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16 octobre 2012

De l'art de faire du fil (1) : coton et viscose

En écho à un précédent article traitant des étonnantes propriétés du fil d’araignée et des recherches pour l’instant infructueuses afin de le synthétiser, j’élargis un peu le champ d’investigation sur le thème du textile…
Quels sont les différents types de textiles ? Comment sont-ils fabriqués et surtout comment s’expliquent les propriétés des tissus ? mouillables ou imperméables, résistants ou non à la chaleur, souples ou rigides, élastiques, infroissables … Qu’est ce que les tissus innovants ? ces tissus du futur dont certains sont déjà en ligne de production ? Qu’est-ce qui distingue le coton des tissus synthétiques tels que le Tergal©, le nylon, l’acrylique ou encore le Kevlar©? Alors cap sur les fibres textiles !

Fil de coton vu au microscope électronique

On distingue généralement trois  types de  fibres textiles produites par différents procédés  :
- les fibres naturelles (telles que le coton, la soie, la laine) issues des  ressources naturelles sans transformation chimique  : les végétaux (les fibres de coton entourent la graine) ou les animaux (poils d’animaux cardés et filés pour la laine, fils de soie tissés, produits par les vers à soie).
- les fibres artificielles qui sont élaborées à partir de ressources naturelles (comme la cellulose des végétaux) mais transformées par un traitement chimique ; il s’agit par exemple de la viscose ou l‘acétate de cellulose.
- les fibres synthétiques, non issues de la nature : il s’agit de produits développés à partir  du pétrole (les polyamides tels que le nylon et le Kevlar©, le polyester, l’acrylique, ou encore l’élasthanne)

Le point commun entre ces trois approches est la notion de fibre qui nous évoque quelque chose d’allongé, d’étiré… En effet, d’un point de vue moléculaire, la molécule est très longue : on parle d’ailleurs de « macromolécule« , ou de chaîne polymérisée :  un assemblage d’un grand nombre de petites molécules (ou monomères) collées les unes aux autres.
Toutes les propriétés d’usage  du textile vont être la conséquence :
- de la nature chimique des molécules monomères,
- de la force des liaisons inter et intra-moléculaires,
- de la façon dont les molécules s’organisent dans l’espace : organisation périodique avec des chaînes bien rangées parallèlement (on parle de cristallinité), ou des chaînes en pêle-mêle  (on parle d’état amorphe).

Passons les en revue  afin de mettre en évidence leurs spécificités.
Fibres naturelles : cas du coton
La brique élémentaire des végétaux est la cellulose, qui compose la paroi de leurs cellules. Comment est-elle élaborée ? Comme évoqué dans un ancien article, les végétaux synthétisent du glucose, molécule cyclique à 6 carbones. Puis les molécules de glucose se mettent bout à bout : de longues chaînes linéaires de glucose apparaissent (celles-ci peuvent  s’allonger très fortement dans le sens de la longueur).
A l’intérieur d’une chaîne, très longue, des interactions spécifiques entre atomes apparaissent (due à l’attirance de charges opposées) ce sont des liaisons hydrogène intramoléculaires : elles concernent des liaisons entre groupes -OH des différentes chaînes. Enfin, ces longues chaînes ne restent pas indépendantes et se lient entre elles par d’autres liaisons hydrogène glucose-glucose (des LH intermoléculaires)  ce qui forme des couches d’environ 60 chaînes polymères qui s’associent en fibres. C’est la présence de ce réseau très dense et très complexe en LH qui donne à la cellulose  sa rigidité.
Les chaînes peuvent donc s’organiser de façon variable selon la configuration des LH (nombre, longueur des liaisons) et les atomes mis en jeu (encombrement et molécules environnantes) : différents degrés de cristallinité apparaissent.

Enchevêtrement des fibres cellulose (LH en pointillés)

Organisation des chaînes pour former la fibre de cellulose

Dans le cas du coton, la fibre  est directement récupérée sur l’arbre : elle se forme autour des graines sous la forme d’une houppe blanchâtre. Il s’agit de fibres de cellulose quasi pures (95%).
Le coton hydrophile ou ouate est la fibre de coton utilisée sans modification. Pour en faire un tissu, il suffira d’enchevêtrer judicieusement les fibres (filature et tissage).
En ce qui concerne ses propriétés, nous retiendrons que le coton est hydrophile (gonfle sous l’eau), que le tissu est de grand confort mais froissable, qu’il présente de bonnes propriétés mécaniques mais peut rétrécir au lavage.
Pourquoi ?
Propriétés mécaniques : le coton offre une bonne résistance qui s’explique par la forte densité du réseau de liaisons hydrogène et la grande cristallinité. En général, la cristallinité  se situe autour de 75 % (soit 25% de zones amorphes)

Pouvoir absorbant : La molécule d’eau est très favorable à la formation de liaisons hydrogène à cause de sa polarité (les électrons des liaisons covalentes sont plutôt déplacés vers l’oxygène).  Ainsi pour la cellulose au contact de l’eau,  certaines liaisons hydrogène (LH) reliant en couches les chaînes de glucose se rompent ; c’est en effet thermodynamiquement plus avantageux pour l’ensemble que la molécule d’eau s’y glisse. Il y a donc gonflement de la cellulose… les chaînes glissent, sont écartées, déformées .
En raison de la structure complexe des fibres de cellulose, les processus de gonflement ne sont pas homogènes le long de la fibre. Ils se produisent préférentiellement dans les régions amorphes, les plus faciles à déformer.

Froissabilité :
Lors du séchage, les molécules d’eau sont éliminées : les LH entre chaînes se reforment mais de façon aléatoire et différente de l’état initial : c’est la raison des plis. Il y aura d’autant plus de plis qu’une contrainte de pression a été exercée pendant le lavage : les LH inter-moléculaires se rompent d’autant plus facilement sous la contrainte.
Un repassage à la vapeur sera efficace pour inverser le processus. La vapeur casse les LH mal formées puis la contrainte du fer permet de reformer celles d’origine.

Rétrécissement au lavage :
Les molécules de cellulose sont plus ou moins repliées au niveau des zones amorphes (zone non organisée de faible rigidité). Comme nous l’avons vu, lorsque la fibre est mouillée, les zones amorphes gonflent (rupture des LH).  Lors du séchage, les fibres se replient mais différemment : il y a rétrécissement.

Confort du tissu :
Le confort au port de tissu en coton s’explique principalement par deux aspects :
- il absorbe l’humidité du corps ce qui, en cas de temps chaud et donc de transpiration apporte une sensation de fraîcheur.
- c’est un textile qui assure la circulation d’air : les chaînes entortillées les unes autour des autres, laissent des espaces qui emprisonnent de l’air. Cet effet en est accentué lors de l’étape de tissage.
Les fibres synthétiques (à voir dans le volet II) devront être tissées en combinaison avec le coton pour produire le même effet.

Fibres artificielles : cas du viscose

Fibres de viscose observées au microscope électronique (Source ICI) http://www.efpg.inpg.fr/

L’intérêt de la fabrication de fibres artificielles, est de partir non pas de fibres de coton mais de fibres de cellulose issues de la biomasse ce qui assure ressource plus abondante. Les chaînes de cellulose naturelles font alors l’objet d’une attaque chimique afin d’en modifier leur propriétés. La facilité de ces réactions sera fonction de la disponibilité des groupements hydroxyles (OH). Comme expliqué plus haut, le réseau dense de LH gêne l’accès des réactifs autour des chaînes.
La première étape est donc de diminuer la densité des LH en trouvant un solvant capable de briser les LH entre chaînes et de s’y substituer.  Le cas de figure le plus ancien est l’attaque par la soude dans des conditions particulières de concentration et de température.  Cette première étape permet de casser les LH, rendant la cellulose plus réactive, les atomes plus accessibles, avec un dépolymérisation contrôlée. C’est ensuite le disulfure de carbone (CS2) qui est ajouté  comme solvant. Les chaînes de cellulose sont écartées, on obtient le xanthate de cellulose qui après vieillissement est dissout une nouvelle fois dans la soude : une solution visqueuse appelée « viscose » apparaît. La solution est extrudée dans une filière ; les fils produits sont coagulés dans un bain de produits chimiques puis étirés : c’est à ce moment, que se produit la cristallisation de la cellulose (on parle de cellulose régénérée) mais dans une configuration différente de celle du produit brut de départ.
De la viscose  et des caractéristiques des fils extrudés, vont apparaître différents produits comme la rayonne ou la fibranne.

Différences de propriétés avec le coton
A cause de la dépolymérisation pratiquée lors du procédé de fabrication, on passe d’une chaîne allant jusqu’à 15000 unités monomères pour le coton, à un degré de polymérisation de l’ordre de 500 unités pour la viscose :  la cristallinité en est donc réduite (60 % environ). Il en résulte, que la structure chimique est proche de celle du coton, mais avec de moins bonnes propriétés.
En particulier, on observe une moins bonne ténacité que le coton : la viscose se déchire plus facilement (notamment lorsqu’elle sous l’eau).
Comme la proportion de phase amorphe est plus élevée, la viscose se déforme et se détend beaucoup plus facilement (environ deux fois plus).
Il en résulte également que la rétention d’eau est beaucoup plus élevée pour la viscose.

Un autre procédé voisin existe ; il repose sur le même principe  (à la différence près, qu’aucun produit toxique n’est utilisé) : il s’agit du procédé Lyocell avec le NMMO (N-Methylmorpholine-N-oxide) comme solvant. C’est le procédé de la fibre bio à la mode !

Le volet II permettra d’aborder les fibres synthétiques et leurs propriétés.

Pour en savoir plus :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellulose
http://fr.wikipedia.org/wiki/Coton
http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/technologie/d/du-vegetal-aux-textiles_585/c3/221/p2/
http://cerig.efpg.inpg.fr/memoire/2010/fibre-cellulose-textile.htm

http://www.ehow.com/about_6662538_cotton-absorbent_.html
http://www.nearchimica.it/admin/newspdf/Viscose%20recommendations.pdf
 

Posté par pascale72 à 13:10 - Commentaires [3] - Permalien [#]

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Commentaires sur De l'art de faire du fil (1) : coton et viscose

    Voici un article bien intéressant.
    Tes articles le sont tous, mais celui-ci traite un sujet bien familier.
    ;o)

    Posté par NancyRose, 16 octobre 2012 à 13:18 | | Répondre
  • Question : la "cristallisation" de la viscose se fait-elle bien en milieu Acide sulfurique, éliminant ainsi le CS2 gréffé? (au moment de l'extrusion?) La viscose n'est donc différente que par sa forme physique, mais aurait retrouvé sa formule chimique initiale?
    Merci par ailleurs pour cet article très intéressant...
    Francis ANTOINE

    Posté par FANTOINE, 27 décembre 2014 à 14:36 | | Répondre
  • les liens de la rubrique "En savoir plus" (en bleu, donc en clic direct) conduisent tous chez Wikipédia!

    Posté par FANTOINE, 27 décembre 2014 à 17:14 | | Répondre
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