3.4.1. Биоповреждения хлопковых волокон

Хлопковое волокно - ценное сырье текстильной промышленности.

Зрелое хлопковое волокно представляет собой элементарную вытянутую растительную клетку и под микроскопом имеет вид сплющенной трубочки со штопорообразной извитостью. Верхний конец волокна конусообразный и наглухо закрыт. Нижний конец, примыкающий к семени, оборван и имеет открытый канал.

Поверхность волокна покрыта тонким слоем жировосковых веществ - первичной стенкой или кутикулой. Этот слой выполняет защитную роль и обладает достаточно высокой химической стойкостью. Верхний слой первичной стенки упакован менее плотно, чем внутренний, вследствие расширения поверхности волокна в процессе его роста. Фибриллы целлюлозы в первичной стенке не имеют строгой ориентации.

За кутикулой расположена вторичная стенка хлопкового волокна. Этот слой является основным и содержит наибольшее ко-

129

личество целлюлозы. Вторичная стенка состоит из плотно упакованных параллельно ориентированных фибрилл. Содержание микропор в этом слое незначительно.

Третичная стенка - это область, прилегающая непосредственно к каналу волокна. Она содержит слабоупорядоченные фибриллы целлюлозы и значительное количество примесей белкового характера, протоплазмы, пектиновых веществ. В этом слое большое количество субмикроскопических пространств и пор.

Канал волокна заполнен остатками протоплазмы в виде белковых веществ, содержит различные минеральные соли и комплекс микроэлементов.

Структура хлопкового волокна формируется в процессе его созревания. При этом происходит не только биосинтез целлюлозы, но и упорядочение расположения макромолекул этого вещества. Из всех растительных волокон хлопок содержит наибольшее количество целлюлозы (95 - 96 %). Волокна хлопка содержат также небольшое количество жировых, воскообразных, красящих, минеральных веществ (примерно 4 - 5 %). Сопутствующие целлюлозе вещества располагаются между пачками макромолекул и фибриллами. Сырой хлопок содержит минеральные вещества (К, Na, Са, Mg), значительно способствующие росту плесневых грибов. В нем имеются также микроэлементы (Fe, Cu, Zn), стимулирующие рост микроорганизмов. Кроме того, имеются сульфаты, фосфор, глюкоза, глициды и азотистые вещества, также стимулирующие рост микробов. Различия в концентрации этих веществ - причина разной степени агрессивности микроорганизмов в отношении волокна.

Зрелость хлопкового волокна характеризуется его заполнением целлюлозой. С увеличением зрелости волокна повышаются его прочность, упругость, улучшается окрашиваемость.

Микроскопические грибы и бактерии способны разлагать целлюлозу и лигнин, в результате чего в среде накапливается глюкоза, которая используется микроорганизмами в качестве источника питания.

Благоприятными условиями для разрушения хлопка микроорганизмами являются 9 %-я влажность волокна и нормальная температура. При машинном сборе хлопок-сырец сильно засоряется посторонними примесями. В него в большом количестве попадают частички листьев, коробочек и веточек с большей, чем волокно, влажностью. Посторонние частицы создают около себя влажную макрозону, в которой и будут усиленно размножаться микроорганизмы.

В более сильной степени микроорганизмами повреждаются низшие сорта хлопка, имеющие большую влажность. В волокнах пятого сорта количество микроорганизмов в 3 - 5 раз больше, чем в волокнах первого сорта. При раскрытии хлопковых коробочек число

130

микроорганизмов на них резко увеличивается, так как ветер вместе с пылью заносит на волокна споры грибов и бактерий.

В настоящее время установлено, что степень повреждения хлопкового волокна непосредственно в коробочках может достигать 42 - 59 %. Степень повреждения волокна зависит от его сорта, селекции, условий культивирования и сроков сбора.

Основой причиной повреждения хлопкового волокна являются неспоровые бактерии, относящиеся к так называемым эпифитным микроорганизмам. Неспоровые эпифитные бактерии, которые обитают на хлопчатнике, проникают с семян хлопчатника в канал волокна и начинают в нем развиваться.

Питательная среда канала и влажность стимулируют развитие эпифитных микроорганизмов. Используя химические вещества канала, микроорганизмы затем проникают в субмикроскопическое пространство третичной стенки, используя в первую очередь пектиновые и белковые вещества.

Далее, выделяемые микроорганизмами ферменты и продукты жизнедеятельности начинают вызывать гидролиз макромолекул целлюлозы, усиливая поврежденность волокна изнутри. Таким образом, волокно, поступающее на перерабатывающие фабрики может быть уже в значительной степени повреждено, что неизбежно сказывается на процессах производства пряжи, ткани и др.

Поврежденность хлопка приводит:

• к значительному снижению прочности самих волокон и изделий, вырабатываемых из них;
• нарушению технологического процесса переработки (мельчайшие частицы липкой слизи, выделяемой некоторыми видами бактерий и грибов, становятся причиной залипания рабочих органов машин);
• повышению обрывистости;
• увеличению отходов.

В условиях прядильного производства микрофлора хлопка сохраняет жизненную активность, в результате чего происходит значительное увеличение степени исходной поврежденности хлопка.

В природных условиях изделие из хлопка широко используется в контакте с почвой (палаточные ткани). В этих условиях одновременно

131

с повреждением волокна изнутри происходит повреждение снаружи. В этом случае основную роль в повреждении тканей играют целлюлозоразрушающие бактерии и грибы.

Наиболее серьезные повреждения хлопка возникают в процессе его хранения. Установлено, что в результате хранения хлопкового волокна в помещениях с высокой влажностью степень его повреждения достигает 24 %. Хранение хлопка в кипах, накрытых брезентом, представляет большую опасность, особенно после дождей. Так, через полтора месяца такого хранения степень повреждения волокна достигает 50 % и более.

Академик А.А. Имшенецкий указывал, что аэробные целлюлозные бактерии способны размножаться в режиме повышенной влажности, грибы же размножаются при более низкой влажности. Текстильные изделия разрушаются грибами при их влажности около 10 %, бактерии же разрушают эти изделия только при влажности не менее 20 %. Из этого следует, что при переработке хлопка в пряжу основное внимание следует уделять борьбе с грибами, а

Рис. 23. Микрофотографии хлопкового волокна:
1 - исходное волокно (× 4500); 2 - 4 волокно, поврежденное различными микроорганизмами: 2 - Aspergillus niger (× 3000); 3 - Bacillus subtilis (× 4500); 4 - Pseudomonas fluorescens (× 10000)

132

при кручении ниток мокрым способом и при отделке тканей и трикотажных изделий следует бороться не только с грибами, но главным образом с бактериями.

Известно, что на хлопковых волокнах обычно существуют следующие грибы: Мисоr (использует растворимые в воде вещества), Aspergillus (рис. 23, 7, 2), Penicillium (используют нерастворимые соединения), Chaetomium, Trichoderma и др. (разлагают целлюлозу). Таким образом, некоторые из плесневых грибов вызывают настоящий распад волокна, от которого следует отличать простой поверхностный рост микроорганизмов. Например, на аппрете могут обильно вегетировать грибы рода Мисоr, неспособные вызывать распад целлюлозы.

Наряду с грибами на хлопке-сырце постоянно присутствуют бактерии, представленные чаще всего видами из родов Bacillus Pseudomonas (рис. 23, 3).

В пораженном микроорганизмами хлопковом волокне содержание целлюлозы уменьшается на 7,5 %, количество пектиновых веществ - на 60,7 %, количество гемицеллюлоз - на 20 %, содержание нецеллюлозных полисахаридов также снижается. Биостойкость целлюлозы повышается с увеличением степени ее кристалличности и ориентации макромолекул, а также по мере замещения гидроксильных групп другими функциональными группами.

У целлюлозы неповрежденного хлопкового волокна доля упорядоченной области составляет 76,5 %, малоупорядоченной - 7,8 %, неупорядоченной - 15,7 %. При микробиологическом разрушении доля неупорядоченных областей в целлюлозе хлопка снижается до 12,7 %, а упорядоченных областей возрастает до 80,4 %. Соотношение малоупорядоченных областей изменяется незначительно. Это свидетельствует о том, что степень упорядоченности структуры целлюлозы хлопка возрастает за счет разрушения неупорядоченных областей.

Каждой стадии повреждения хлопкового волокна соответствует определенный вид деструкции волокна. Начальная степень повреждения проявляется в испещренности, когда вследствие нарушения стенки волокна его поверхность содержит трещины различной длины и ширины.

Вздутия образуются в результате скопления микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности в большом количестве в определенном участке волокна. Вздутия могут сопровождаться разрывом стенки волокна под давлением биомассы. В этом случае микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности выступают наружу, что приводит к закатыванию волокна в комочки, а в пряже - к ее обрывам, неравномерности по тонине и прочности.

Действие наружной микрофлоры вызывает повреждение стенки. Наивысшая степень деструкции - это распад, расслоение волокна

133

на отдельные фибриллы. Оформленная структура волокна при этом отсутствует.

Во всех случаях повреждений на поверхности волокна может присутствовать большое количество грибного мицелия, который своими гифами пронизывает все волокно или окутывает его, что препятствует процессам прядения и крашения текстильных материалов.

Ферментативная активность грибов проявляется в строго определенных местах микрофибрилл целлюлозы, а скорость потери прочности зависит от внешних климатических условий. Так, типичные штаммы целлюлозолитических грибов в результате двухнедельного воздействия в лабораторных условиях при температуре +29 °С снижают прочность хлопчатобумажной ткани на 82 - 98 %. Та же ткань за 6 дней пребывания в почве при температуре +29 °С теряет 92 % исходной прочности. До 90 % исходной прочности теряет хлопковое волокно за 65 сут. пребывания в морской воде.

134