Bài giảng Vật liệu dệt - Phần 2: Xơ tự nhiên (Natural fibers)

Bài giảng Vật liệu dệt - Phần 2: Xơ tự nhiên (Natural fibers) có nội dung gồm trình bày giới thiệu về xơ tự nhiên, phân loại xơ tự nhiên, cấu trúc của bông, tính chất vật lý của bông, thành phần hóa học xơ bông,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng.

Bộ môn Kỹ Thuật Dệt May

1

• Xơ dệt được dùng để tạo vải từ 4000 – 5000 năm qua

• Các xơ được sử dụng nhiều nhất: lanh (flax), gai dầu (hemp), tơ tằm (silk), len (wool) và bông (cotton)

• Vải từ xơ bông được sử dụng ở Trung Quốc, Ai Cập và Peru cổ đại

• Vải tìm thấy ở Ai Cập cho biết rằng bông đã được dùng ở đây từ

12000 năm trước Công Nguyên, trước khi lanh được phát hiện

• Công nghiệp kéo sợi và dệt vải từ xơ bông bắt đầu ở Ấn Độ Vải bông chất lượng cao được tạo

ra vào đầu những năm 1500 trước Công Nguyên

• Lanh là xơ lâu đời nhất của nhân loại

• Mẫu lanh từ Çatal Hüyük (Thổ Nhĩ Kỳ) và Kerma (Nubia, Sudan) được cho là có niên đại lần lượt 6500

và 2000 năm trước Công Nguyên

• Vải quấn xác ướp bằng lanh trong mộ ở Ai Cập được cho là 5000 năm tuổi và các xơ này rất tốt, có thể tồn tại nguyên vẹn cho tới thời đại ngày nay

• Cừu là động vật được con người thuần hóa đầu tiên Việc lai giống để tăng lượng lông bắt đầu khoảng 100 năm sau Công Nguyên

3

• Người Tây Ban Nha phát triển việc nuôi cừu Merino cho lông vào năm 1400 sau Công Nguyên Đây là tiền thân của nguyên liệu lông cừu ngày nay

• Tơ tằm là xơ thiên nhiên gốc protein Người Trung Quốc là chuyên gia đầu tiên về tơ tằm Trong vòng 300 năm, người Trung Quốc giữa kín bí quyết sản xuất tơ tằm

• Tơ tằm chỉ bán cho Ba Tư và Ai Cập với giá của vàng

• Người Tây Ban Nha phát triển việc nuôi cừu Merino cho lông vào năm 1400 sau Công Nguyên Đây là tiền thân của nguyên liệu lông cừu ngày nay

• Tơ tằm là xơ thiên nhiên gốc protein Người Trung Quốc là chuyên gia đầu tiên về tơ tằm Trong vòng 300 năm, người Trung Quốc giữa kín bí quyết sản xuất tơ tằm

• Tơ tằm chỉ bán cho Ba Tư và Ai Cập với giá của vàng

5

Tự nhiên Nhân tạo

polymer (nhiệ dẻo)

Lông động vật

Cellulose acetat, tri acetate

Polynosic rayon

Casein

Visco rayon Cupramonium

Lyocell

PA, PES,PP,PU Acrylic (PAN)

Adhesive, melamine

Nylon

PVA,PVAL, PTFE

7

 Xơ tự nhiên gốc thực vật

 Xơ tự nhiên gốc động vật

 Xơ tự nhiên gốc khoáng sản

Xơ tự nhiên gốc cellulose

• Cellulose là hợp chất thiên nhiên, là chất cơ bản tạo thành của các tế bào thực vật, trong đó có một số xơ dệt

• Là polymer tự nhiên, cơ sở nguyên liệu sản xuất các xơ nhân tạo gốc cellulose như viscose, rayon, acetate

• Cellulose ở thể rắn là hợp chất cao phân tử nhóm polysaccharid, đại phân tử có cấu trúc mạch thẳng với mắt xích [-C6H10O5-]

9

 Xơ libe hay xơ từ thân cây, tạo nên các chùm có xơ trong vỏ

cây như lanh, đay, gai (flax,ramie,hemp,jute,kenaf)

 Xơ từ lá: chạy dọc theo lá của các cây thường là cây một lá

mầm như chuối sợi abaca,dứa sợi agave

 Xơ từ vỏ hạt và quả như xơ bông, bông gạo

 Xơ từ thân cây ?

 Xơ từ lá cây ?

 Xơ từ vỏ hạt và quả ?

• Dạng cellulose tinh khiết nhất, polymer dồi dào nhất của tự nhiên

• Xơ libe/Bast fiber (lanh/flax, đay/jute, gai/ramie, dâm bụt Ấn/kenaf) chỉ có ¾ cellulose so với bông

• Xơ bông có khối lượng phân tử cao nhất, trật tự cấu trúc tốt nhất (độ tinh thể, định hướng)

 Là xơ và sinh khối hàng đầu trong xơ dệt

• Sau khi ra hoa  hình thành và phát triển quả bông (boll) chứa các xơ

11

• Khi quả chín  nở và các xơ xuất hiện

• Một quả bông có khoảng 30 hạt (seed), mỗi hạt chứa 2000 – 7000

xơ

• Xơ bông có màu từ trắng kem đến vàng

13

• 5-6 tuần bắt đầu có hoa, sau 8-10 tuần hoa nở và rơi đi,để lại quả bông Xơ từ các hạt mang xơ phát triển trong quả bông

• 16-18 ngày, xơ phát triển theo đường kínhvà chiều dài

• 22-50 ngày, cellulose được bồi vào trong lỗ rỗng của xơ

• Khi quá trình bồi cellulose kết thúc, vỏ quả khô và nứt

Sự phát triến của xơ bông

• Bông thương mại thuộc họ Gossipium gồm có 3 loại chính

• Gossipium Hirsutum – 87%, trồng ở châu Mỹ, châu Á, châu Phi, châu Úc, cao đến 2 mét

• Gossipium Barbadense – 8%, trồng ở châu Mỹ, châu Á, châu Phi, cao đến 2.5 mét, hoa vàng, xơ dài chất lượng tốt, xơ ngắn mảnh và dài

• Gossipium Arboreum – 5%, cây lâu năm ở Đông Phi, Đông Nam

Á cao đến 2 mét, bông đỏ, chất lượng xơ thấp

• Ngoài ra còn 4 loại khác nhưng sản lượng không đáng kể

• Bông phát triển tốt ở các vùng cận nhiệt đới (subtropical) có khí hậu ấm và ẩm

• Cần 6 – 7 tháng trong điều kiện thời tiết ấm để phát triển

• Bông được canh tác ở Nam + Bắc Mỹ, Trung Đông, Châu Phi, Ấn

Độ, Trung Quốc và Úc

• Ở Châu Âu, bông được trồng ở các nước Địa Trung Hải như Hy Lạp, Bulgaria

15

Xem mẫu xơ bông Việt Nam thu hoạch và cho biết:

- Trong bông thu hoạch có các thành phần gì ?

- Bông có màu gì ?

- Làm thế nào để làm sạch bông

- Chiều dài của bông có đồng đều không ?

- Độ mảnh của bông có đều không ?

HỆ THỐNG POLYMER

• Bông là polymer cellulose tuyến tính

• Monomer đơn vị là cellobiose, polymer bông có khoảng 5000 đơn

vị cellobiose (độ polymer hóa)

• Là một polymer tuyến tính, dài 5000nm và dày 0.8nm

• Hệ thống polymer có 65-70% phần tinh thể và 35-30% vô định hình

17

HỆ THỐNG POLYMER

• Nhóm chức quan trọng nhất  Hydroxyl (-OH)

• Còn có thể tồn tại ở dạng methylol (-CH2OH)

• Sự phân cực của (-CH2OH) làm tăng liên kết hydro giữa các nhóm –OH của các polymer bông liền kề

• Ngoài ra còn có liên kết Van der Walls nhưng không đáng kể

CẤU TRÚC

• Bông có cấu trúc đa lớp dạng thớ gồm: thành sơ cấp (primary wall), thành thứ cấp (secondary wall) và lõi (lumen)

19

CẤU TRÚC

a) Mặt cắt ngang xơ bông Các thành phần tiêu biểu của xơ bông chín, khô và thành phần mỗi thớ cấu trúc

b) Mô hình về hình thái học của xơ bông

21

CẤU TRÚC

• Xơ bông có hình dạng dẹt, giống ruy băng xoắn (twisted ribbon)

• Có khoảng 60 điểm xoắn/cm xơ bông

• Các điểm xoắn  bề mặt xơ không đều  gia tăng

ma sát giữa các xơ

• Mặt cắt ngang xơ bông giống hạt đậu hoặc hình quả thận

• Thành thứ cấp (d)  chỉ có cellulose tinh thể  cấu trúc trật tự cao, chặt chẽ  các thớ cellulose nằm song song nhau

23

CẤU TRÚC

• Lumen: lõi rỗng, chạy dọc chiều dài thân xơ bông

• Thành lumen là các vòng tròn xoắn ốc đồng tâm phía trong cùng của thành thứ cấp

• Là nơi chứa chất dinh dưỡng (sap) nuôi xơ (dung dịch loãng của protein, đường, khoáng, chất thải)

• Khi chất dinh dưỡng bay hơi  phần còn lại tạo ra màu của xơ bông + chênh lệch áp suất với khí quyển  xơ bị dẹt

• Không thể duỗi thẳng  nguyên liệu thô dễ nhàu

• Dẫn nhiệt tốt  mát khi mặc Hút nước nhưng lâu khô (độ hồi ẩm tiêu chuẩn = 8.5%)

• Dễ bị dơ  bề mặt sợi gồ ghề Co khi giặt (dung dịch kiềm mạnh)

25

TÍNH CHẤT VẬT LÝ

• Dễ bị hư hại bởi nấm mốc (mildew)  tránh lưu trữ nơi ẩm thấp

• Bị ngả vàng và giảm bền khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời đủ lâu

Hình ảnh của một điểm kết (nep) quan

sát dưới kính hiển vi

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

• Xơ bông bị axít (nóng loãng/đậm đặc nguội) làm giảm bền và dẫn đến phá hủy hoàn toàn Axít thủy phân polymer của bông

• Xơ bông tương đối bền với kiềm loãng Trương nở trong xút ăn

da Giặt được trong xà phòng nhiều lần mà không hư hỏng

• Chất tẩy trắng phổ biến với bông là NaOCl (Sodium hypocloride)

và NaBO2.H2O2.3H2O (Sodium perborate) Có hiệu quả cao trong môi trường kiềm

• Không bị ảnh hưởng bởi các chất oxy hóa nếu đem xử lý với các điều kiện được kiểm soát

29

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

• Có ái lực (affinity) tốt với các thuốc nhuộm trực tiếp (direct), hoạt tính (reactive), hoàn nguyên (vat), sulphur và azo  nhờ sự phân cực (polarity) của polymer và hệ thống polymer trong bông

• Bị nấm mốc (mildew) và bướm/nhậy (moth) tấn công  cần giải pháp ngăn chặn

• Tiếp xúc ánh sáng lâu  cellulose bị thoái hóa  tránh tiếp xúc lâu với ánh sáng trực tiếp + phơi khô nơi thoáng mát sau giặt

• Có khả năng dẫn nhiệt  chịu được nhiệt độ là/ủi cao (1500C không bị phá hủy) Cháy xém và cháy ở 2450C

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

• Không phản ứng với các muối kim loại

• Chất gây ô nhiễm không khí (tính axít)  xơ giảm bền nhanh (thủy phân do axít)  phai màu vải (phân tử thuốc nhuộm bị phá hủy)

• Giữ căng vải bông nhanh trong điều kiện trương nở, cellulose biến dạng làm bề mặt xơ sợi bóng mượt hơn

• Sau khi rửa loại bỏ alkali và sấy,

xơ bông giữ được dạng hình trụ , mặt cắt ngang tròn hơn

• Tính chất hóa học của xơ bông đã và chưa kiềm hóa không khác nhiều, nhưng bông đã kiềm hóa có khả năng hoạt hóa và khả năng nhuộm màu tốt hơn

Mặt cắt ngang của xơ bông nguyên dạng và khi bị trương nở

31

PHÂN LOẠI XƠ BÔNG

• Bông có 3 nhóm thương mại chính (theo chiều dài)

1 Chất lượng tốt (30 – 65mm)

2 Chất lượng trung bình (20 – 30mm)

3 Chất lượng thấp (< 20mm)

• Loại tốt (3 – 5% tổng sản lượng toàn cầu): chủ yếu tập trung ở Ai

Cập và Mỹ (hải đảo phía Nam)

 Chiều dài xơ: 30 – 65mm

 Độ mịn (micronaire): 2.8 – 4.5

 Độ bền xơ: 33 – 45 g/tex

33

PHÂN LOẠI XƠ BÔNG

• Loại trung bình (85% tổng sản lượng toàn cầu): tập trung ở

Trung Á (Uzbekistan, Tajikistan, Kazakhstan, Turkmenistan), Tây Phi (Chad, Mali, Ivory Coast, Burkina Faso), Châu Âu (Tây Ban Nha, Hy Lạp), Trung Đông (Thổ Nhĩ Kỳ, Syria), Mỹ (cao nguyên), Brazil và Pakistan

 Chiều dài xơ: 20 – 30mm

 Độ mịn (micronaire): 3.5 – 4.8

 Độ bền xơ: 25 – 33 g/tex

PHÂN LOẠI XƠ BÔNG

• Loại thấp: đến từ Trung Á (Uzbekistan, Tajikistan, Kazakhstan,

Turkmenistan), Mỹ và Ấn Độ

 Chiều dài xơ: < 20mm

 Độ mịn (micronaire): 4.5 – 6

 Độ bền xơ: 14 – 18 g/tex

Đặc tính sử dụng của xơ bông (1)

• Các giống bông khác nhau cho ra xơ với chiều dài khác nhau, thường chia thành các chiều dài như sau:

Xơ rất dài: 1 3/8 - 2 inches

Xơ dài: 1 1/8 - 1 3/8 inches

Xơ trung bình 1 - 1 1/8 inches

Xơ ngắn 7/8 - 1 inch

• Bông cho cảm giác sờ tay tuyệt vời, độ rủ của các loại vải cotton

khá phù hợp

• Vải bông ngoại quan tương đối tốt, độ bóng thấp, trừ khi kiềm

- Xơ bông có tính thấm hút cao, đồng thời nhả ẩm tốt

• Vì sao là đặc tính ưu việt ?

• Tuy nhiên, có nhược điểm gì khi gặp điều kiện nóng ẩm ?

- Bông bền trong cả trạng thái khô và ướt, là vật liệu rất tốt cho dệt may, tuổi thọ sử dụng cao

- Xơ bị mòn ngay cả khi chịu mài mòn chưa cao, do đó hiện tượng nổi hạn vón (pillings) xảy ra ít khi sợi/vải băt đầu bị mòn

- Bông có độ biến dạng đàn hồi và phục hồi biến dạng thấp  dẫn đến đặc tính gì của bông, cách khắc phục ?

Đặc tính sử dụng của xơ bông (2)

- Chăm sóc vải bông không quá phức tạp, dễ giặt, chịu được nhiều lần giặt do độ bền ướt và kháng kiềm khá tốt

- Vải bông có thể được sấy quay nhưng vải bông sẽ bị nhăn, thường phải

là (ủi) một cách an toàn ở nhiệt độ cao 205 °C

- Vải bông dễ cháy và tiếp tục cháy sau khi loại bỏ từ ngọn lửa Sau khi dập tắt ngọn lửa bông tiếp tục phát sáng và oxy hóa bằng một quá trình

âm ỉ gọi là cháy ánh hồng Chỉ số oxy giới hạn (Limiting Oxygen Index) (LOI) của bông 18

Đặc tính sử dụng của xơ bông (3)

37

XƠ DỪA (COIR)

• Xơ thô, ngắn (min 0.5mm) với hình dạng bất kỳ được lấy từ vỏ (husk) dừa

• Thường có màu nâu  nâu đậm

• Thành xơ dày, đặc trưng bởi lumen bất kỳ và các lỗ trên bề mặt

xơ

• Phù hợp làm thừng (rope), chão (cordage), nệm (matting), bàn chải (brush), nhồi nệm (cushion stuffing)

39

XƠ GÒN (KAPOK)

• Xơ gốc cellulose từ hạt có chứa ligin

• Được thu hoạch bằng tay từ các quả (boll)

• Được tách khỏi hạt nhờ sấy khô (drying) và lắc (shaking)

• Nhẹ, mềm nhưng dễ đứt  không được dùng trong kéo sợi

• Xơ ngắn (32mm), bóng (lustrous) với mặt cắt ngang tròn/oval

• Bề mặt xơ phẳng, phần lumen rộng và có thành mỏng

• Chưa có nhiều ý nghĩa trong công nghiệp

• Tạo thành các búi/bó xơ nằm trong lớp dưới của vỏ cây hai lá mầm (dicotyledenous)  giúp cây đứng thẳng

• Gồm các tế bào có thành dày chồng chập lên nhau + được liên kết bằng chất phi cellulose  các búi xơ dài xuyên suốt thân cây

41

• Là xơ libe đâu tiên được con người dùng tạo vải

• Xơ được tách ra từ thân cây Linum Usitatissimum, phổ biến ở các

nước ôn đới và cận nhiệt đới

Cây, Hoa và Hạt Lanh

43

CẤU TRÚC

• Xơ không quăn như bông, bề rộng xơ thay đổi theo chiều dài xơ

• Tế bào xơ có lumen xuyên suốt ở giữa Lumen hẹp nhưng rõ ràng với bề rộng ổn định

• Khi chưa chín, mặt cắt ngang hình oval + thành xơ mỏng và lumen rất lớn so với xơ chín Khi chín  thành xơ dày + mặt cắt ngang hình đa giác

• Không giãn nhiều, độ giãn đứt chỉ 1.8% khi khô và 2.2% khi ướt

• Có thể đàn hồi trong giới hạn nhỏ Độ cứng và chống uốn cao

• Độ hồi ẩm khoảng 12%, có khả năng chống phân hủy đến 1200C (bắt đầu đổi màu)

• Xơ màu hơi vàng đến xám + bóng hơn bông Dẫn nhiệt tốt  mát

• Chống kiềm tốt, giặt nhiều lần mà không bị hư vải

• Không bị ảnh hưởng xấu bởi dung môi trong giặt khô (hữu cơ)

• Không bị côn trùng/bọ nhậy tấn công

• Lanh đã qua luộc + tẩy  cellulose tinh khiết  chống mục tốt nhưng độ ẩm, nhiệt độ, độ bẩn quá mức  bị nấm mốc phá hủy

47

Lanh mới và lanh bị nấm mốc phá hủy

Ảnh SEM xơ lanh

• Gồm: đay, cây gai dầu, gai ramie, kenaf, urena, sisal, henequen,

xơ chuối, pina, bông gạo, xơ dừa, mỗi xơ có tính chất phù hợp cho những ứng dụng nhất định

• Các xơ libe quan trọng khác ngoài lanh: Đay, gai dầu (hemp) và

gai ramie

Kenaf Henequen

49

Thu hoạch và gia công xơ đay

• Xơ thu hoạch từ cây thân thảo thường niên, cây có thể cao tới 20 feet Gia công tách xơ từ ​​thân cây tương tự như với lanh, xơ libe từ

vỏ cây khi đã tách được xơ cơ bản 3m đến 5m

• Xơ cơ bản khi được dùi đập (scutch) tạo xơ kỹ thuật có chiều dài vài cm đến 1 mét Xơ tốt có chiều dài 45 – 60cm nhưng khi kéo sợi thường có chiều dài 30 – 38cm

• Để làm mềm keo thực vật (gliadin) trong ribbon của xơ libe, phải đập đay với dầu làm mềm và ép vắt lặp lại

51

Đặc điểm cơ bản xơ đay

• Có màu trắng ngả vàng nhưng xơ thô, ánh màu (shade) tùy điều kiện giầm (retting) xơ

• Các tế bào riêng biệt của đay rất ngắn, dài khoảng 0,1 inch (0.25 cm), mặt cắt ngang có năm hoặc sáu cạnh

• Đay có độ bền tương đối, không dai như lanh hoặc gai dầu

• Xơ đay cứng, nhưng có độ giữ ẩm rất lớn

• Đay rẻ, tiện dụng để sử dụng làm các vật liệu như bao tải, túi xách, và các vật liệu đóng gói

• Vải làm từ đay gọi là burlap

Thành phần hóa học xơ đay

53

• Là xơ libe thu hoạch từ cây gai dầu, quá trình gia công xử lý lấy

xơ tương tự như lanh

• Xơ gai dầu thô hơn lanh, tối màu và khó tẩy trắng

• Xơ gai dầu bền, dai, dải xơ có thể dài đến 6 feet hoặc hơn

• Tế bào gai dầu đơn dài 1/2–1 inch (1.2–2.5 cm), mặt cắt ngang xơ dạng đa cạnh (polygonal)

• Xơ gai dầu rất cứng và chứa 1 lượng lignin đáng kể Mặc dù có thể sản xuất vải hemp từ ​​một số cây gai dấu nhất định, nhưng xơ từ cây gai dầu được sử dụng chủ yếu trong vải thô, bao gồm cả vật liệu làm bao tải, vải, dây thừng, sợi bện

55

• Ramie là xơ libe thường được gọi là cỏ Trung Quốc

• Xơ ramie sợi tách từ thân cây bằng cách tước bỏ lớp vỏ bên ngoài cây và ngâm trong nước

• Phải khử chất keo (gum) trong xơ với môi trường kiềm trước khi kéo sợi

• Ramie màu trắng với độ bền và độ bóng rất tốt

• Xơ ramie cứng và khá thô,các tế bào của xơ rất dài, mặt cắt ngang không đồng dạng

• Ramie rất hữu ích trong các ứng dụng công nghiệp và đang được

sử dụng nhiều trong nội thất