Под микроскопом в хлопковом волокне наблюдаются некоторые структурные отличия в зависимости от степени зрелости волокна. Степень скрученности и поперечный срез волокна имеют весьма разнообразную форму и зависят от зрелости волокна. От степени зрелости зависят и свойства волокна. Незрелые волокна имеют вид сплющенных ленточек с тонкими стенками и широким каналом, обладают малой прочностью, плохо окрашиваются и не пригодны для переработки. По мере созревания волокон отчетливо проявляются стенки, ограничивающие его канал. Волокно нормальной степени зрелости имеет вид штопорообразной извитой трубочки с развитыми стенками и внутренним каналом, замкнутым со стороны естественного конусообразного окончания волокна и открытого в месте прикрепления волокна к семени (рис. 2). У перезрелых волокон канал составляет его поперечник; извитость почти исчезает, они очень жесткие и ломкие [8].
Рис. 2. Внешний вид хлопкового волокна нормальной зрелости
По внешнему виду, толщине стенок и площади поперечного сечения все волокна хлопка подразделяют на 11 групп, обозначаемых коэффициентами зрелости (от 0,0 до 5,0): 0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0 (рис. 3) [9].
Чем выше степень зрелости волокна, тем выше его качество. Нормальная зрелость хлопкового волокна по эталону от 3,5 до 4,0. Степень зрелости от 4,5 до 5,0 характеризует перезрелое волокно (оно менее благоприятно для текстильного производства). Для незрелого волокна коэффициент зрелости составляет 0,0. Незрелые и недозрелые волокна являются дефектными [9].
Рис. 3. Внешний вид хлопкового волокна различной степени зрелости
Как и все структурные элементы хлопкового волокна, канал выполняет определенную функцию. Наличие воздуха в канале, являющегося плохим проводником тепла, повышает теплозащитные свойства изделий из хлопка; остатки протоплазмы служат питательной средой для развития естественной микрофлоры хлопкового волокна, которая вызывает его повреждение в условиях повышенной влажности и температуры [9].
Важную роль в формировании свойств хлопка и хлопчатобумажных изделий играет химический состав хлопкового волокна. Основным веществом, из которого состоит хлопковое волокно, является целлюлоза (94-95 %). Кроме того, хлопок содержит в себе жиро-восковые вещества (0,65 %), пектины (2 %), гемицеллюлозы, белковые, зольные, красящие вещества и воду [9].
Из всех органических соединений целлюлоза является самым распространенным высокомолекулярным соединением, макромолекулы которого состоят из большого числа повторяющихся единиц – 13-глюкозных остатков, соединенных гликозидными связями между первым и четвёртым углеродными атомами (рис. 4) [10].
Число глюкозидных остатков достигает 10 000 и более. В молекуле целлюлозы элементарные звенья С6Н10О5 содержат три химически активные гидроксильные группы ОН, которые способствуют возникновению сильного межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей, обеспечивая значительную прочность и жесткость целлюлозы.
Рис. 4. Структурная формула целлюлозы
Кроме того, наличие большого количества гидроксильных групп в макромолекуле определяет поглощение воды и сообщает целлюлозе спиртовой характер в химических реакциях [10]. Свойства хлопковых волокон во многом зависят от гликозидных связей, наименее устойчивых к действию деструкторов различного характера: физикохимических, биологических и др.
Спутники целлюлозы хлопковых волокон также влияют на его свойства: белковые и гемицеллюлозы – на биостойкость; воскообразные – на плохую смачиваемость, затрудняющую процесс крашения, а также на процесс прядения (облегчают скольжение волокон); пигменты придают цвет [9].
1.2. Технологии первичной обработки и прядения хлопкового волокна
Развитие волокон хлопка начинается после цветения в период созревания плодов. Плод ‒ коробочка диаметром 1,5-4,5 см с 25-35 семенами (рис. 5). Отдельные клетки (1) на поверхности семян (2) начинают интенсивно расти в длину, образуя тонкостенные трубочки с каналом внутри, открытым с одной стороны. Эти трубочки и представляют собой волокна хлопка. Когда коробочка хлопчатника раскрывается 3-5 створками, рост волокна в длину прекращается, на стенках волокон начинает откладываться целлюлоза. Стенки становятся толще, канал уже, жидкость, наполнявшая внутреннюю полость волокна, высыхает, волокно сплющивается и закручивается по спирали [8].
Рис. 5. Развитие волокон хлопка
Созревание хлопка происходит на 5-7 неделе после цветения. Когда плод хлопчатника созревает, коробочка раскрывается, и волокно вместе с семенами собирают сборщики или хлопкоуборочные машины. Уборка хлопка обычно производится в два приема по мере раскрытия коробочек. Часть коробочек, не раскрывшихся до поздней осени, остается на кустах. В Средней Азии такие коробочки называют курак. Их убирают в ходе третьего подбора [8].
Собранный после созревания хлопок, называемый хлопкомсырцом, содержит по весу 60-65 % семян и 35-40 % волокон (некоторая доля может приходиться и на примеси, грязь). После сбора хлопок помещают на солнце для высыхания – это необходимо для отделения волокон от семян. Стадия сбора хлопка требует существенных трудозатрат, в наиболее развитых странах сбор происходит с использованием специальных механических приспособлений. Хлопкоуборочные комбайны имеют быстровращающиеся шпиндели, представляющие собой металлические стержни со специальной насечкой, на которые наматывается выступающий из раскрытых коробочек хлопок-сырец. Со шпинделей он снимается быстровращающимися щеточными барабанами и под действием тяги воздуха передается в бункер машины. Перед машинным сбором поля очищают от сорняков и вызывают опадание 70-80 % листьев с кустов, опрыскивая их цианамидом кальция или другими ядохимикатами. Производительность машинного сбора в 50-70 раз больше ручного, но волокно более засорено растительными примесями и требует более интенсивной очистки [8].
Хлопок-сырец складируется в частном хозяйстве или свозится (так принято, например, в Средней Азии) на хлопкоприемный пункт – специально оборудованное предприятие, где хлопок взвешивается и складируется на сухих выровненных площадках в виде огромных кубов, покрываемых затем брезентом или пленкой. Хлопкоприемные пункты обычно обслуживают сразу несколько хлопководческих хозяйств. Здесь хлопок-сырец дожидается своей очереди для отправки на хлопкоочистительный завод [8].
Первым орудием для очистки хлопка от семян в Индии была так называемая «чурка», состоящая из двух валиков, причем верхний неподвижный, а нижний вращающийся рукояткой (рис. 6). Хлопок с семенами подается между валиками, валик захватывает волокно и протаскивает его на другую сторону, а семена не могут пройти между валиками, отрываются и падают впереди. При этой операции два-три сменных рабочих могли очистить в день не более 6-8 кг чистого хлопка [7].
Рис. 6. Первобытное оруд ие для очистки
По-настоящему решить задачу очистки хлопка от семян удалось американскому изобретателю Эли Уитни (Whitney). В 1793 году он предложил использовать для очистки хлопка от семян пильную хлопкоочистительную машину, так называемый «Коттон-джин» (рис. 7) [7].
Рис. 7. Хлопкоочистительная машина «Коттон-джин»
Коттон-джин представляет собой деревянный ящик, в котором вращаются два цилиндрических вала, на переднем вале насажены круглые пилы, а на заднем ‒ щетки. Над этими двумя валами находится ящик, дно которого состоит из колосниковой решетки, в отверстиях которой и вращаются пилы при работе джина. Хлопок-сырец подается в ящик, пилы захватывают его снизу своими зубьями, проталкивают сквозь решетку и при вращении передают его сзади их находящимся щеткам, которые работают в 3-4 раза быстрее и образуют такую сильную тягу, что волокна хлопка быстро отлетают от них. Конденсеры собирают все эти хлопья вместе и выпускают их в виде бесконечного полотна. Семена хлопка отрываются от волокна и падают в передней части джина. Коттон-джин чрезвычайно ускорил и удешевил работу по очистке хлопка от семян. С этого же времени хлопководство стало быстро и повсеместно развиваться, как никакая другая отрасль промышленности в мире [7].
Сегодня используется более совершенное оборудование для очистки хлопка, однако оно сделано на базе машины «Коттон-джин». В наши дни после сбора хлопок отправляют на хлопкоочистительный завод, где происходит предварительная очистка и отделение волокон от семян (джинирование).
В массе хлопка кроме волокон содержатся различные сорные примеси, наличие которых снижает качество хлопка. Их количество зависит главным образом от способа сбора хлопка-сырца, его первичной обработки, а также от разновидности хлопчатника и условий его произрастания [10, 11].
