ALKEMIJA, KEMIJA, VLAKNA I ČAROLIJE HARRY POTTERA
Ovim blogom se okrećem čistim umjetnim vlaknima, koja nastaju kemijskom sintezom različitih spojeva, zato se kolokvijalno nazivaju – sintetička vlakna. Slijedi kemija s dodatkom čarolije… provjerite kakve!
U prošlom sam blogu (https://cadfashionstudio.com/saga-o-umjetnim-vlaknima-dio-2-viskoza-rayon-i-njezine-inacice/) pisala o umjetnim vlaknima iz prirodnih izvora (celuloze) koji čine veliki dio današnjih tekstilnih materijala za (i ne samo za) odjeću, dok u ovom počinjemo od vlakana koja ne postoje u prirodi.
Volite li kemiju?
Kemiju ili volite ili ne volite. Ako se niste u nju (kao ja) zaljubili odmah u 7.razredu osnovne škole, malo je vjerojatno da se ta ljubav rodi naknadno. No, otkad je stvoren fascinantan svijet Harry Pottera, čarolija alkemije približila je kemiju čak i njezinim mrziteljima. Zašto? Možda zato što sama današnja znanost kemije ima svoje početke upravo u alkemiji, čiji korijeni sežu duboko u povijest, nekih 1.500 godina prije Krista.
ALKEMIJA
Prije razvoja kemije kao znanosti, čovjek je koristio samo ono što je našao u prirodi. Pronalaskom vatre naučio je iz stijena taljenjem izvlačiti elemente poput željeza ili bakra, te ih oblikovati u suđe i druge potrepštine. Prilagođavao je tako prirodu potrebama svog opstanka. Kad je čovjek pronašao zlato, mislilo se da je to vrhunac i da nema ničeg iza toga.
Zato su, sve do 14.stoljeća naše ere, svi napori alkemičara išli u smjeru pretvaranja tada poznatih metala (željezo, bakar, olovo i sl.) u zlato, kojeg su smatrali svemogućim i svetim. Takvo “čarobiranje” je u povijesti dobilo svoje ime: Alkemija.
Drevna Alkemija se zasnivala na poznavanju 4 osnovna prirodna elementa: Vatra, Voda, Zemlja i Zrak. Aristotel je u svojem djelu “Fizika” (https://en.wikipedia.org/wiki/Physics_(Aristotle), u teoriju prirodnih elemenata dodao i peti element: Eter (Aether). Budući da je eter lakši od zraka i diže se iznad njega, vjerovao je da eter omogućava postojanje svih ostalih prirodnih elemenata kao i gibanje planeta.
Moderni “alkemičari” su tim četirima elementima, u sjajnoj filmskoj znanstvenoj fikciji “Peti element” dodali i peti element, kojeg su definirali kao “Savršeno biće” ili Ljubav – ključ skladnih odnosa svih prirodnih elemenata. (Peti element – Wikipedija)
KEMIJA
Tek u 17.stoljeću, s pojavom prvih pravih znanstvenika, poput Roberta Boylea https://hr.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle, alkemija je počela ustupati mjesto drugačijem poimanju tvorbe i odnosa između tvari u našem okruženju, zasnovanom na eksperimentalnim metodama, kojima se procesi mogu dokazati. Boyle je ušao duboko u građu tvari, do atoma i dublje, te dokazao da su tvari mnogo kompleksnije u svojoj biti, te je postavio prve fizikalne i kemijske znanstvene prakse. Zato ga se naziva ocem moderne kemije.
KEMIJA
KEMIJA (grčki: χημεία chimeía; starofrancuski: alkemie; arapski al-kimia: umjetnost preobrazbe; starohrvatski naziv: lučba/ludžba- odvajanje) je znanost koja proučava ustroj, osobine, sastav i pretvorbu tvari. Kemija se dakle bavi preobrazbom kemijskih elementa i spojeva u neke druge spojeve kroz njihove međusobne reakcije.
Pitate se što je to tako fascinantno u kemiji? Za mene, to je istinska umjetnost preobrazbe tvari, da se poslužim doslovnim prijevodom arapskog pojma “al-kimia”.
Kemija otvara prozor u jedan sasvim poseban i čaroban svijet elemenata, atoma, iona, neutrona i protona, u nevjerojatne mogućnosti njihovog kombiniranja, spajanja i razdvajanja, upire pogled u još neistražena područja, u svijet koji je na prvu bezobličan, a u pozadini otkriva fascinantnu matematičku pravilnost… zato sam kemiju oduvijek doživljavala kao čaroliju.
KEMIJSKA (sintetička) VLAKNA
Dio te čarolije je i nastajanje kemijskih, umjetnih odnosno sintetičkih vlakana, koja se zasnivanju isključivo na kemijskim reakcijama, i to u strogo kontroliranim industrijskim okolnostima. Ova vlakna ne rastu, nemaju srce od celuloze niti od bjelančevina, drugim riječima – nema ih u prirodi.
Znači, sintetička vlakna ne postoje – sve dok se određeni kemijski elementi određenim kemijskim procesima ne spoje u određene molekule spojeva, koji se zatim umnožavaju kompleksnim metodama polimerizacije u tvari iz kojih se umjetno oblikuju u vlakna
Da bi uopće mogli razumjeti o čemu se to zapravo radi, moramo se najprije upoznati s elementarnim pojmovima i procesima iz kemije, presudnim za razumijevanje postupaka dobivanja gotovo svih sintetičkih vlakana.
ugljik (C)
Znate li da je ugljik najvažniji kemijski element živog svijeta?
Ugljik (C), u periodnom sustavu elemenata nosi atomski broj 6, i ima atomsku masu 12,0112, te je, poslije vodika (H), najrasprostranjeniji kemijski element na Zemlji. Činjenica je da bez ugljika nema života na Zemlji.
U prirodi se ugljik najčešće nalazi vezan u karbonatnim stijenama, u mineralnim i fosilnim tvarima, u vodi i u atmosferi. U svemiru sudjeluje u termonuklearnim reakcijama tzv. vrućih zvijezda.
Na Zemlji, ugljik (osim vodika) tvori više kemijskih spojeva nego svi ostali elementi zajedno. Razlog tome je njegova 4-valentnost, što znači da se s atomima drugih elemenata može kvalitetno spajati jednostrukim, dvostrukim i trostrukim kovalentnim vezama, na različite načine, pri čemu tvori dugačke lance ili prstenove. Spojeve ugljika proučava dio kemije koji se naziva Organska kemija.
Znate li da je osnovni sastojak sintetičke odjeće koju nosite – ugljik? Svaki naš odjevni predmet koji u svom sastavu sadrži poliester, najlon, akril sl. baziran je na spojevima kojima je ugljik osnovni element. Koliko je ugljik zanimljiv element govori i činjenica da se pojavljuje u najrazličitijim oblicima, evo nekih:
AMORFNI UGLJIK – npr. čađa, ugljen, koks i sl. – oni su amorfne vrste ugljika, jer nemaju pravilnu kristalnu strukturu (bezoblični su)
ALOTROPSKE MODIFIKACIJE UGLJIKA – dijamant, grafit i fuleren – Alotropi su dva ili više oblika istog kemijskog elementa koji se međusobno razlikuju po broju atoma ugljika u kristalnoj rešetki i po svojim fizikalnim svojstvima.
Zbog svojih alotropskih modifikacija, ugljik se u prirodi može naći u obliku prašine koja nastaje gorenjem – to je čađa, zatim kao siva meka tvar – to je grafit (npr. u olovkama) a može se pronaći i kao proziran kristal visokog sjaja i tvrdoće – to je najskupocjenija tvrda tvar – dijamant.
Svi su oni sastavljeni od istog elementa – ugljika, samo su broj ugljikovih atoma i kemijske veze između njima (način povezivanja atoma ugljika) različiti. Fascinantno, zar ne?
Ugljikovodici
Ugljikovodici su najjednostavniji organski kemijski spojevi koji u svojim molekulama sadrže samo atome ugljika i vodika, kao što im i samo ime kaže.
Kao dva najzastupljenija kemijska elementa na Zemlji, odgovorni su za gotovo sve spojeve od kojih nastaju danas poznati proizvodi, osobito oni dobiveni iz plastičnih masa. Ugljikovodici su ključni sastojak fosilnih izvora poput nafte, ugljena, zemnog plina i sl. i tvore ih gotovo u potpunosti. Oni su pokretači današnjeg svijeta.
Budući da su u tim zemnim tvarima tako izrazito zastupljeni, oni su i izvor ugljikovih spojeva iz kojih se kemijskim sintezama i umnožavanjem (polimerizacijom) dobivaju gotovo sve plastične mase ali i sva umjetna (sintetička) vlakna.
No, izgaranjem navedenih ugljikovodika iz fosilnih izvora oslobađaju se ogromne količine (velikim dijelom) štetnih plinova kao što su ugljični dioksid (CO2) i ugljični monoksid (CO), a koji je tek krajem prošlog milenija prepoznat kao globalna opasnost i uzročnik niza poremećaja u prirodi, kao i alarmantnih klimatskih promjena. Zbog toga u ovom trenutku i jesu toliko u fokusu svjetske, kako znanosti, tako i javnosti.
Zbog toga će, u vremenu ispred nas, biti potrebno postaviti nove znanstvene ciljeve i pronaći metode dobivanja sada neophodnih tvari i industrijskih proizvoda široke potrošnje smanjenjem (ili potpunom eliminacijom) upotrebe ugljikovodika iz fosilnih izvora.
Organska kemija
Sintezom ugljikovih spojeva bavi se u najvećoj mjeri grana kemije koja se naziva Organska kemija ili Kemija ugljika. Ona se zasniva prvenstveno na spojevima nemetala: ugljika (C), vodika (H), Kisika (O), dušika (N) i fosfora (P), te halogenih elemenata fluor (F), klor (Cl), brom (Br), jod (J) i katkad, astat (At).
Polimerizacija
Organska kemija proučava spojeve ugljika koji čine živi, dakle organski, svijet. Jedan od najvažnijih procesa u organskoj kemiji, bitnih za dobivanje plastičnih masa kao i sintetičkih vlakana, jest polimerizacija. Polimerizacija je proces umnožavanja kratkih molekula nekog kemijskog spoja (monomera) u dugački lanac (polimer) koji spoju dodaje neku trajnu vrijednost.
Čarolije Harry Pottera
Kako objasniti polimerizaciju? Ima jedna usporedba koja mi se čini skoro pa savršena. Sjećate li se Harry Potter čarolije GEMINIO… ono kad imaš jedan pehar, koji se svakim dodirom duplicira, i što ga više diraš, umnožava se u beskonačno?
E, pa slična čarolija je naša polimerizacija: jedan spoj – monomer (npr. pehar u čaroliji) se, uz prisutnost katalizatora (dodira u toj čaroliji), pretvara u lanac od više monomera – tj. u polimer (hrpa pehara u čaroliji).
POVIJEST KEMIJSKIH (sintetičkih) VLAKANA
Težnja ljudi da stvore umjetne inačice prirodnih vlakana seže duboko u povijest. Zašto su se ljudi uopće počeli baviti tom mišlju? U 16. i 17. stoljeću znanost se je počela na veliko razvijati, s primarnim ciljem traženja rješenja za svakodnevne probleme tadašnjeg stanovništva.
Budući da su za odjeću, obuću, užad, jedra, povodce i sve druge potrebe na raspolaganju tada imali samo prirodne materijale, koji ili rastu na zemlji (pamuk, lan, konoplja i sl.) ili na životinjama (ovčja vuna, dlake koza, svila), stanovništvo se je mučilo s različitim ograničenjima materijala iz tih izvora.
Katkad bi podbacio urod pamuka, katkad bi bolesti i druge pošasti uništile legla ovaca, katkad bi potonuli brodovi koji su prevozili vunu ili svilu, pa bi ponuda takvih sirovina bila ograničena i skupa.
Osim toga, procesi dobivanja izdržljivih tkanina i užadi za transport i brodove bili su dugotrajni i teški, a sveprisutna vlaga, moljci ili drugi nametnici bi često uništavali sav trud. Povećanjem populacije i učestalim prekomorskim putovanjima istraživača, potrebe za pouzdanim materijalima su kontinuirano rasle, a sve je kulminiralo prvom i drugom industrijskom revolucijom, kad su strojevi počeli mijenjati ljude, a za njihov rad je bilo potrebna visoka izdržljivost prijenosnih materijala.
Krajem 30-ih godina prošlog stoljeća pokušaji sintetiziranja materijala iz potpuno umjetnih izvora rezultirali su prvim “plastičnim” spojevima: poliamidima. Poliamidi su umjetni materijali visokog tališta, dobre vlačne čvrstoće, udarne žilavosti i otpornosti prema otapalima, abraziji i umoru materijala.
Iz njih su brzo proizvedeni prvi sintetski polimeri koji su se primijenili kao tekstilna, tzv. poliamidna vlakna (PA), a koja su među najvažnijim vlaknima i danas. Najznačajniji su poliamid 6,6 (poznat kao najlon, Nylon) kojeg je 1938. na tržište stavila američka kemijska tvrtka DuPont i poliamid 6 (poznat kao Perlon), kojeg od 1939. proizvodi njemačka tvrtka I. G. Farbenindustrie.
Od tada pa do danas, sintetička vlakna su postala dominantna u proizvodnji i potrošnji, kako odjeće, tako i ostalih upotrebnih predmeta od tekstilnih materijala. Prema najnovijem statističkom izvještaju iz rujna ove godine Materials-Market-Report-2024.pdf, sintetička vlakna su potpuno zavladala svijetom, čineći ukupno blizu 70 % svih vrsta vlakana (cca 124 milijuna tona) proizvedenih 2023.godine. Zastrašujuće?
vrste sintetičkih vlakana
U svijetu sintetičkih vlakana, kojih ima desetak vrsta, neka su sporadična a neka dominantna. Za potrebe ovog bloga, dajem cjelokupni pregled sintetičkih vlakana, ali bih se (za one koji traže konkretno znanje i bolje razumijevanje) dublje pozabavila s dvije vrste sintetičkih vlakana: poliesterom – kao daleko najzastupljenijim sintetičkim vlaknom, kojem ću posvetiti cijeli jedan (i to sljedeći) blog i elastanom (kao jednim od najvažnijih „pomoćnih“ vlakana o kojima se u javnosti rjeđe govori, a bez njega skoro da više nema tkanina i pletiva za izradu odjeće).
Neke od danas najzastupljenijih vrsta sintetičkih vlakana su:
POLIESTER (PES)
Poliester (ili Polyester, PET, poliestersko vlakno i sl.): To je sintetičko vlakno poznato po svojoj izdržljivosti, otpornosti na gužvanje i svojstvu brzog sušenja. Obično se koristi u odjeći, presvlakama, madracima , jastucima i pokrivačima te opremi za aktivnosti na otvorenom. Jedno je od najzastupljenijih vlakana na svijetu, s cca 57% ukupne proizvodnje svih vrsta vlakana.
Proizvodnju PES vlakna ćemo, zbog njegove iznimne zastupljenosti, detaljnije obraditi u sljedećem blogu.
POLIAMID (pa)
Poliamid (ili Polyamid, Nylon, PA 6 ili PA 6,6; poliamidno vlakno, najlon i sl): Sintetičko vlakno poznato po svojoj čvrstoći, elastičnosti i otpornosti na abraziju, uz to je vrlo je lagano vlakno. Koristi u odjeći, tepisima i užadi, a najpoznatija primjena poliamidnog filamenta (beskonačno dugog vlakna) su ženske najlon čarape, kolokvijalno samo „najlonke“… Njegova globalna zastupljenost je svega 5% ukupne godišnje proizvodnje vlakana, iako je drugo sintetičko vlakno po potrošnji (vidi sliku gore).
OD ČEGA SE RADE PLASTIČNE VREĆICE?
Iako se plastične vrećice kod nas najčešće kolokvijalno nazivaju „najlonske vrećice“, zanimljivo je znati da u njihovom sastavu zapravo uopće NIJE ovdje opisani spoj Poliamid-PA-Nylon, niti je to javnosti općepoznati Polivinilklorid-PVC, već jedan puno lakši polimer: Polietilen niske gustoće (PE-LD)
Poliamidi se razlikuju i označuju prema broju ugljikovih atoma u reagirajućim monomerima., tako da postoje dva osnovna tipa:
Poliamid 6.6 – Nylon Dobiva polikondenzacijom heksametilendiamina i adipinske kiseline (oba monomera imaju po 6 ugljikovih atoma, odatle oznaka Poliamid 6,6:
n H2N–(CH2)6–NH2 + n HOOC–(CH2)4–COOH → [–HN–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO–]n + 2n H2O
Poliamid 6 – Perlon Dobiva polimerizacijom cikličkog ε-kaprolaktama, koji se prvo hidrolizira, pri čemu se stvaraju aminokiseline, koje pokreću otvaranje prstena daljnjih kapro-laktamskih molekula, koje se vežu postupkom poliadicije na rastući polimerni lanac, odatle naziv poliamid 6:
[–NH–(CH2)5–CO–]n
POLIAKRILNITRIL (pan)
Poliakril PAN (ili akril, AC, Poliakrilnitril ili poliakrilnitrilno vlakno) mekano je, toplo sintetičko vlakno lijepog opipa i jednostavno za održavanje. Obično se koristi u odjeći (najčešće u kombinaciji s prirodnim vlaknima), zatim pokrivačima i različitim presvlakama.
POLIPROPILEN (pp)
Polipropilen PP (ili polipropilensko vlakno): Ovo je vlakno poznato kao izuzetno lagano, dobrog prijenosa vlage i brzog sušenja. Obično se koristi u sportskoj odjeći, opremi za van (šatori, tende) i tepisima.
POLIVINILKLORID (pvc)
Polivinilklorid PVC se koristi zbog svojstava vodo-otpornosti i otpornosti na vremenske uvjete. Obično se koristi u odjeći za kišu, proizvodima za napuhavanje i presvlakama.
OLEFIN
Olefin je sintetičko vlakno poznato po svojstvima otpornosti na vlagu, izdržljivosti i maloj težini. Obično se koristi u opremi za rad na otvorenom, tepisima i presvlakama.
spandex, Elastan (EA) i čudo elastičnosti
Spandex EA ili EL (elastan, elastansko vlakno, elastomerno vlakno, Lycra…) je elastično vlakno, dobro poznato po svojoj visokoj rastezljivosti i oporavku u prvobitno stanje, što ga čini idealnim za pripijenu (skinny) kao i sportsku odjeću. Danas je spandex (elastan) neizostavno vlakno u mješavinama s drugim vlaknima za odjeću, a život bez rastezljive odjeće u ovom stoljeću doslovce je nezamisliv.
Vlakno, tkanine/pletiva ili odjevni predmet se mogu rastezati do određene granice, ovisno o postotku elastana u sastavu materijala, a poslije upotrebe samim stajanjem se vraća u prvobitni oblik. Zbog toga nije pretjerano reći da je ovo sintetičko vlakno samo po sebi – čudo.
I ovdje ću posegnuti (figurativno, naravno!) za usporedbom s čarolijama Harry Pottera.
U fiktivnom svijetu Harry Pottera bile su potrebne čak dvije čarolije da bi se nešto povećalo ili smanjilo: jedna je Engorgio (povećanje), a druga Reducio (smanjenje).
U našoj realnosti upravo je znanost kemije je ta koja nam je omogućila čudo elastičnosti – bez potrebe posezanja za čarolijama.
U fiktivnom svijetu Harry Pottera bile su potrebne čak dvije čarolije da bi se nešto povećalo ili smanjilo: jedna je Engorgio (povećanje), a druga Reducio (smanjenje). 🙂
U našem svijetu upravo je znanost kemije ta koja nam je omogućila čudo elastičnosti, bez potrebe posezanja za čarolijama.
Pojava elastičnog vlakna snažno je utjecala na razvoj krojeva odjeće, mijenjajući postojeće konstrukcije krojeva odjeće iz temelja i omogućavajući da se odjeća saživi s tijelom i prilagođava mu se, što nikad prije pojave elastana nije bilo moguće.
Službeno ime vlakna SPANDEX je akronim (premetaljka) od riječi EXPANDS, što znači rastezati.
Izraz spandex se općenito koristi za označavanje kopolimernih vlakana nastalih od polieter-poliuree, izrađene različitim proizvodnim procesima. Za razliku od ostalih sintetičkih vlakana, koja nastaju kemijskim procesima na bazi taljenja, spandex je, kao umjetna guma, neotporan na visoke temperature. Zato se njihov proces proizvodnje svodi na protiskivanje koncentrirane otopine polimera kroz mlaznice, pri temperaturama na kojima otapalo – hlapi.
Spandex je u osnovi spoj poliuretan, dakle, uglavnom se sastoji od poliureje, dobivene reakcijom polimernih diola i diizocijanata, takozvanih predpolimera.
Kad te dvije vrste predpolimera kemijski reagiraju, dobiva se okosnica polimera za spandex vlakna – poliuretan. Ključna kemijska reakcija povezivanja je stvaranje uree (zvane uretan): ROH + OCNR’ → ROC(O)NHR
Prvi predpolimer, DIOL, može biti poliester, polikarbonat, polikaprolakton ili neka njihova kombinacija. To su polimeri dugog lanca, koji imaju hidroksilne skupine (-OH) na oba kraja. Najvažnija značajka ovih molekula je da su duge i fleksibilne, jer su odgovorne je za svojstvo istezanja spandex vlakana.
Drugi predpolimer koji se koristi za proizvodnju spandexa je polimerni DIIZOCIJANAT. Ovo je polimer kraćeg lanca, koji ima izocijanatnu (-NCO) skupinu na oba svoja kraja. Glavna karakteristika ove molekule je njegova krutost, koja spandex vlaknima daje potrebnu čvrstoću.
Zanimljivo je da spandex proizveden iz esterskih diola ima značajno veću otpornost na fotokemijske procese (svjetlost) i na kloriranu vodu.
proizvodnja spandex vlakana
Spandex vlakna proizvode se na četiri različita načina: ekstruzijom taline, reakcijskim predenjem, suhim predenjem iz otopine i mokrim predenjem iz otopine. Početni korak u svim ovim metodama je reakcija monomera za proizvodnju pred-polimera. Pred-polimer zatim reagira dalje, na različite načine, i izvlači se kako bi se proizvelo usmjereno, dugo vlakno. Najčešće korištena metoda ispredanja je suho predenje otopine, kojom se dobiva preko 90% svjetske proizvodnje spandex vlakana.
Za zainteresirane, detaljniji opis dobivanja spandex vlakana možete pronaći u dodatnom dijelu bloga, kojem možete pristupiti ovdje:
Želim znati više – Proizvodnja spandex vlakana
U sljedećem blogu posvećujemo se najvažnijim sintetičkim vlaknima – Poliesterskim vlaknima. Čitamo se?
