Microsoft PowerPoint - Vorlesung - PDF

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					                             Vorlesung 3

2. Chemie der Naturfaserstoffe
                   :
                   :
2.2.      Eiweissfaserstoffe (Wolle, Seide)
2.2.1     Wolle
2.2.1.1   Schafwolle
2.2.1.2   Andere Tierhaare
          Mohair, Kaschmir, Kamel, Angora, Lama, Alpaka
2.2.2     Seide
2.2.2.1   Maulbeerseide, Tussahseide
2.2.2.2   Spinnenseide
Andere Tierhaare                                    2.2.1.2

Feine Tierhaare
• Mohairziege
• Kaschmirziege
• Kamel
• Angorakaninchen               Yak
• Lama, Alpaka



 Haar                Weltroduktion [t]   Trend
 Angora Kaninchen      8.500             wachsend
 Cashmere:             5.000             statisch
 Llama/Alpaca:         4.000             statisch
 Guanaco/Vicuna:          50             statisch
 Mohair:              22.000             wachsend
 Wolle              1.851.000            statisch
Andere Tierhaare                                                        Mohair
Mohair = Haare der Angoraziege
Herkunft: Hochland von Tibet
            Domestizierung vor 3000 Jahren
Zucht: Südafrika, USA, Türkei, Argentinien,
            Australien, GUS
Gewinnung der Haare durch Scheren
Ertrag: 4-6 kg Haare/a (Südafrika)
Ca 15.000t/a Gesamtproduktion
Eigenschaften der Haare:
• weiss, weich, glänzend
• glattere Faseroberfläche als Wolle
• Faserfeinheit: 24-46 µm
• Gute Reissfestigkeit
• Gute Färbbarkeit                            Verwendung:
• Antipilling                                 Bekleidung, Möbel- und Polsterwaren
                                              Strickwaren
• Filzt nicht
                                              Handstrickgarne
• Leicht zu reinigen
Andere Tierhaare                                                     Mohair
                                      Mikroskopische Aufnahme der Mohairfaser
Typen von Mohair
Kid Mohair   23.5 -32 µm
Jungziege    32-34 µm
Erw. Ziege   35-40 µm




                                 runder Querschnitt
                                 glatte Oberfläche Hohlräume im Faser-
                                                    inneren
                                                    • gute Wärmeisolation
 Querschnitt durch Mohairfaser                      • Wasseraufnahmevermögen
Andere Tierhaare                                                      Mohair
Qualität         Preis (US$/kg)*
Kid                      17.6
(23–27 µm)
Jungziege                9.1
(27–29 µm)
Fine Erwachsen           5.1
(30–32 µm)
Erwachsen                3.2
(33–37 µm)
* Haar nicht entgrannt




                 Herkunft           Faserfeinheit   Preis [US$/kg]*
                 Mongolei           14–15.5 µm      105
                 Iran               17.5–18 µm       75
                 Kasachstan         19– 19.5 µm      50
                 * Haar entgrannt
Andere Tierhaare                                                     Cashmere
Cashmere = Unterwolle der Kaschmirziege
Vorkommen: Hausziegenrasse
ursprünglich aus Indien, Kaschmir-Region
heute in Kaschmir, Kleinasien, Türkei, Kirgisien,
Bengalen
Gewinnung = Feines Unterhaar wird während des
            natürlichen Haarwechsels gewonnen
            400-500 g Wolle pro Tier
            Farben: weiß, grau, braun               Mikroskopische Aufnahme der
                                                    Cashmere-Faser
Herstellung :                Produkte :
• Gewinnung                  • Mäntel, Jacken,
• Sortieren, Waschen           Kleider
• Entgrannen                 • Röcke, Schals
• Spinnen                    • Strickwaren
• Weben oder Stricken
Andere Tierhaare                                                      Kamel
Kamelhaar = Flaumhaar des arabischen einhöckrigen Kamels (Dromedar) bzw.
           des ostasiatischen zweihöckrigen Kamels (Trampeltier)

Gewinnung: durch Schur oder durch Abwurf des Haarkleides
           vom im Frühjahr
           Ertrag ca. 5 kg/a
           Trennung von Grannenhaar und Flaumhaar durch Krempeln

Dromedar: Heimat vermutlich Arabien
          Domestizierung 3. Jahrtausend v. Chr.                     Dromedar
          Keine Wildform mehr vorhanden

Trampeltier: Heimat Asien
             Domestizierung etwa im 4. Jahrtausend v. Chr.
             geringe Wildbestände in Wüste Gobi

Nutzung: Verwendung als Last- und Reittiere
         Woll-, Fleisch- und Milchlieferanten
         Trampeltier liefert feine Unterwolle
         Dromedar nur grobe Haare                                  Trampeltier
Andere Tierhaare                                                            Kamel
Mikroskopische Aufnahme des        Klassifizierung: von billig bis hochwertig (abh. vom
Flaumhaars des Trampeltieres                       Grannenanteil)
                                   Verwendung:
                                   Strickwaren, Mäntel, Decken, Bettdeckenfüllungen




Flaumhaar: Anteil 35-75%

Eigenschaften:
• 3-12 cm lang
• glänzend, gekräuselt, weich, leicht, anschmiegsam
• gutes Wasseraufnahmevermögen
Andere Tierhaare                                                         Lama
Lama: Unterwolle des Lamas (Lama glama)
Herkunft:
• Andengebiet Südamerikas
• vor 6000 Jahren aus wilden Neuweltkamelen gezüchtet
• Zucht heute in Peru, Bolivien, Chile
• 3 Millionen Lamas weltweit
Gewinnung: Scheren
Wildformen



                                                        Nutzung:
                                                        Last- und Fleischtiere
                                                        Wolllieferant



          Guanako                       Vikunja
Andere Tierhaare                                                    Lama

Haarqualitäten                                    Geschorenes Lama




          Beim Lama werden Hals-und Nackenbereich nicht geschoren
          (Fasern sind zu kurz).
Andere Tierhaare                                                         Alpaka
Alpaka: Haare des Alpakas (Lama pacos)
Herkunft:
• Andengebiet Südamerikas
• vor 6000 Jahren aus wilden Neuweltkamelen gezüchtet
• Wildformen wie bei Lama
• Zucht heute in Peru, Bolivien, Chile
• 5 Millionen Alpacas weltweit
• 2 Rassen: Huacaya 80% und Suri Alpakas 20%
• hohen Ertrag an sauberer Wollfaser (87 bis 95 %)


                             Suri Alpaka
                             • Lange seidige Haare
                                                        Huacaya Alpaka
                             • Wachsen parallel zum
                                                        • Dickes dichtes Vlies wächst
                               Körper
                                                          vertikal vom Körper
                             • Haar ist gewellt
                                                        • Haar ist gekräuselt
                             • Faserfeinheit ~ 27 µm
                                                        • Faser ist etwas dicker
Andere Tierhaare                                                       Alpaka
                                         Unterschiede: Huacaya und Suri Alpakas
Einteilung der Alpakafasern (Peru)
Baby              21.5 - 23.5 µm
Superfine         25.5 - 26.8 µm
Fine              27.0 - 29.0 µm
Coarse/inferior   30.0 - 34.0 µm
Suri              27 µm – (glänzender
                  als normales Alpaka)


         20µm
Andere Tierhaare                                                                     Alpaka
Eigenschaften:                                                Vlies Huacaya Alpaka
• Alpakawolle ist leicht, weich, geschmeidig und fühlt sich
  angenehm an (Hohlfaser)
• Höhe der Schuppen beim Alpaka 0,4 µm (O,8 µm
  beim Schaf)
• in 22 verschiedenen Farben
• geringere Reissfestigkeit als Wolle
• sehr gute Anfärbbarkeit
• glänzende, schimmernde Faser
• kompatibel mit Kammgarn
 Anteil der einzelnen Qualitäten
 0.01%       Baby Suri < 18 µm                                Vlies Suri Alpaka
 0.02%       Royal Alpaca          < 18 µm
 4-5%        Suri                  18 - 26 µm
 4-5%        Baby Alpaca           18 - 21 µm
 25 %        Fine Alpaca           21 - 25 µm
 20 %        Alpaca                25 - 28 µm
 20 %        Huarizo               > 28 µm
 15 %        Llama                 26 - 30 µm
 10 %        Mixed                 > 30 µm
Andere Tierhaare                                                       Alpaka
Preise für Alpakawolle
Royal Alpaca (unter 19 µm )        $90/kg (approx)
Baby Alpaca (19 - 21,9 µm )        $45/kg
Fine Alpaca (25 µm)                $36/kg
Adult Alpaca (25 -30 µm)           $25/kg
Coarse Alpaca (over 30 µm)         $10/kg




                                                     Kreuzung zwischen Alpaka
Huarizo = Kreuzung zwischen Lama und Alpaka          und Vikunja
Andere Tierhaare                                                      Angora
Angorakaninchen (Oryctolagus cuniculus var. Angorensis)
Herkunft:
• Türkei, in der Nähe von Angora (Ankara)
• Hauskaninchenart, langhaarig durch Mutation
• Zucht heute in China, Europa
• Käfighaltung
• 4-5 mal scheren jährlich
• Ertrag 1000g/a (China 400g/a)

                                                          Eigenschaften:
                                                          • Sehr feine Faser
                                                            8-14 µm
                                                          • Sehr weich, nicht
                                                            kratzend
                                                          • wärme- und feuchtig
                                                            keitsregulierend
                                                          • gut anfärbbar

  vor dem Scheren                     danach
Andere Tierhaare                                                  Angora
Angora enthält 2-5% Grannen            Querschnitt durch Angorahaar
• wichtig für Vliesstabilität




                                Module
                                                                           c)
                                (Luftkammern)



Verwendung:                                     a) Angora-Vlies-Haar
Feine Strickwaren                               b) Angora-Granne
Funktionsunterwäsche                            c) Angora-Grannen-Vlieshaar
Wärmetherapie
 Andere Tierhaare                                         Angora
 Mikroskopische Aufnahmen
 (1000 fach vergrößert)         Rasterelektronen Mikroskopie
                             Längsschnitt        Querschnitt




Angora-Vlies-Haar   Granne                   Granne mit 5 Modulen
Seide                                                            "Bombyxseide"
Herkunft: Drüsensekret der Seidenspinner-
raupe (Bombyx mori L.)
Gewinnung aus:
Kokons der Seidenspinnerraupe
Andere Namen: Seidenraupe, Seidenwurm,
Maulbeerspinner, Maulbeer-Seidenspinner


                                            Herkunft:
                                            • Hauptlieferanten sind Japan und China,
                                              Zuchten auch in Frankreich und Italien,
                                            • einzige domestizierte Insekt, das heute
                                              ohne den Menschen nicht mehr lebensfähig
                                              ist,
                                            • wird seit 5000 Jahren gezüchtet.
                                               50 000 Raupen ergeben ca. 1000 kg
                                               Seidenkokons
                                               ⇒ etwa 120 kg Rohseide
Seide
Entwicklung des Maulbeerspinners
• Einzige Nahrung: Maulbeerblätter
• Raupe verzehrt ca. 25 g Maulbeerblättern
  in 33 Tagen
• Gewichtszunahme um das 8000fache




                                                Raupen auf Maulbeerblättern



                                 Raupe spinnt
                                 einen etwa
                                 3000 m
                                 langen
                                 Doppelfaden

 Maulbeerbaum
Seide                                         "Bombyxseide"

Mit zwei Drüsen an der Unterlippe presst
sie die Seidenflüssigkeit (Fibroin) heraus,
die vom Seidenleim umgeben ist

7 Kokons zusammen abgehaspelt
= 20/22 denier Grègegarn (Haspelseide),
d.h. ein Faden von 9000 m Länge wiegt
20 - 22 g.
Seide                                           "Bombyxseide"
Seidenfaden besteht aus zwei Elementarfäden,
die durch Seidenleim ("Bast")
miteinander verklebt sind




Zusammensetzung der Seide:                      Rohseidenfaden
Komponente                           Prozent
Seidenfilamente=Fibroin
schwefelfreies, hochpolymeres Eiweiß 70-80%
Seidenbast (Sericin                 20-30%
Wachsbestandteile                   0,4-0,8%
Kohlenhydrate                       1,2-1,6 %
organische Bestandteile             0,7 %
Naturfarbstoffe                     0,2 %
Seide                                                                      Geschichte

Legende: um 2700 v. Chr. als der chinesische Kaiser Huang Di regierte
Frau des Kaisers entdeckte bei einem Spaziergang eine Seidenspinnraupe, die gerade einen
Kokon spann
Hatte Idee den Kokon abzuwickeln und von diesem langen Faden einen Stoff zu weben
• Domestizierung der Seidenraupe vor 5000 Jahren
• 100 v. Chr. wurde die Seide auf der Seidenstraße erstmals westwärts aus China nach Rom
  und Byzanz exportiert
• 200 v. Chr. von China nach Korea
• 300 n. Chr. begannen Japan und Persien mit der Zucht der Seidenraupe
• 552 n. Chr. schmuggelten zwei Mönche Raupeneier und Maulbeersamen nach Byzanz
•13. und 14. Jahrhundert vor allem Italien und Südfrankreich vorherrschend in der
  Seidenherstellung
• Ende des 18. Jahrh. förderte Friedrich der Große in Deutschland die Raupenzucht
• Zucht in Deutschland, Frankreich, Italien
• Mitte des 19. Jahrhunderts starben alle europäischen Raupen
• Bedeutung im 2. Weltkrieg als Fallschirmseide
 Seide                                                               "Bombyxseide"
                                  Kokonannahme
                   Abtöten der Puppe und Trocknen des Kokons
                                      Sortieren

                                  Kokonkocherei
Abhaspeln des Seidenfadens                                    Kämmen und Verspinnen
    (Grege-Gewinnung)                  Zwirnen                    der Flockseide
                                                               (Schappe-Gewinnung)
                               Gewebeherstellung
                                       Gewebe

                                      Entbasten

                                      Veredeln
                             Chargieren • Bleichen • Färben
Seide                                                                   "Bombyxseide"

Eigenschaften der Seide
• geringere Dichte im Vergleich zu Wolle und Baumwolle (leicht, bequem, trägt nicht
  auf).
• relativ hohe Formbeständigkeit und Elastizität aus (weitgehend knitterfrei).
• gutes Isolationsvermögen (seidene Kleidungsstücke sind im Winter warm und im
  Sommer kühl).
• Seide schimmert und glänzt und nimmt Farbstoffe sehr gut auf.
• stark absorbierende Wirkung (fast dreimal stärker als Nylon).
• nicht brennbar (wie Wolle und im Gegensatz zu synthetischen Stoffen).
• stärkste bekannte Naturfaser: ein Tau aus Seide kann größere Gewichte tragen
  als ein Metallkabel von vergleichbarer Dicke.
• Seide ist elegant, bequem und schön.
 Seide                                                                  "Bombyxseide"

• Feinheit:          sehr fein (100 bis 300 mtex (Millitex)
• Glanz:             in rohem Zustand: stumpf (Seidenleim), in entbastetem Zustand: glänzend
• Oberflächenstruktur: Oberfläche uneben, stabartig; Querschnitt dreikantig m. abgerundeten Ecken
• Dichte:            1,25g.cm-3
• Zugfestigkeit/Reißkraft:
                     feinheitsbezogene Reißkraft: 300 bis 500 mN/tex
                     relative Nassreißkraft: 80 bis 90%
• Dehnung:           Reißdehnung 30%
• Elastizität:       70% bei 5% Gesamtdehnung
• Feuchteaufnahme: handelsüblicher Feuchtezuschlag 11%
• Thermisches Verhalten: ab 170°C beginnt der thermische Abbau
• Verhalten gegenüber chemischen Einflüssen:
                     -verdünnte Säuren: beständig
                     -konzentrierte Säuren: Abbau
                     -Laugen (Alkalien): widerstandsfähiger als Wolle, mit steigender Temperatur
                      und Konzentration der Alkalien beschleunigter Abbau
                     -organische Lösungsmittel: beständig
Seide                                                                  "Bombyxseide"

• Anfärbbarkeit:     bei niedrigen Temperaturen gute Färbung mit basischen Farbstoffen,
                     andere Farbstoffe (Wollfarbstoffe) eignen sich für die Anfärbung.
• Bleiche:           Peroxidbleichmittel eigen sich besonders für eine schonende Bleiche
• Biologische Beständigkeit:
      -gegen Mikroorganismen: unbeständig
      -gegen Mottenfraß: beständig
• Wetterbeständigkeit:
      -gegen Feuchtigkeit: beständig
      -gegen Sonnenlicht (UV-Strahlung): empfindlich (wird brüchig)
Seide                        Struktur

        β-Faltblatt

        Mikrofibrille


        Fibrillenbündel

            Fibroinstrang

            Sericin

            Rohseidenfaden
Seide                                                         Fibroin




   Seidenfibroin: Schichten von antiparallelen Faltblättern
Seide                                                                          Fibroin

Seiden-Fibroin
• Skleroproteine mit Faltblattstruktur = Seidenfibroine (β-Keratine).
• Molgewicht etwa 350.000 g/mol
• Kristalliner Teil des Seidenfibroins:
  -(Glu-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n-, durch Ausbildung einer antiparallele Faltblattstruktur
• Abstände zwischen den Schichten = 0.57 bzw. 0.35 nm, (abhängig, ob die Glycin-
  oder Alanin- bzw. Serinreste zusammenliegen)
• Amorpher Bereich: Aminosäuren mit sperrigen Seitenketten
  -Tyr, Val-, Aspg-, Asp bewirken eine gewisse Dehnbarkeit.
• Seiden unterscheiden sich in der Größe ihrer kristallinen Bereiche
• Seide des Maulbeerseidenspinners [Bombyx mori]: etwa 60 % des Proteins liegen
  in der Faltblattstruktur vor.
• Durch die Faltblattstruktur sind die Seiden sehr reißfest, aber nur wenig dehnbar.
• Reißfestigkeit entspricht fast derjenigen von Synthesefasern (2,5 bis 5 cN/dtex).
Seide
Faservergleich:   Wolle   Seide
Seide
Vorkommen: 35.000 Spinnenarten

  Jede Spinne produziert
  ein individuelles Protein!

Problem:
• Spinnen lassen sich nicht zähmen
• Räuberisches Verhalten
• Geringe Spinnleistung in
  Gefangenschaft


  Möglichkeit der Herstellung
  künstlicher Spinnenseide?
                                     Schwarze Witwe
Seide            Spinnenseide




 Vollrath 2000
Seide   Spinnenseide
Seide                                                 Spinnenseide

Synthese und Spinnvorgang
• flüssigkristalline Phase
• Wasser als Lösungsmittel
• saures Milieu (Säurebad)
• Dehnung an Luft
• Reduzierung des Wassergehalts an
  Luft
Effizienz der Spinne
• keine unkontrollierte Reorientierung
• geringer Kraftaufwand
• wenig Defekte durch Vororientierung
• „Lebenslinie“ (Spinnen funktioniert bis zu 1 km!)
Seide                        Spinne


        Mikroskopische Ansicht
Seide                                        Spinnenseide
Dehnbarkeit




              ungedehnt   5 fach   20 fach
Seide                                                              Spinnenseide
Struktur und Morphologie von Spinnenseide
• chemisch:         Protein
• Protein:          Polypeptid aus Aminosäuren
• Spinnenseide: 1990 komplett sequenziert
• Kopolymer (2 Segmente):
           weiches Segment: ungeordnete Struktur,        glycin-reich (60%)
           hartes Segment: β-Faltblatt-Kristall,         alanin-reich (75%)
• Kristallgröße aus Röntgendiffraktion: 5 × 6 × 20 nm3
Seide                                                      Radnetzspinne

Eigenschaften
• zäher als Stahl, leichter als synthetisches Garn
• Ökobilanz
• kugelsichere Westen, Panzerwände
• chemisch geklärt, gentechnisch produzierbar
(Ziegen-Milchdrüsen, Baktererien und Hefen, Tabakpflanzen)
• aber: Spinnprozeß entscheidend für mechanische Eigenschaften
Seide                          Gartenkreutzspinne




 Verschiedene Proteinstränge
 Glatt – für Festigkeit
 Gedreht – fur Elastizität
Seide                                Spinnenseide Schwarze Witwe




                                      Spannungs-Dehnungs-Kurve

 Spinnenseide
 Elastizitätsmoduli:
 • Kristalle     160 Gpa
 • H-Brücken         4 Gpa
 • Schicht         24 GPa


Biomacromolecules 2004, 5, 689-695
Seide

                                Amorphe
                                 Ketten
                               β-Faltblatt
                               Strukturen

                               Verknüpfung


                               H-Brücken




Schicht: „orientiert amorph“          J. P. O‘Brien et al., Adv. Mater. 10, 1185-1195 (1998)
  Seide                                       Spinnenseide

  In situ Experimente an spinnenden Spinnen




schwach streuende Probe
(5 µm Faden)
• Einfluß äußerer Parameter
  (Temperatur, Spinnge-
  schwindigkeit) auf Struktur
  der Seide?



       Zwangs-Spinn-
       Experiment
Seide                          Spinnenseide

Diffraktogramm bei 0.36 cm/s




                               C. Riekel, M. Müller,
                               F. Vollrath
                               Macromolecules 32,
                               4464-4466 (1999)
Seide                         Künstliche Spinnenseide




Aus genmanipulierten Ziegen
                                   Aus Bakterien

				
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