrilna vlakna so kremaste ali bele barve. Proizvajajo jih v rezani obliki in obliki

pramenov.

Dolţina vlaken

Dolţina vlaken se giblje med 28 mm in 120 mm [27].

Finost vlaken

Finost vlaken se nahaja v obmoĉju od 1,5 do 20 dtex.

Trdnost

Vlakna so srednje trdnosti in so dvakrat moĉnejša od volnenih vlaken. Dobro so odporna

proti obrabi. Trdnost vlaken se giblje v obmoĉju od 17 do 55 cN/tex in je odvisna od

oblike prereza. Natezna trdnost v suhem je 15 – 30 cN/tex, v mokrem pa 1,5 – 25 cN/tex.

V mokrem stanju se trdota zmanjša za pribliţno 5%. Pretrţni raztezek v suhem je 25 –

45% in v mokrem 27 – 48%. Je elastiĉno vlakno. Pri 2% raztezku je stopnja elastiĉnega

povratka 95 – 99%, pri 5% raztezku pa 80 – 95%.

Vpojnost vlage

Njihova vpojnost je nizka. Imajo niţjo absorbcijsko moĉ kot naravna vlakna. Veţe lahko

0,4 – 4,0 % vlage pri standardnih pogojih, t.j. pri 65% relativni vlaţnosti.

Gostota

Modakrilna vlakna imajo relativno nizko gostoto, ki znaša 1,35 – 1,37 g/cm3.

Toplotna odpornost

Pri temperaturi med 135 – 160ºC se vlakna zaĉno mehĉati. Pri temperaturi med 200 -

210ºC se vlakna talijo. Modakrilna vlakna niso termoplasti. Segrevanje vlaken pri visokih

temperaturah nad 250ºC pomeni njihov razpad brez taljenja. Vedenje modakrilnih vlaken

pri gorenju je precej drugaĉno od vedenja bombaţnih vlaken. Zaradi vsebnosti spojin

klora v komonomeru se doseţejo lastnosti, ki zmanjšajo gorljivost in vnetljivost vlaken.

Modakrilna vlakna so samougasna, to pomeni, da ko jih odstavijo z ognja, prenehajo

goreti. Torej je njihova glavna znaĉilnost to, da so teţko gorljiva. Mejni kisikov indeks je

odvisen od odstotka komonomera, ki vsebuje halogen (klor) in se giblje med 26 – 31.

Modakrilna vlakna so slabi prevodniki toplote.

Odpornost na mikroorganizme in insekte

Ţivalski škodljivci (molji), bakterije in plesni ne naĉenjajo vlaken. Odpornost proti trohnenju

je dobra.

Odpornost na svetlobo in staranje

Modakrilna vlakna so odliĉno odporna na sonĉno svetlobo. Tudi dolgotrajna

izpostavljenost soncu ne vpliva negativno na trdoto vlaken. Modakrilna vlakna se ne

starajo. Vlakna porumenijo šele pri zelo dolgem osvetljevanju s sonĉno svetlobo.


Stran 31

Odpornost na kemikalije

So odporne na kisline, šibke baze in veĉino organskih topil.

2.1.3 Ognjevarne tekstilije

Vsi tekstilni materiali gorijo, vendar so nekateri bolj gorljivi kot drugi. Negorljivost oz. nizka

vnetljivost tekstilij je ena najbolj zaţelenih lastnosti. Lastnosti tekstila so odvisne od

znaĉilnosti osnovnih vlaken. Naravna vlakna, kot so bombaţ, lan in svila gorijo hitreje kot

volna in nekatera sintetiĉna vlakna. Bombaţ je zaradi svojih lastnosti vsestransko

uporaben. Je vpojen material in »diha«. Neţelene lastnosti, kot so krĉenje,

hidrofilnost/hidrofobnost in gorljivost se lahko z razliĉnimi plemenitilnimi postopki in z

mešanjem bombaţa s sintetiĉnimi vlakni zmanjšajo. Za veĉjo odpornost proti ognju se

lahko dodajo modakrilna vlakna, ki so skoraj popolno odporna na ogenj. To sintetiĉno

vlakno je bilo zasnovano in izdelano z namenom, da ima negorljive lastnosti. Bombaţna in

modakrilna vlakna lahko med seboj mešajo v razliĉnih razmerjih in tako dobijo preje in

pletenine, ki imajo znaĉilnosti osnovnih (obojih) vlaken.

Oblaĉila, tekstilije za pohištvo, vzmetnice itn. so pogosto izpostavljene ognju. Talne

obloge in stenske obloge pripomorejo k razširjenju ognja, vendar obiĉajno niso iz

materialov, ki najprej zgorijo. [28]

Gorljivost je pomembna karakteristika tekstilnih izdelkov. Pri tem so pomembni tudi

razkrojni produkti. Gorenje je reakcija pri visoki temperaturi, ob tem se sprošĉa dovolj

toplote, da se taka reakcija sama vzdrţuje. Produkt vsakega procesa gorenja so ogljikov

oksid (CO) in ogljikov dioksid (CO2) in voda. Reakcijo vedno spremlja sevanje svetlobe in

toplote. Gorenje je cikliĉni proces. Pri razpadu trdne faze dobimo gorivo, ki omogoĉa

gorenje, tvorijo se namreĉ hlapni vnetljivi produkti, ki zagorijo, ko v mešanici s kisikom

doseţejo mejo gorljivosti, ki rezultira v hitri reakciji oksidacije. [29]


Stran 32

Slika 2 –13: Cikel širjenja plamena [30].

Gorenje vlaken na zraku je odvisno od koliĉine kisika (O2). V zraku je 21% kisika (O2).

Vlakna, ki jim tolikšna koliĉina kisika (O2) zadostuje za vzdrţevanje gorenja, gorijo na

zraku. Merska vrednost, ki oznaĉuje gorenje tekstilnih vlaken, je mejni kisikov indeks.

Mejni kisikov indeks je minimalna koncentracija kisika (O2) v mešanici kisika (O2) in dušika

(N2), ki še omogoĉa oz. podpira gorenje vlaken pri doloĉenih pogojih preskušanja. [28]

Preglednica 2 – 4: Obnašanje tekstilij pri gorenju [28].

GORLJIVE TEKSTILIJE so tekstilije, ki zagorijo, gorijo ali oddajajo

gorljive hlape, ko so izpostavljene zunanjemu viru gorenja.

NEGORLJIVE TEKSTILIJE so tekstilije, ki ne gorijo in niti ne oddajajo

gorljivih hlapov, ko so izpostavljene zunanjemu viru gorenja.

.

PLAMENEĈE gorljive tekstilije gorijo s plamenom.

NEPLAMENEĈE gorljive tekstilije gorijo brez

plamena.

NEVARNO GORLJVE tekstilije tako hitro

zagorijo in gorijo, da je teţko uiti brez vidnih

posledic.

NORMALNO GORLJIVE tekstilije gorijo, med seboj pa

se razlikujejo po naĉinu gorenja.

OGNJEVARNE tekstilije, pri katerih je

gorljivost omejena, prekinjena ali ovirana

ob ali brez vira gorenja.


Stran 33

Negorljive tekstilije ne gorijo, niti ne oddajajo hlapov, ki bi goreli, ko so izpostavljene

zunanjemu viru gorenja. Tekstilije, izdelane iz steklenih ali azbestnih vlaken, so negorljive.

To ne pomeni, da so te tekstilije neuniĉljive v ognju. Pri visokih temperaturah se veĉina

vlaken topi.

Gorljive tekstilije (plameneče in neplameneče). Veĉina tekstilij je gorljivih. Kadar so

izpostavljene zunanjemu, odprtemu viru gorenja (vţigalica, cigareta) ali poveĉanemu

sevanju toplote iz peĉice ali elektriĉnega štedilnika, gorijo ali oddajajo hlape, ki gorijo.

Gorljive tekstilije, ki gorijo s plamenom, so plameneĉe gorljive tekstilije, tiste, ki ne gorijo s

plamenom, pa neplameneĉe gorljive tekstilije. Veĉina tekstilij je plameneĉe gorljivih.

Gorljive tekstilije se med seboj razlikujejo po tem:

kako hitro zagorijo,

ali se pri tem topijo ali ne,

koliko toplote in dima oddajajo, ko gorijo,

kako hitro se lahko pogasijo, itn. [28]

Nevarno ali hitro gorljive tekstilije se vţgejo in gorijo s takšno lahkoto, da je pobeg iz

goreĉega okolja, v katerem gorijo, praktiĉno nemogoĉ.

Ognjevarne tekstilije so tekstilni materiali, ki so odporni na visoke temperature. Šĉitijo pred

ognjem, kar pomeni, da prepreĉujejo vţig, prevajanje toplote, taljenje in oddajanje

strupenih plinov. Gorijo z zelo malim plamenom, ne nudijo popolne zašĉite, njihova

stopnja zašĉite je razliĉna. To so ognjevarna vlakna, kjer ognjevarnost doseţemo zaradi

strukture same oz. ţe med postopkom oblikovanja oz. izpredanja. To so aramidna vlakna

(Nomex®), modakrilna (Velicren®), oksidirana akrilna vlakna (Panox®), ognjevarna PES

vlakna (Trevira CS®), ognjevarna viskozna vlakna (Visil®), volnena vlakna ali vlakna,

obdelana z ognjevarnimi sredstvi. [31] Ognjevarne tekstilije lahko pridobimo na veĉ

naĉinov, in sicer z uporabo ognjevarnih vlaken, z uporabo modificiranih ognjevarnih

vlaken, apreturo tekstilij ali s spreminjanjem strukture tekstilij [28].


Stran 34

Preglednica 2 – 5: Klasifikacija vlaken glede na naĉin gorenja [28].

Vlakno Klasifikacija

Negorljive

Azbest

Steklena

Anorganska vlakna

ogljik

politetrafluoretilen

silikat

Gorljive

Modakrilna

Aramidna Po naravi ognjeodporna

PBI Naravno teţje gorljiva

Ţveplena

Volna

Bombaţ Teţje gorljiva vlakna zaradi dodatkov

Rayon Ognjeodpornost se doseţe s kemiĉnimi modifikacijami (aditivi ali apreture)

Najlon

Poliester

Volna

Svila

Bombaţ

Posebna celuloza

Rayon

Najlon Normalno gorljiva (regularna)

Poliester

Olefin

Gumijasta

Spandex

Gorljivost tekstilij se oceni glede na hitrost širjenja plamena, ki se poda kot ĉas v

sekundah, potreben za širitev plamena na doloĉeni dolţini vzorca, ki ima obliko traku.

Preskušanje gorljivosti tekstilij je standardizirano. Doloĉajo se sposobnost vnetljivosti

tekstilij, naĉin in ĉas gorenja, hitrost in naĉin širjenja plamena ter koliĉina oddane toplote.

Pomembni so tudi merjenje koliĉine dima in strupenih plinov, ogorki ter doloĉanje LOI

vrednosti. Veĉina standardnih metod se omejuje na doloĉanje vnetljivosti in hitrosti širjenja

plamena. [29]


Stran 35

2.1.3.1 Mejni kisikov indeks

Mejni kisikov indeks predstavlja minimalno potrebno vsebnost kisika v zraku, da vlakno

zagori. Metoda se pogosto uporablja pri raziskavah in nadzoru kakovosti za doloĉanje

relativne vnetljivosti polimernih materialov. V veliki meri pa so uporabljena za ocenjevanje

relativne vnetljivosti gume, tekstila, papirja, premazov in drugih materialov. [30] Ker lahko

LOI doloĉamo le pleteninam, medtem ko ga prejam ne moramo, se iz preje izdela kos

pletenine (vzorec). Vzorec izpostavimo viru ognja in goreĉega postavimo v instrument za

merjenje mejnega kisikovega indeksa, z natanĉno odmerjeno mešanico kisika (O2) in

dušika (N2) ter postopno zmanjšujemo deleţ kisika (O2), dokler preizkušen kos tkanine ne

ugasne [30]. Mejna koncentracija kisika (O2) v mešanici je LOI. Višja kot je, bolj je vlakno

odporno na ogenj. Vlakna, ki imajo LOI nad 26, so ognjevarna vlakna.

Pri postopku doloĉanja LOI vrednosti si je predhodno potrebno pripraviti epruvete dimenzij

14 x 5,2 cm v smeri osnove in votka. Pred merjenjem je vzorce potrebno vzdrţevati pri

doloĉenih pogojih, in sicer 24 ur v prostoru s standardno atmosfero za testiranje (T = 65 ±

2 °C). [32]

Zaĉetna koncentracija kisika v vzorcu ni znana. Material mora najprej goreti na zraku in

preuĉiti moramo naĉin, kako gori [32]:

- ĉe zgori hitro, doloĉimo koncentracijo kisika pod 22%,

- ĉe gori kratek ĉas in plamen hitro ugasne, doloĉimo koncentracijo kisika od 22 do 27%,

- ĉe na zraku ne gori, doloĉimo zaĉetno koncentracijo nad 28%.

Koncentracija dušika se odĉita iz tabele na podlagi doloĉene koncentracije kisika

(koncentraciji kisika in dušika sta medsebojno odvisna parametra).

Potrebno je nastaviti izbran pretok kisika in dušika, poĉakati okrog 30 s, nato se vzorec

vţge in plamenu je izpostavljen 5 s. Ĉe vzorec po odstranitvi vira plamena še naprej gori s

tihim plamenom, kot npr. sveĉa, zaĉnemo meriti ĉas, ki je potreben, da vzorec izgori. Ĉe

je plamen premoĉan in vzorec prehitro izgori, je treba zmanjšati koncentracijo kisika. Ĉe

plamen ugasne, preden izgori celoten vzorec, je treba poveĉati koncentracijo kisika. [32]

2.1.4 Površinske (elektrokinetiĉne) lastnosti bombaţa in modakrila

Adsorpcija je vezanje plinastih ali raztopljenih snovi na površini trdne snovi zaradi

delovanja molekulskih sil [33]. Skozi adsorpcijski proces pride do poveĉanja dostopnih

aktivnih skupin na površini vlaken. Domneva se, da je ta modifikacija glavni vzrok za

spremembo elektrokinetiĉnih lastnosti površine trdne faze in za interakcije s

komponentami v tekoĉi fazi. Odvisna je od disociiranih skupin na površini trdne faze OH-

/H+ ionov in prav tako tudi od kemijsko-fizikalnih lastnosti, pH-vrednosti, ionske moĉi in

koncentracije tekoĉe faze. [34] Vlakna, ki veţejo malo vode na površino z adsorpcijo, so

hidrofobna vlakna. Vlakna, ki dobro veţejo vodo, so hidrofilna vlakna, ker imajo zelo veliko

polarnih funkcionalnih skupin. Takšna so predvsem bombaţna, beljakovinska, poliamidna

in polivinilalkoholna vlakna. Bombaţna vlakna vsebujejo veliko število OH-skupin, preko

katerih se celulozne molekule obdajo z molekulami vode in se hidratizirajo. [33] Celulozna

vlakna kaţejo zelo polarno površino zaradi prisotnosti hidroksilnih skupin. Te hidroksilne

skupine omogoĉajo nastanek vodikovih vezi. Ampak, da bi dobili dostop do teh


Stran 36

hidroksilnih skupin, je treba odstraniti plast pektina in vošĉenih snovi. Po drugi strani pa je

visoka polarnost površine celuloznih vlaken razlog za njihovo hidrofilno obnašanje, ki

povzroĉa nabrekanje vlaken. [5] Akrilna in modakrilna vlakna so edina vlakna, narejena iz

monomera z dvojnimi vezmi ogljik-ogljik. Akrilonitril je edini takšen monomer z dovolj

polarnimi skupinami (nitrilne skupine), da bo dal polimer z visokimi sekundarnimi silami,

katere so zahtevane v vlaknu. [35] Po drugi strani so modakrilna vlakna sestavljena iz

komonomerov z obseţnimi stranskimi skupinami, tako da so prisotne minimalne

molekularne sile v strukturi vlakna [36]. Modakril je hidrofobno vlakno. Le-ta lahko veţejo

malo vode, ali jo odbijajo ali pa potrebujejo dalj ĉasa, da postanejo mokre. [37] Akrilna in

modakrilna vlakna so edinstvena med sintetiĉnimi vlakni in sintetiĉnimi tkaninami, saj

imajo neravno površino [38].

Adsorpcija vode ali elektrolita povzroĉa nabrekanje površinskega sloja vlaken. Tako se

velikost reaktivne površine poveĉa, lastnosti disociiranih skupin pa se ne spremenijo.

Postopek nabrekanja zmanjša potencial zeta ( ) zaradi premika striţne ploskve v tekoĉo

fazo. To lahko uporabimo za doloĉanje dostopnosti disociiranih skupin z merjenjem

potenciala zeta v odvisnosti od pH. Adsorpcija kationov (elektrolit) na anionsko površino

(površina bombaţa) se kaţe v zmanjševanju negativnega potenciala zeta. V primeru, ko

imamo enako število kationov in anionov na površini materiala, doseţemo izoelektriĉno

toĉko, IEP (ang. Isoelectric point), kjer je zeta potencial enak niĉ. Ĉetudi imamo preseţek

kationov na trdni površini in površina dobi pozitiven naboj, pri tem ne opazimo sprememb

v kemijski naravi površine. [34]

2.2 Elektrokinetični pojavi

Elektrokinetika je splošen izraz, ki zajema gibanja med dvema nabitima fazama. Ena

nabita faza je trdna (površina, koloidni delci), druga pa tekoĉa (raztopina elektrolita). Med

samim procesom je vedno ena faza stacionarna, druga pa mobilna. Prisotnost gibanja

nabitih delcev opisujejo elektrokinetiĉni pojavi. Elektrokinetiĉni pojavi spadajo med

navzkriţne pojave, to pa zato, ker lahko neka gonilna sila povzroĉi tok, ki ji ni neposredno

konjugiran in obratno. Pri teh pojavih sreĉujemo dva tokova, volumski tok in elektriĉni tok

raztopine. Odvisno od pojava so lahko prisotni gonilni sili, tlak ali pa elektriĉna napetost.

Do elektrokinetiĉnega pojava pride takrat, ko poskuša gonilna sila razdeliti tekoĉino na

nepremiĉni in difuzijski del in pri tem nastane t.i. elektriĉna dvojna plast. Glede na nabito

površino oz. nabite delce v raztopini elektrolita poznamo razliĉne elektrokinetiĉne pojave.

Najbolj znani pojavi so pretoĉni potencial, sedimentacijski potencial, elektroforeza in

elektroosmoza, ki so prikazani na sliki 2 – 14. [39, 40]


Stran 37

PRETOČNI POTENCIAL SEDIMENTACIJSKI POTENCIAL

ELEKTROFOREZA ELEKTROOSMOZA

Slika 2 – 14: Prikaz elektrokinetiĉnih pojavov [40, 41].

Elektrokinetiĉni pojavi so odvisni od gonilne sile in od narave trdne in tekoĉe faze.

Razlikujejo pa se glede na dva kriterija. Prvi kriterij pravi, da se lahko giblje raztopina

elektrolita ali nabita površina. Ĉe se giblje raztopina elektrolita, je medtem nabita površina

stacionarna. Primer takšnega gibanja sta elektroforeza in sedimentacijski potencial, ki sta

konjugirana pojava. Ali pa se giblje nabita površina, medtem pa je raztopina elektrolita

stacionarna. Takšno gibanje prikazuje elektroosmoza in pretoĉni potencial, ki sta prav

tako med seboj konjugirana pojava. Vzrok za to gibanje je elektriĉni potencial, ki povzroĉi

tlaĉno razliko in obratno; tlaĉna razlika povzroĉi gibanje (tekoĉine, ionov), zaradi ĉesar

nastane razlika v elektriĉnem potencialu. Iz tega lahko razberemo, da lahko loĉimo

elektrokinetiĉne pojave med seboj tudi glede na delujoĉo gonilno silo. To pa je drugi

kriterij. Gonilna sila pri elektroforezi in elektroosmozi je elektriĉno polje. Elektriĉno polje

razprši trdne delce v raztopini in pride do elektroosmotskega prenosa tekoĉine skozi

fiksen kapilarni sistem oz. do elektroforetskega gibanja trdnih delcev. Pri pretoĉnem

potencialu in sedimentacijskem potencialu pa je to mehanska sila (tlak pri pretoĉnem


Stran 38

potencialu in uĉinek gravitacije pri sedimentacijskem potencialu). Pretoĉni in

sedimentacijski potencial se pojavita takrat, ko se sloj tekoĉine med relativnim gibanjem

razdeli na nepremiĉni in difuzijski sloj in se ustvari potencialna razlika. [40]

Elektrokinetiĉni pojavi dajejo številne informacije o opazovanem sistemu, kot je na primer

hidrofilnost, hidrofobnost površin, predznak naboja mirujoĉe površine ali gibajoĉih se

delcev, gostota naboja in intenzivnost adsorpcije [39].

Pregled elektrokinetiĉnih pojavov [34, 39, 42]:

Ko ustvarjena tlaĉna razlika vzdolţ nabite površine povzroĉi volumski tok takrat govorimo

o pretočnem potencialu. Volumenski tok raztopine povzroĉi kopiĉenje ionov ob tej nabiti

površini. Zaradi tega nastane elektriĉna napetost, ki v nasprotni smeri volumskega toka

poţene elektriĉni tok.

Ko zunanja sila (gravitacijski potencial) sproţi gibanje veĉjih nabitih delcev (npr. koloidov)

in je raztopina elektrolita stacionarna, govorimo o sedimentacijskem potencialu.

Sedimentacijski potencial je elektriĉna napetost, ki nastane zaradi volumskega toka, ki ga

povzroĉijo nabiti delci, ko se akumulirajo vzdolţ pretoka. Nastane elektriĉno polje, ki

usmeri elektriĉni tok v nasprotno smer.

Pri elektroforezi zunanja elektriĉna napetost povzroĉi, da se enako nabiti makroskopski

delci zaĉno gibati, tekoĉina pa je pri tem stacionarna. Na podlagi gibanja teh nabitih

delcev nastane razlika v tlaku. Nastala razlika v tlaku povzroĉi volumski tok delcev. Tako

ustvarjena elektriĉna napetost povzroĉi nastanek tlaĉne razlike, medtem ko elektriĉni tok

povzroĉi nastanek volumskega toka.

V primeru elektroosmoze ustvarimo elektriĉno napetost. Ta elektriĉna napetost omogoĉi

gibanje ionov v raztopini elektrolita, nabita površina pa je pri tem stacionarna. Zaradi

razliĉnega števila anionov in kationov v difuzijski plasti se v smeri elektriĉnega polja giblje

veĉ ionov kot v nasprotni smeri, ker so tudi ioni prisotni v raztopini. Gibanje ionov povzroĉi

volumski tok in poslediĉno nastane tlaĉna razlika.

2.3 Električna dvojna plast

Dvojni elektriĉni sloj oz. elektriĉna dvojna plast je osnovni model nabite površine v

raztopini elektrolita [43].

Ob stiku z vodo ali vodno raztopino se površine trdnih delcev elektriĉno nabijejo. Elektriĉni

naboj, ki je na površini teh trdnih delcev, ustvari elektriĉno polje. Elektriĉno polje pa

poslediĉno vpliva na porazdelitev gibljivih ionov elektrolita v raztopini ob nabiti površini.

Ioni se razporedijo tako, da je koncentracija nasprotno nabitih ionov, kot so ioni na

površini materiala, veĉja na podroĉju površine materiala. Z oddaljevanjem od nabite

površine se vpliv elektriĉnega naboja manjša. Z oddaljenostjo je porazdelitev nabojev

vedno bolj homogena. [33]


Stran 39

Je torej preprost model mejne ploskve, ki jo sestavljata pozitivno nabita površina trdne

faze in negativno nabita površina tekoĉe faze ali obratno. Poznamo razliĉne modele za

opis porazdelitve ionov elektrolita in potek potenciala ob nabiti površini trdnega telesa.

[44]

Model opisuje porazdelitev naboja in odgovarjajoĉe spremembe potenciala, glede na

razdaljo od trdne površine. Kopiĉenje naboja na meji med trdno in tekoĉo fazo (nastajanje

dvojnega elektriĉnega sloja) temelji na:

- disociaciji funkcionalnih skupin materiala,

- disociaciji ionov iz raztopine in

- adsorpciji polielektrolitov, ionskih površinsko-aktivnih snovi in nabitih

makromolekul.

V zgodovini se je pogled na elektriĉno dvojno plast spreminjal, razvijal in dopolnjeval.

Tako poznamo, glede na predstave o razporeditvi ionov v raztopini elektrolita, veĉ

modelov, in sicer

Helmholtzov model,

Gouy-Chapmanov model,

Sternov model,

Grahameov model.

Predstavili bomo sodobnejši Gouy-Chapman-Stern-Grahameov model, ki je bil zasnovan

na zgoraj omenjenih modelih, katere je Grahame le dopolnil. Sreĉujemo ga najpogosteje

pri obravnavi modela nabite površine v raztopini elektrolita. Model upošteva lastnosti in

strukturo vodnih molekul v raztopini. Graham je Sternov sloj razdelil v dve plasti, in sicer

na notranjo Helmholtzovo plast, IHP (ang. Inner Helmholtz Plane) in na zunanjo

Helmholtzovo plast, OHP (ang. Outer Helmholtz Plane).

Notranjo Helmholtzovo plast sestavljajo vodne molekule tik ob površini in so urejene tako,

da je interakcijska energija s površinskim nabojem minimalna. Te molekule vode se ob

površini usmerjajo kot dipoli, glede na predznak naboja na površini. Kadar je površina

nabita pozitivno, se vodne molekule ob površino postavijo s kisikovimi atomi (negativen

del dipola), sicer pa z vodikoma (pozitiven del dipola).

V notranjosti Helmholtzove plasti so tudi ioni, ki so manj gibljivi in so zaradi tega

prednostno adsorbirani. Notranja Helmholtzova plast poteka skozi centre teh ionov.

Grahameov model predpostavlja hidratiranost ionov; ioni so torej obdani z vodnimi

molekulami. Kot posledica prostorninskih omejitev so kationi bolj hidratirani kot anioni; tj.

anione pri gibanju v raztopini omejuje manj vodnih molekul kot katione in pogosto sploh

niso hidratirani. Zato so v notranji Helmholtzovi plasti, ne glede na predznak naboja na

površini, prednostno adsorbirani anioni, ker je to posledica manjše hidratiranosti anionov

glede na katione. Interakcija, ki povzroĉi prednostno adsorpcijo anionov v notranji

Helmholtzov sloj, se imenuje hidrofobna interakcija.

Zunanjo Helmholtzovo plast sestavljajo adsorbirani ioni, ki so nasprotnega predznaka kot

naboj na površini in v bistvu predstavlja to Sternovo ravnino. Torej zunanja Helmholtzova

plast je Sternova ravnina in gre skozi centre teh ionov. Na drugi strani zunanje


Stran 40

Helmholtzove plasti je difuzijski sloj. Bistvena ugotovitev pri tem modelu je bila, da se v

notranjo Helmholtzovo plast vedno preferenĉno adsorbirajo anioni, pa ĉe tudi je površina

negativna. [39, 40]

Slika 2 – 15: Shema elektriĉne dvojne plasti po Gouy-Chapman-Stern-Grahame modelu

[45].

2.4 Določanje pretočnega potenciala/toka oz. potenciala zeta

Elektrokinetiĉni potencial oz. potencial zeta se nanaša na spremembo potenciala na

striţni površini med premikajoĉim in mirujoĉim delom difuzne dvojne plasti. Ob nabiti

površini se ustvari plast ionov elektrolita. Ioni se adsorbirajo preko elektrostatskih

interakcij in imajo naboj nasprotnega predznaka, kot je naboj na nabiti površini. To sta

Helmholtzovi plasti, zunanja in notranja, omejujeta volumski tok raztopine vzdolţ površine.

Na neki razdalji od nabite površine volumski tok raztopine ni veĉ mogoĉ, in sicer zaradi

prostorske omejitve, ki jo povzroĉajo adsorbirani ioni. Ta razdalja, ki je na neki razdalji od

nabite površine in je vzporedna nabiti površini, se imenuje striţna ploskev. Elektriĉni

potencial na striţni ploskvi pa se imenuje potencial zeta. Potencial zeta daje informacije o

elektrokinetiĉnih lastnostih površine. S poznavanjem potenciala zeta lahko ugotovimo,

kakšen je predznak skupnega naboja v Helmholtzovi plasti in na površini. Ta skupni naboj

imenujemo elektrokinetiĉni naboj. [34] Podatki o površinskem naboju nam dajejo

informacijo o stanju, kvaliteti in lastnostih površine makroskopskega telesa v polarnem

mediju oz. o aktivni površini trdno/tekoĉe. Elektrokinetiĉne lastnosti doloĉamo substancam

z veliko aktivno površino, saj le-ta doloĉa njihovo obnašanje v polarnih medijih, npr.:

• tekstilnim vlaknom in ploskovnim tvorbam (tkanine, pletenine...),

• umetnim masam (folije, filmi),


Stran 41

• vzorcem v prahu in granulatom in

• keramiĉnim materialom ter kovinskim oksidom ter vsem ostalim poljubno strukturno

oblikovanim materialom. [46]

Potencial zeta je eksperimentalno doloĉljiva veliĉina in je rezultat delovanja

elektrokinetiĉnih pojavov. Obstaja veĉ naĉinov, kako ga doloĉiti. Najpogosteje ga

doloĉamo na podlagi pretoĉnega potenciala oz. pretoĉnega toka. V merilni celici v

pretoĉnem kanalu se zaĉne poveĉevati tlak kot funkcija upora toka. Dobljena potencialna

razlika se zaznava z merilnimi elektrodami, ki so namešĉene na obeh koncih pretoĉnega

kanala. Tok tekoĉine skozi merilno celico povzroĉi pretoĉni tok ali pretoĉni potencial. [39]

Realni potencial zeta doloĉimo ob upoštevanju Helmholtz-Smoluchowskijevega pristopa

na podlagi geometrije pretoĉnega kanala po en.(1) in (2) na sliki 2 – 16. Pri en.(1) se

realni potencial zeta doloĉi na podlagi izmerjenega pretoĉnega toka po tlaku, dI/dp in po

en.(2) pa se realni ZP doloĉi na podlagi izmerjenega pretoĉnega potenciala, dU/dp.

Razmerje A/L v en.(1) in (2) se nanaša na geometrijo pretoĉnega kanala. V tem primeru je

ZP izraĉunan brez aproksimacije. V primeru ko en.(1) in (2) aproksimiramo, dobimo en.(3)

in (4). Z uporabo aproksimirane en.(3) in (4) pa se doloĉi t.i. navidezni potencial zeta, kjer

Helmholtz-Smoluchowskijev pristop upošteva specifiĉno prevodnost raztopine elektrolita,

κB. Navidezni ZP se doloĉi na podlagi izmerjenega toka, dI/dp po en.(3) in na podlagi

izmerjenega pretoĉnega potenciala, dU/dp po en.(4). Ta pristop upošteva, da je elektriĉni

tok znotraj merilne celice generiran le z raztopino elektrolita. Moţna napaka pri teh

aproksimacijah je odpravljena s Fairbrother-Mastinovim pristopom, en.(5), pri katerem se

konstanta celice, L/A, doloĉi iz elektriĉne upornosti in meritev prevodnosti elektrolita pri

pogojih, ko je medfazna prevodnost zanemarljiva, t.j. pri ionski moĉi elektrolita 0,1 mol/L.

[47]


Stran 42

Slika 2 – 16: Enaĉbe za doloĉanje potenciala zeta [47].

Parametri v enaĉbah na sliki predstavljajo:

– potencial zeta, V,

dI/dp – naklon pretoĉnega toka po tlaku, A Pa-1,

dU/dp – naklon pretoĉnega potenciala po tlaku, V Pa-1

η – viskoznost elektrolita , Pa s,

εr – relativna permitivnost elektrolita,

ε0 – permitivnost vakuuma, AsV-1 m-1,

L – dolţina pretoĉnega kanala, m,

A – presek pretoĉnega kanala, m2,

R – elektriĉna upornost znotraj merilne celice, Ω in

κB – specifiĉna elektriĉna prevodnost raztopine elektrolita zunaj pretoĉnega kanala,

S m-1.


Stran 43

3 EKSPERIMENTALNI DEL

Eksperimentalni del diplomske naloge smo izvedli z merilnim instrumentom SurPASS, ki

nam je omogoĉil doloĉitev potenciala zeta na principu merjenja pretoĉnega toka in

pretoĉnega potenciala. Instrument SurPASS je podprt s programsko opremo »VisioLab for

SurPASS«. Proizvajalec tega instrumenta je podjetje Anton Paar GmbH iz Gradca,

Avstrija. Analizirali smo vzorce prej in pletenin razliĉne sestave bombaţ/modakril na

potencial zeta. Vzorce prej in pletenin nam je zagotovilo podjetje Beti Preja d.o.o.

3.1 Uporabljeni vzorci

V preglednici 3 – 1 so prikazani štirje vzorci prej in pletenin enake finosti (tex) z razliĉno

sestavo bombaţa in modakrila. Bombaţna in modakrilna vlaka so v podjetju Beti Preja

d.o.o. spredli v preje razliĉne sestave in iz teh prej so spletli pletenine.

Preglednica 3 – 1: Karakteristike uporabljenih vzorcev.

Št. vzorca Sestava Finost (tex) Tekstilni material

1 CO100 20 preja, pletenina

2 CO50:MAC50 20 preja, pletenina

3 CO40:MAC60 20 preja, pletenina

4 MAC100 20 preja, pletenina

Pletenje je proces izdelave ploske tekstilije – pletiva oz. trodimenzionalne tekstilije –

pletenine. Pletenina je izdelana iz enega samega nitnega sistema in na licu (ali na desni

strani) ima drugaĉen videz, kot ga ima na narobni strani (ali na levi strani), zato govorimo

o desni oz. levi strani. Vzorci pletenin, ki smo jih pri analizah uporabili, so oznaĉeni z

naslednjimi tehniĉnimi podatki:

- vrsta pletenine: SINGLE,

- finost stroja: 20E,

- površinska oz. plošĉinska masa pletenine: 130 g/m2.


Stran 44

Slika 3 – 1 prikazuje vzorce prej, ki smo jih analizirali v cilindriĉni celici z metodo doloĉanja

potencial zeta.

Slika 3 – 1: Vzorci prej

(a) CO100, (b) CO50:MAC50, (c) CO40:MAC60 in (d) MAC100.

Slika 3 – 2 prikazuje vzorce pletenin, ki smo jih analizirali v naši diplomski nalogo na

potencial zeta v celici z nastavljivo reţo.

Slika 3 – 2: Vzorci pletenin

(a) CO100, (b) CO50:MAC50, (c) CO40:MAC60 in (d) MAC100.


Stran 45

3.2 Merilni instrument SurPASS

3.2.1 Opis delovanja merilnega instrumenta SurPASS

Elektrokinetiĉni analizator SurPASS omogoĉa hkratno merjenje pretoĉnega potenciala in

pretoĉnega toka. V obeh primerih gonilno silo predstavlja tlaĉna razlika. Vzdolţ nabite

površine v raztopini ustvarimo neko tlaĉno razliko. Zaradi te tlaĉne razlike se raztopina

zaĉne gibati ob površini in ustvari se elektriĉno polje. Zaradi teţnje po ravnovesju nastane

razlika v elektriĉnem potencialu. Tok preseţnih ionov se zaradi te razlike giblje v nasprotni

smeri kot volumski tok raztopine. Nastala potencialna razlika se imenuje pretoĉni

potencial. Doloĉanje potenciala zeta temelji na doloĉanju pretoĉnega potenciala oz.

pretoĉnega toka, ki ga ustvarja gibanje raztopine elektrolita skozi pretoĉni kanal merilne

celice instrumenta. [40]

Merilni instrument SurPASS deluje na principu dvojno brizgalno-ĉrpalnega sistema, ki

ustvarja tok elektrolita s premikanjem batov navzgor in navzdol po cilindru. Vodna

raztopina elektrolita teĉe skozi merilno celico z vzorcem. Ustvarjeni tok povzroĉi zamik

površinskega naboja v smeri toka raztopine elektrolita, in sicer vzdolţ merilne celice.

Merjeni parametri se doloĉajo izmeniĉno, odvisno od smeri toka raztopine elektrolita skozi

merilno celico. Med vtokom in iztokom merilne celice nastane tlaĉna razlika zaradi

upornosti kanala, ustvarjenega med trdnima površinama. Razliko potenciala (pretoĉni

potencial) ali razliko toka (pretoĉni tok) zaznajo merilne elektrode, postavljene na vsakem

koncu vzorca, in povezujejo vtok in iztok v merilni celici. Med merjenjem tlak nenehno

narašĉa v obeh smereh toka, hkrati pa se beleţijo vrednosti ∆p in ∆U ali ∆I. Izmerjene

vrednosti ∆p (tlaĉna razlika) in ∆U (pretoĉni potencial) oz. ∆I (pretoĉni tok) sluţijo za

izraĉun potenciala zeta. Temperatura, prevodnost in pH so merjeni istoĉasno kot zgoraj

navedene vrednosti in omogoĉajo doloĉitev lastnosti elektrolita. [40, 42, 48] Slika 3 – 3

prikazuje cirkulacijo elektrolita v instrumentu.

1 ĉaša z raztopino

elektrolita

2 tripotni ventil

3 leva in desna 100 ml

brizgalka za transport

elektrolita

4 leva in desna merilna

glava s tlaĉnim

senzorjem in elektrodo

5 merilna celica z

vzorcem

Slika 3 – 3: Cirkulacija elektrolita v instrumentu SurPASS [42, 48].


Stran 46

3.2.2 Sestavni deli instrumenta SurPASS

Slika 3 – 4: Sestavni deli merilnega instrumenta SurPASS [49].

Zelo pomemben sestavni del elektrokinetiĉnega analizatorja SurPASS je merilna celica.

Meritve prej smo opravili z uporabo cilindriĉne celice, medtem ko smo meritve pletenin

opravili s celico z nastavljivo reţo.

Za pritrditev merilne celice na merilni instrument SurPASS je potreben nosilec. Na sliki 3 –

5 so vidni sestavni deli tega nosilca.

1 steklena brizgalka s

kapaciteto 100 ml za

transport elektrolita

2 merilna glava s

senzorjem tlaka in

elektrodo (Ag/AgCl ali

Pt)

3 cevka za vhod

elektrolita

4 cevka za izhod

elektrolita

5 elektroda za merjenje

pH-vrednosti z

vgrajenim

temperaturnim

senzorjem

6 elektroda za merjenje

specifiĉne prevodnosti z

vgrajenim

temperaturnim

senzorjem

7 titracijski enoti


Stran 47

1 vodilu instrumenta prilegajoĉ utor

nosilca merilne celice

2 vodilo za fiksiranje merilne glave

3 privijaĉ

Slika 3 – 5: Sestavni deli nosilca [49].

Cilindriĉna celica, CYC (ang. Cylindrical Cell), prikazana na sliki 3 – 6a, se v glavnem

uporablja za doloĉanje potenciala zeta tekstilnih vlaken, netkanih vlaken, filtrov z zadostno

prepustnostjo in za zrnate in praškaste vzorce z velikostjo > 25µm [42]. Na sliki 3 – 6b je

viden shematski prikaz CYC s pretokom elektrolita.

(a) (b)

Slika 3 – 6: Cilindriĉna celica

(a) Cilindriĉna celica z vzorcem namešĉena v merilnem instrumentu SurPASS [50], (b)

Shematski prikaz cilindriĉne celice za merjenje pretoĉnega potenciala/toka [51].

Celica z nastavljivo reţo, AGC (ang. Adjustable Gap Cell), prikazana na sliki 3 –

Documents

VPLIV VSEBNOSTI MODAKRILA V - COnnecting REpositoriesVpliv vsebnosti modakrila v bombaţnih vzorcih na potencial zeta Stran 5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Aljani Petek