Натуральные волокна и биотекстиль

Растительные волокна — не филаменты. Каждое из них представляет собой растительную клетку или склеенный пучок клеток со слоистой стенкой, построенной в ходе роста, — и способ её постройки определяет почти всё, что затем измерит прядильщик или расчётчик композита.

Жёсткость задаёт угол микрофибрилл

Несущий элемент — целлюлоза в кристаллической форме, навитая микрофибриллами по спирали вокруг просвета клетки. Господствует толстый слой S2 вторичной стенки, и управляющей переменной служит угол его спирали к оси волокна. Малый угол направляет кристаллические цепи почти вдоль оси, и приложенная нагрузка идёт прямо в ковалентный остов: волокно жёсткое и прочное, но мало удлиняется. Большой угол означает, что спираль сперва должна раскрутиться против аморфной матрицы из гемицеллюлоз и лигнина, поэтому волокно податливо и растяжимо ещё до того, как начнёт нести нагрузку.

Отсюда следует, что лён и конопля с малым углом микрофибрилл и содержанием целлюлозы заметно выше 70 % жёстки, прочны и неподатливы, а хлопок — одиночная спавшаяся скрученная клетка с большим и менее правильным углом — слабее, но гораздо растяжимее и комфортнее. То же рассуждение объясняет, почему жёсткость волокна нельзя поднять переработкой: угол зафиксирован растением.

Лубяные волокна нужно высвободить

У льна, конопли, джута и рами волоконные клетки лежат в стебле пучками, сцементированные пектинами, а у более грубых волокон и лигнином. Мочка разрушает этот цемент: росяная мочка опирается на полевую микрофлору, дёшева и зависит от погоды; водяная быстрее и даёт стоки с высокой органической нагрузкой; ферментативная использует пектиназы и управляется много точнее. Недомоченное сырьё оставляет пучки слишком грубыми и жёсткими для тонкой пряжи; перемоченное — теряет прочность, потому что разрушается уже сама целлюлоза. Проверить точку окончания, не остановив процесс, нельзя, и это практическая причина того, что качество лубяного волокна так сильно гуляет от партии к партии.

Поскольку лубяное волокно — техническая пучковая единица, а не одиночная клетка, измеренная прочность зависит от того, насколько хорошо пучок разделён; поэтому публикуемые значения прочности для таких волокон плохо сопоставимы, если не указана база испытания.

Прядомость и честное сравнение

Кольцевая пряжа держится трением между перекрывающимися волокнами, поэтому длина штапеля, тонина и их распределения решают, насколько тонкой и ровной может быть пряжа. Короткое, грубое, неоднородное лубяное волокно приходится резать и облагораживать — котонизировать — под хлопковое оборудование, и каждый такой шаг укорачивает волокна и теряет материал. Именно это, а не агрономия, объясняет, почему коноплю обычно смешивают, а не используют в чистом виде.

Все натуральные волокна гигроскопичны, а их механические свойства зависят от влажности, — поэтому испытания на растяжение ведут после кондиционирования при 20 °C и 65 % относительной влажности по ISO 139 и отчитываются по ISO 2062. Прочность волокна, приведённая без условий кондиционирования, спецификацией не является. Сам разброс и есть честный потолок: растительное волокно — сельскохозяйственный продукт с распределением, и проектировать с ним значит проектировать по нижнему хвосту.