RICHIAMI DI CHIMICA DELLA NOBILITAZIONE TESSILE

RICHIAMI DI CHIMICA DELLA NOBILITAZIONE TESSILE
(corso integrativo estivo con ex allieve CIAS, Como, luglio - settembre 2012)
Scopo di questo breve corso integrativo è quello di
riassumere le conoscenze di base che uno studente
del corso di “tessitura” del Setificio dovrebbe
possedere per poter seguire in maniera utile gli
insegnamenti del quinto anno, in funzione di questo
particolare percorso di passaggio fra le due scuole.
caratteristiche di aspetto, di colore, di prestazioni di
vario tipo che il cliente finale può richiedere.
Per poter parlare di trattamenti chimici da compiere
su fibre tessili, abbiamo innanzitutto fatto qualche
richiamo chimico di base, su quelle idee
fondamentali che tutti dovrebbero avere. Inclusi i
In realtà non è possibile pensare di trattare tutti gli molti modi che si possono usare in chimica per
argomenti in modo esauriente: abbiamo ridotto al
rappresentare la realtà, con le cosiddette “formule”
minimo la descrizione dei macchinari, eliminato
e “nomenclature”.
quasi del tutto la descrizione delle sostanze che
Questi linguaggi particolari, fatti di nomi e di
vengono utilizzate nella nobilitazione (cominciando simboli che possono apparire un po' bizzarri, ci
dall'acqua), visto che tali argomenti possono essere aiutano - tra le altre cose - a ordinare e
ripresi, nelle loro parti essenziali, durante il
razionalizzare le conoscenze che, in caso contrario,
prossimo anno scolastico.
sarebbero solo un mucchio di nozioni da imparare
Per facilitare lo scopo, ho anche mostrato i
più o meno a memoria senza capirci nulla e senza
programmi abitualmente svolti al terzo, al quarto e averne utilità.
al quinto anno, per capire il peso relativo che essi
hanno.
Come esempio di conoscenze chimiche elementari,
abbiamo pensato alla comunissima reazione acidoNelle lezioni svolte nel mese di luglio (da
base, cioè la reazione in cui uno ione H+ (o, se
completare con quelle di inizio settembre) abbiamo preferite chiamarlo, così un protone, o un nucleo di
affrontato innanzitutto l'idea di “nobilitazione
idrogeno), “passa” dalla nuvola di elettroni di una
tessile”. Cosa si intende con questo termine?
base a quella di un'altra base. Si tratta di una
reazione semplicissima in cui si ha (per dirla con
Supponiamo di pensare a tutte le operazioni che
altre parole) la rottura di un legame covalente e la
servono per trasformare un fiocco di lana o di
formazione di un nuovo legame covalente.
cotone, oppure fili di seta o di una fibra prodotta
Così, abbiamo detto due parole anche sul concetto
dall'uomo, in un manufatto finito come può essere di legame chimico e su che cosa intendiamo con il
per esempio un capo di abbigliamento o il
termine “covalente”.
rivestimento di una poltrona.
Prima di proseguire, abbiamo fatto un lavoro
In questo percorso ci sono moltissime operazioni,
estremamente utile per semplificarci le cose nel
alcune delle quali hanno a che fare strettamente
futuro: ripassare il sistema di unità di misura che
con la preparazione “meccanica” dell'oggetto, e
scienziati e tecnici hanno sviluppato nel corso degli
comprendono per esempio la filatura, la tessitura,
ultimi due secoli e che, nella versione attuale
la confezione, ognuna di queste operazioni a sua
(obbligatoria per legge in Italia dall'agosto 1982) si
volta costituita da molte diverse azioni.
chiama “Sistema Internazionale” o SI.
Nient'altro che l'evoluzione completa e ordinata
Poi ve ne sono altre che riguardano non gli aspetti dell'ormai antico “Sistema metrico decimale”.
meccanici, ma quelli chimici della trasformazione:
dai lavaggi, alla tintura, al candeggio, alla stampa e Perché questa precisazione? Perché in campo
così via. Con un termine abbastanza moderno, cioè tessile noi continuiamo a pensare ad oggetti che
entrato in uso negli ultimi decenni, tutte queste
vanno dal “piuttosto piccolo” (come ad esempio lo
operazioni vengono complessivamente chiamate “di spessore di un filato o di un tessuto) al “molto
nobilitazione”.
piccolo” delle singole fibre elementari, che qualche
Sono quelle che permettono di ottenere non un
volta facciamo un po' di fatica a riconoscere ad
manufatto grezzo e rustico, per quanto magari
occhio nudo, fino al “piccolissimo” degli atomi, e
preparato con grande cura a telaio o nella
delle molecole formate da atomi che costituiscono
confezione, ma che al contrario abbia quelle
tutti gli oggetti che ci interessano in questo settore.
Il sistema internazionale, tra le altre cose, ha la
caratteristica molto utile per noi di essere come una
specie di “zoom” per passare ai vari livelli di
ingrandimento degli oggetti che vediamo o che,
magari, non riusciamo a vedere neanche con i
microscopi ma possiamo immaginarci a livello ancor
più piccolo.
Gli strumenti matematici che ci rendono semplice
questi passaggi, a differenza delle antiche
“conversione tra unità di misura” dei sistemi del
passato, sono quello dei prefissi e quello della
notazione scientifica, per cui noi per esempio
possiamo dire che
1 mm = 1·10-3 m,
o che
1 m2 = 1·1012 µm2
...eccetera, eccetera: il bello è che, imparato a fare
uno di questi passaggi di equivalenza, li si è
imparati tutti, sia che si tratti di eseguire una ricetta
esprimendo una massa in grammi anziché in
chilogrammi, sia che si debbano confrontare le
dimensioni di un microbo a quelle di un pianeta!
Guardando le classiche tabelle di classificazione
delle fibre, ci siamo accorti che sia quelle naturali,
sia quelle artificiali sia quelle sintetiche sono
costituite da sostanze “organiche”.
Questo aggettivo non c'entra assolutamente niente
con la biologia o gli organismi viventi, anche se è
da lì che proviene storicamente (ma è roba di un
paio di secoli fa, quando la chimica era appena
nata).
Organico, nel linguaggio chimico moderno, vuol
dire semplicemente che è costituito da molecole
che contengono atomi di carbonio e idrogeno, e
molto spesso alcuni atomi di pochi altri elementi, in
particolare ossigeno, azoto, zolfo, cloro e poco più.
Ci sono solo rarissime eccezioni di fibre
“inorganiche” che siano ancora nell'uso (l'amianto,
inorganica naturale, è vietato da decenni), ma nella
nostra pratica le incontriamo raramente o quasi
mai: parlo delle fibre di vetro, di ceramica, di
metalli, in cui si trovano elementi diversi come il
silicio, l'alluminio, molti metalli.
La cosa interessante è che, per poter ottenere
oggetti macroscopici (sia pure sottili come una
fibra) che possano dar luogo a strutture “lunghe,
sottili e flessibili”, il sistema migliore è quello di
Una fibra, nel linguaggio tecnico, che è anche
partire da molecole che siano a loro volta molto,
quello usato delle leggi italiane ed europee del
molto allungate, e che abbiano la capacità di
settore tessile, può essere descritta un po'
fissarsi abbastanza stabilmente alle molecole vicine
grossolanamente come un oggetto “lungo, sottile e formando dei lunghissimi e sottili fasci.
flessibile”, idoneo quindi ad essere trasformato in
un intreccio. In questa definizione, attenzione,
Molecole di questo tipo sono sicuramente delle
rientrano benissimo i vimini o le fettucce di legno
“macromolecole”, un termine generico che indica
che si usano per fare i cesti, così come i capelli per semplicemente molecole formate da un numero
una complessa acconciatura, o anche le corde che molto grande di atomi.
usiamo per le reti.
Normalmente, però, quando pensiamo alle fibre
Non solo: di solito queste macromolecole devono
tessili più comunemente in uso ci vengono in mente avere una struttura particolare, che in qualche
oggetti il cui diametro è dell'ordine di qualche
modo somigli a una lunghissima collana o catena,
micrometro (dai 100 µm circa di un pelo, ai 20-40
in cui ogni singolo anello o perlina può essere
µm delle lane più comuni, ai 10 µm e anche meno uguale a tutti gli altri o anche di tipo differente,
delle singole bavelle di seta o delle microfibre
purché la struttura che viene fuori abbia un suo
artificiali e sintetiche), mentre la lunghezza è
andamento ordinato.
sempre molto, molto maggiore: una fibra di cotone,
o un “fiocco cotoniero” ottenuto tecnicamente, ha
Ogni singolo granello, ogni singolo anello della
fibre lunghe intorno ai 2-4 cm, cioè un migliaio di
catena viene chiamato monomero; la catena viene
volte più del proprio spessore, mentre un filo
chiamata polimero.
“continuo” di seta o di una fibra prodotta dall'uomo
può essere lungo centinaia o migliaia di metri (o
Ci saranno dei polimeri fortemente lineari e senza
anche più), e in questo caso il rapporto tra la
gruppi laterali che sporgono dalla catena principale,
lunghezza della fibra e il diametro assume valori
più o meno come in un filo di perle; altri polimeri
enormemente alti.
che avranno invece pendagli di vario tipo che
cadono fuori dalla catena principale. Queste
Così siamo entrati nel discorso delle fibre, cercando differenze nella struttura si tramutano poi in
di capire che cosa siano chimicamente: di cosa
differenze nel comportamento del materiale che si
sono fatte, come si comportano?
può ottenere da questi polimeri.
Il perché di queste precisazioni lo abbiamo visto
subito quando abbiamo introdotto l'idea di fibra.
A questo punto, abbiamo provato a rivedere la
Abbiamo introdotto un concetto che viene
tradizionale distinzione tra fibre naturali, artificiali e normalmente usato in chimica organica, cioè quello
sintetiche.
di gruppo funzionale. L'idea è che le sostanze
organiche più semplici sono formate solo da atomi
Quelle naturali sono materiali che si presentano già di carbonio e di idrogeno, cioè sono degli
allo stato fibroso nel mondo animale o vegetale o, idrocarburi. L'atomo di carbonio è praticamente
tutt'al più, possono essere ricavati con trattamenti sempre legato ad altri quattro atomi (si dice che
abbastanza semplici e che non modificano la natura forma quattro legami), quello di idrogeno invece
chimica della sostanza.
forma solo un legame. Sostanze di questo tipo
possono essere considerate prive di gruppi
Quelle artificiali utilizzano i polimeri che
funzionali.
costituiscono sostanze naturali, come ad esempio la
cellulosa del cotone, il lattice del caucciù o certi tipi Ogni altro raggruppamento di atomi, partendo dalla
di proteine, ma solo dopo aver trasformato queste semplice presenza di due legami fra due atomi di
materie polimeriche in qualche tipo di preparato
carbonio vicini (quello che si dice un doppio
che può essere filato facendolo passare attraverso legame) introduce nella molecola delle
un estrusore; questo spesso comporta anche
caratteristiche chimiche particolari, che fra l'altro
qualche modificazione chimica del polimero di
portano anche a un diverso comportamento
partenza.
meccanico del materiale ottenuto.
Scherzando un po' sull'origine del nome, possiamo
Quelle sintetiche, viceversa, vengono ottenute
dire che un gruppo funzionale è un gruppo di atomi
costruendo industrialmente lo scheletro del
che fa “funzionare” la molecola in un modo
polimero partendo dai singoli monomeri.
particolare, diverso da quello di un idrocarburo
Si sente spesso dire che queste fibre sono “ricavate semplice.
da petrolio” ma è solo un modo grossolano di
esprimersi, perché gli stessi monomeri possono
I gruppi funzionali hanno (prevedibilmente) nomi
essere in alcuni casi ottenuti più convenientemente particolari e danno specifiche caratteristiche
dai distillati del petrolio, in altri da quelli del
chimiche. Non ha senso discutere qui la cosa nel
carbone, ma in molti altri casi possono essere a
modo che viene seguito in un approfondito corso di
loro volta sostanze biologiche prodotte da
chimica organica. Ci siamo limitati ad elencare
organismi viventi: la cosa importante non è l'origine alcuni gruppi funzionali molto importanti nella
del monomero, ma il fatto che venga assemblato
chimica dei polimeri che costituiscono le fibre.
con tecniche chimiche per costituire un polimero.
Gli atomi diversi da carbonio e idrogeno vengono
Sino a qualche decennio fa, la presentazione dei
chiamati eteroatomi, che vuol dire nient'altro che...
diversi tipi di fibre partiva dell'ordine cronologico di atomi diversi. Quelli di azoto formano normalmente
scoperta: prima quelle naturali, e fra queste
tre legami, quelli di ossigeno due, quelli di cloro o
cominciando dalle lane e dei peli; poi le artificiali,
di bromo uno solo.
infine le sintetiche.
Un gruppo -OH si chiama ossidrile e caratterizza
Usando l'approccio della moderna scienza dei
per esempio gli alcoli.
materiali, è molto più semplice seguire esattamente Un gruppo -COOH è un carbossile e i composti che
l'ordine opposto, perché le fibre sintetiche,
lo contengono sono acidi carbossilici.
progettate a tavolino dall'uomo come si può
Un gruppo -NH2 o - NHR (R indica “un pezzettino di
progettare una costruzione, un pezzo meccanico (o idrocarburo”, cioè un carbonio legato solo a atomi
un tessuto jacquard!) sono chimicamente e
di idrogeno) si chiama gruppo amminico e il
strutturalmente molto più semplici, mentre le fibre composto è una ammina.
da bulbo pilifero sono tra gli oggetti più complessi
Se in un carbossile togliamo l'H finale e lo
che esistano in natura.
sostituiamo con un R, abbiamo ottenuto un -COOR:
è un gruppo estereo e il composto si chiama estere.
Questo è proprio l'ordine che abbiamo usato
Allo stesso modo, possiamo immaginare di togliere
durante le lezioni, confidando sul fatto che, tutto
da un carbossile l'OH e sostituirlo con una ammina:
sommato, la vostra preparazione precedente vi ha abbiamo -CONH2 o -CONHR, i gruppi ammidici
già dato una discreta idea dei materiali proteici che presenti nelle ammidi.
costituiscono i capelli, la pelle o le unghie.
Se un -CO- (carbonile) si trova infine a cavallo tra
un -OR e un -NHR, il gruppo è uretanico e il
composto sarà un uretano.
In queste pagine non ho usato i disegni che
normalmente usiamo per rappresentare le formule
di struttura di una molecola, cioè delle
rappresentazioni in cui si indicano tutti gli atomi
nella esatta sequenza geometrica in cui si trovano.
Durante le lezioni, per comodità, abbiamo usato dei
software di rappresentazione grafica che sono poi
gli stessi con cui ho realizzato quelle semplicissime
presentazioni o dispense che vi ho mostrato e che
potete, per esempio, scaricare dal mio sito
www.kemia.it o che trovate su qualsiasi libro o
opuscolo anche a carattere introduttivo... è ovvio
che le formule di struttura si possono
tranquillamente rappresentare anche disegnando a
mano libera senza bisogno di software particolari.
Torniamo alle nostre fibre e ai polimeri che le
costituiscono.
Parlando di quelle sintetiche, abbiamo osservato
che esistono polimeri con la catena principale
formata solo da atomi di carbonio; sono centinaia
di polimeri diversi, tra i quali solo alcuni sono però
adatti ad ottenere fibre, e queste fibre hanno di
solito usi piuttosto limitati nel settore tessile per
abbigliamento e arredamento, mentre sono assai
più usati per i cosiddetti tessili tecnici che si
impiegano in altri settori industriali.
der Waals) esiste fra qualunque tipo di molecole,
ma è di solito estremamente debole e richiede che
le molecole si “sdraino” perfettamente una sopra
l'altra per dare qualche effetto importante. È il solo
legame presente fra le molecole degli idrocarburi.
Quando in un gruppo funzionale sono presenti
atomi di ossigeno, azoto eccetera, all'interno della
molecola si formano dei piccoli sbilanciamenti di
carica elettrica, perché gli elettroni di legame non
stanno esattamente a metà fra i due atomi (come
fra i due atomi di carbonio di un idrocarburo). Sono
così possibili dei legami dipolari, che hanno una
intensità molto più forte.
Se poi a un atomo di azoto o di ossigeno è legato
un atomo di idrogeno, quest'ultimo può mettersi a
ponte puntando verso un altro atomo di ossigeno o
azoto ed attirandolo; questo è un legame
intermolecolare molto intenso che viene chiamato
legame (o ponte) a idrogeno. È grazie a questi
legami, per esempio, che le piccolissime molecole
di acqua sono fissate fra di loro in modo talmente
forte da far sì che l'acqua resti allo stato liquido
sino a una temperatura sorprendentemente alta
come i 100 °C che rappresentano il punto di
ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica
normale.
Se in una molecola sono presenti gruppi funzionali
capaci di dare legami dipolari, la sostanza formata
da quella molecola tenderà, per esempio, ad
assorbire facilmente altre sostanze che contengono
gruppi simili.
Se sono presenti gruppi capaci di dare legami a
idrogeno, allora la sostanza tenderà ad assorbire
facilmente l'acqua.
Molto più importanti per le fibre tessili sono dei
polimeri in cui la catena comprende dei gruppi
funzionali esterei, ammidici o uretanici: le fibre
ottenute saranno quindi poliesteri, poliammidi o
poliuretani. Abbiamo esaminato le strutture dei più
comuni polimeri di questo genere usati per formare
fibre di comune impiego.
Questo è anche il meccanismo che permette a un
solvente (inclusa l'acqua) di sciogliere
Ogni singola, lunghissima catena polimerica ha
completamente le molecole di un polimero,
qualche capacità di fissarsi ad altre catene dando
portandolo in soluzione: in questo caso, le molecole
luogo a composti solidi, spesso molto resistenti.
del solvente formano una specie di cuscino, di
È chiaro che il “legame” che unisce queste catene
imbottitura tutto intorno alla molecola del polimero
non è di tipo covalente (quello che nelle strutture
separando una molecola dalle altre.
indichiamo con un segmento o “stecchino”), sennò
avremmo la formazione di nuove molecole.
Più spesso, l'altra sostanza (il solvente) non riuscirà
Si tratta di “legami intermolecolari”, cioè capaci di
a disgregare completamente la struttura polimerica,
fissare tra loro molecole che mantengono la loro
ma solo a intrufolarsi, dentro nelle zone meno
struttura originaria.
strettamente legate (amorfe), modificando un po' le
proprietà meccaniche della fibra: è quello che
Possiamo distinguere tre tipi principali di legami
succede il più delle volte quando andiamo a trattare
intermolecolari presenti nelle fibre.
chimicamente una fibra durante i processi di
mobilitazione.
Il legame dato dalle cosiddette forze di London
(spesso erroneamente indicate come forze di van
Anche la tintura, che verrà spiegata al quinto anno,
utilizza normalmente meccanismi chimici di questo
tipo.
Torniamo ancora ai modi di produzione delle fibre
preparate dall'uomo, e questo vale sia per quelle
artificiali sia per quelle sintetiche: il trucco
fondamentale è quello di trasformare un materiale
solido in qualcosa di liquido, che possa essere fatto
passare attraverso la filiera di un estrusore, come il
beccuccio di una siringa o una specie di
microscopico “schiacciapatate”.
La massa fluida a questo punto può essere
trasformata in sottili filetti, che possono poi
solidificare formando una fibra. Abbiamo osservato
come ci siano almeno tre modi fondamentali di
ottenere questo risultato.
Il più semplice è quello di fondere un polimero
aumentando la sua temperatura, e poi facendolo
rapprendere per raffreddamento soffiandoci sopra
aria fredda, come un filo di cera.
In alcuni casi, la fibra può essere completamente
solubile in un certo solvente organico, e il filetto si
rapprende e solidifica allontanando il sovente con
un getto di aria calda che lo fa evaporare.
Un modo chimicamente un po' più complesso
permette invece di sciogliere la fibra in un solvente
e poi far rapprendere i filamenti facendoli passare
attraverso un altro solvente incompatibile.
interromperebbe in corrispondenza dell'“oggetto
estraneo”.
Ma questo non basta ancora per ottenere delle
fibre utilizzabili in pratica.
Durante ogni processo di filatura, le lunghissime
catene di polimero, che richiamano degli spaghetti
arrotolati a casaccio in una pentola d'acqua,
tendono un po' a distendersi lungo la direzione del
filamento che si sta formando, ma non sono ancora
sufficientemente appoggiate in modo regolare le
urne alle altre per sviluppare completamente i
legami che possono formarsi.
Tutti i processi di filatura richiedono una fase di
stiro, in cui i filamenti ancora parzialmente plastici,
deformabili, vengono allungati moltissimo
(evidentemente si assottigliano sempre di più).
Con quest'operazione, realizziamo qualcosa che
equivale a “pettinare” tutte le molecole formando
un fascio compatto.
Date queste informazioni chimiche e strutturali di
base, si rinvia alle dispense già citate o a qualsiasi
testo del settore per i dettagli chimici e fisici sia dei
principali polimeri sintetici, sia di quelli ottenuti
artificialmente partendo da polimeri naturali come
la cellulosa (lo straordinario materiale che
costituisce i tessuti vegetali), sia infine delle fibre
naturali, anche di quelle di struttura estremamente
complessa: come dicevamo, i peli e le lane.
Per ulteriori dettagli, possiamo guardare le solite
dispense.
In tutti i casi, la massa fluida non deve contenere
né bollicine d'aria, né granellini solidi che abbiano
dimensioni confrontabili a quelle del filamento che
vogliamo ottenere, se no evidentemente questo si
L'ultima parte di questo breve corso consiste in una
semplicissima descrizione degli apparecchi che
vengono utilizzati per la nobilitazione, e anche qui
si rinvia alle solite fonti di documentazione.