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纤维素纤维的结构和主要性能

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2024-10-24 15:02

纤维素纤维包括天然纤维素纤维和再生纤维素纤维两类。天然纤维素纤维主要有棉纤维和麻纤维,再生纤维素纤维包括普通黏胶纤维、富强纤维、铜氨纤维、醋酯纤维,以及近年来出现的 Modal纤维和 Lyocell维等。

一、纤维素纤维的结构和化学性质

(一)纤维素纤维的结构

1.纤维素纤维的化学结构

纤维素大分子是由β-D-葡萄糖残基彼此以1,4-苷键联结而成的。纤维素的分子式为(C6H10O3)n,结构式如下:

图1 纤维素的分子结构式

每个相邻葡萄糖残基扭转180°,每隔两环有周期性重复。因此,两环为一基本链节,大分子的链节数为(n-2)/2,n为葡萄糖残基数,即纤维素的聚合度。棉和麻的聚合度高达10000~15000,黏胶纤维的聚合度为250-500。

纤维素大分子的两个末端葡萄糖残基,其一端有四个自由羟基,另一端有三个自由羟基和一个半缩醛羟基(称为潜在羟基),半缩醛羟基可显示醛基性质,见下式:

图2 纤维素大分子的分子结构式

因此,纤维素大分子具有还原性,但大分子链较长,羟基还原性不明显。随着纤维素大分子的降解,分子量变小,半缩醛羟基增多,还原性还会增强。因此可利用纤维素中醛基含量的变化来测定其经酸处理后平均聚合度的变化。

纤维素大分子链中间每环上有三个自由羟基,其中两个为仲羟基(C2、C3),一个为伯羟基(C6),它们具有一般醇羟基的性质,能起酶化、醚化等反应,活泼性以伯羟基较强,纤维素大分子链中的苷键对碱的稳定性较高,在酸中易发生水解,使大分子链聚合度降低,大分子间作用力减弱,纤维强度降低。

2.纤维素纤维的聚集态结构

主要指纤维素大分子的排列状态、排列方向、集紧密程度等,它们与纤维的性能有重要关系。

纤维中大分子形成的三维有序的点阵结构,称为结晶结构,纤维大分子呈不规则排列的区城称为非晶区,或无定形区。结晶度指的是结晶部分在整体纤维中的含量。纺织纤维具有两相结构,即有结晶区又有无定形区,棉纤维的结晶度约为70%,苎麻纤维为90%,丝光棉纤维约为50%,黏胶纤维约为40%,纤维的结晶度与纤维的物理性质、化学性质、力学性质均有密切关系。

结晶度越高,纤维中分子排列越规整,缝隙孔洞较少且较小,分子间的结合力越强,纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得越高,但其伸长率降低,脆性增加。纤维素纤维中麻的结晶度最高,约为90%，它的强度也最高；棉纤维的结晶度为70%,强度比较高；黏胶纤维结晶度在40%以下,强度最低。

纺织纤维中,纤维的取向度是指纤维内大分子、分子链段或晶体长轴沿纤维轴向有序排列的程度。棉纤维的取向度大约为0.6,苎麻的取向度约为0.9。取向度高的纤维有较多的大分子平行于纤维的轴向,且夹角越小,拉伸纤维时,分子链的张力在纤维轴向的有效分力越大,纤维强度也越高。在化学纤维制造中,拉伸就是为了提高纤维的取向度,以提高化纤的强度。

纤维素纤维在染色时,一是将染料溶于水或分散于水中进行,染液只能渗透到纤维的无定形区和晶区边缘。若纤维结晶度高,无定形区少,则结构紧密,染料不易进入,染料的平衡吸附量也少,得色较浅淡。结晶度低的纤维,无定形区就多,纤维结构松散,染料易于进入纤维,平衡吸附量高,纤维得色深浓。棉纤维在丝光前结晶度较高,丝光后部分结晶区被打开成为无定形区,在同样染色条件下,丝光的棉纤维能得到较深的颜色。若要染成同样的颜色深度,未丝光棉纤维就要提高染料浓度、染色温度或延长染色时间。

(二)纤维素纤维的化学性质

纤维素纤维的化学性质取决于纤维素的化学结构,纤维素大分子链中存在着苷键,并含有大量的自由羟基。苷键对不同的化学试剂稳定性不同,葡萄糖残基上的三个羟基活泼性相差很大,其中C6上的伯羟基活泼得多,纤维素纤维的化学性质还受到纤维超分子结构的影响。

1.碱对纤维素的作用

纤维素大分子中的苷键对碱的作用比较稳定,但高温条件下有氧存在时,较稀的碱液处理纤维素,也会引起聚合度的下降。

常温下,浓的氢氧化钠溶液会使天然纤维素纤维发生各向异性溶胀,纤维纵向收缩而直径增大,同时晶格会发生一定的变化,使纤维聚集态结构发生不可逆的变化,若施加一定的张力阻止其收缩,并及时洗碱,可使纤维获得丝一样的光泽,这就是“丝光”。棉经丝光处理后的纵横图像如图3所示,在显微镜下观察可发现,纤维横向膨化,胞壁变厚,原有胞腔几乎完全消失,长度方向缩短,截面由腰圆形变为近椭圆形,天然转曲由80%减至14.5%,由原来扭曲的扁平带状变为平滑的圆柱状。棉纤维若在无张力下与浓碱作用,结果得不到丝光效果,却得到另一种有实用价值的“碱缩”效果,尤其是棉织物经浓碱处理,纱线膨胀,织物的线圈组织密度和弹性增加,织物发生皱缩。

图3丝光棉纵横向照

丝光后,结晶度降低,无定形区增加。天然棉纤维的结晶度达70%,经浓碱处

理后的丝光棉纤维,结晶度降至50%~60%,说明浓碱液破坏了部分结晶区,丝光作用有很强的实用意义,是棉纤维染整加工中的重要环节。

液氨处理对纤维结构和性能的影响与烧碱作用对其的影响有很多相似之处,都会引起纤维的溶胀和晶格的变化,结晶度降低,天然转曲减少,光泽提高,强度增加,延伸减少。

2.酸对纤维素的作用

酸对纤维素大分子中苷键的水解起催化作用,使大分子的苷键断裂,聚合度降低,纤维受到损伤,强度降低。影响纤维素纤维酸水解的主要原因是酸的强弱及浓度,水解反应的温度和作用时间,实际生产中,如果用酸工艺适当,就不会使织物发生严重损伤。

酸对纤维素的作用首先发生在无定形区和晶区表面,随着反应的加深,也可使结晶区发生由外至里的反应。因此,纤维素水解的速率与纤维素的种类有关,麻、棉、丝光棉、黏胶纤维等的水解速率依次递增,这主要是因为它们的纤维结构中无定形部分依次增加。实际生产中一般只用很稀的酸处理棉织物,而且温度不能超过50℃处理后还必须彻底洗净,尤其要避免在带酸情况下干燥。

酸对纤维素纤维具有危害性,但只要控制得当,也有可利用的一面,如含漂白剂漂白后用稀酸处理,可进一步加强漂白作用,用酸中和织物上过剩的碱,棉织物用酸处理生产蝉翼纱、涤棉织物的烂花等均可应用。

酸在与纤维素作用时,也可形成纤维素的酸根酯,例如与硫酸作用会形成硫酸酯,能溶于酸性溶液,在尚未大幅度降解前,洗脱硫酸,则胶状纤维素硫酸酯立刻凝结,使棉织物呈半透明状,常用于透明印花。

3.氧化剂对纤维素的作用

纤维素一般不受还原剂的影响,而易受氧化剂的作用生成氧化纤维素,使纤维变性、受损。纤维素对空气中的氧很稳定,但在有碱存在下易发生氧化脆损,所以高温碱煮时应尽量避免与空气接触,在用次氯酸钠、亚氯酸钠、过氧化氢等漂白剂漂白时,必须严格控制工艺条件,以保证织物或纱线应有的强度。

纤维素在不同条件下氧化,可得到含有大量醛基或羰基的还原性氧化纤维素或含有大量羧基的酸性氧化纤维素。还原型氧化纤维素虽然未发生纤维素大分子链的断裂,但存在潜在损伤,在碱性条件下,会使纤维素大分子链断裂,聚合度下降,纤维强度降低。

来源：面料课

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