第二纤维素纤维的结构和性能课件

第四章第四章 纤维素纤维纤维素纤维 的结构和性能的结构和性能 第一节 棉和麻纤维的形态结构 第二节 纤维素的分子结构 第三节 纤维素纤维的聚集态结构 第四节 纤维素纤维的主要物理-机械性 能 第五节 纤维素的主要化学性质 4.1 4.1 棉和麻纤维的形态棉和麻纤维的形态 结构结构 1. 1. 棉纤维的形态结构棉纤维的形态结构 长度约2545毫米，宽度约17-22(12-20) 微米(沿长度方向粗细不均匀)。一般，较长的 纤维，直径也较小，质量较高。 在一般光学显微镜中的形 态结构见图31。 从图3-1可以看出，正常成熟棉纤维的 纵向呈扁平带状，并具有天然扭曲，纤维愈 细，天然扭曲愈多。 根据这些观察的结果和进一步的研究 资料，结合棉纤维生长的情况，人们提出了 有关棉纤维形态结构模型，如图3-4所示。 (1)角皮层：角皮层是棉纤维极薄的最外层。 由油蜡和果胶物质所组成。 (2)初生胞壁：初生胞壁厚约0.10.2m 棉纤维形态结 构模型 (3)次生胞壁：是棉纤维的主体部分，约占整 个纤维总重量的 90%以上。 (4)胞腔：纤维生长 阶段，形成薄壁小 管。 原棉纤维在铜 铵溶液中的溶 胀现象 棉纤维的组成，随着棉的品种的不 同略有出入。一般棉纤维中除了含有纤 维素外，大约还含有610%的天然杂质. 2. 2. 麻纤维的形态麻纤维的形态 结构结构 麻的种类很多，可作衣用纺织纤维的主 要是苎麻和亚麻。 亚麻和苎麻是生长在韧皮植物上的纤维 ，也称为韧皮纤维。 从图3-7中可看到纤维上具有竖纹和横节。 表3-2 几种麻纤维纤维 的长长度和截径 纤维长度（毫米）截径（微米） 苎麻 亚麻 大麻 黄麻 127152 1138 1325 25 2075 1120 1650 2025 4.2 4.2 纤维素的分子结构纤维素的分子结构 纤维素是一种多糖物质，主要是由很多 葡萄糖剩基联结起来的线型大分子，分子式 可写成(C6H10O5)n。 分子结构式 ： 纤维素是-d-葡萄糖剩基彼此以1，4甙键联 结而成的大分子。 纤维素分子结构特点： 纤维素分子结构特点： 纤维素分子中的葡萄糖剩基(不包括两端的)上有 三个自由存在的羟基，其中2、3位上是两个仲醇基，6 位上是一个伯醇基，它们具有一般醇基的特性； 在左端的葡萄糖剩基上都含有四个自由存在的 羟基，在右端的剩基中含有一个潜在的醛基； 纤维素大分子中含有许许多羟羟基，可形成氢键氢键 。 扫描电镜如图39 所示。 4.3 4.3 纤维素的聚集态结纤维素的聚集态结 构构 1.电子显微镜的研究 棉纤维粉碎后 的电子显微镜 图 1） X射线衍射图 X射线是射线线是研究物质结质结 构的有力 工具。棉和丝光棉纤维的X射线的衍射图 如下： 2. X射 线的研究 无论棉或丝光棉的X射线的衍射图说明 这两个纤维的超分子结构不是完全无定形 的，而是有晶体存在的。 丝光前的棉 纤维 丝光后的棉 纤维 2）晶 胞参数 根据这些资料可以建立起纤维超分子结构模型。 3. 3. 纤维超分子结构纤维超分子结构 模型模型 根据这些资料可以建立起纤维超分子结构模型。 缨状微胞的模型和 理论: 3. 3. 纤维超分子结构纤维超分子结构 模型模型 缨状原纤模型： 纤维素大分子的基本单元是原纤。在原纤 中也有少数大分子分支出去组成其它的原纤 ， 成为连续的网状组织。 这种模型的特点在于它具有较高的连续性。 根据这个模型，纤维中仍然是存在着结 晶部分和无定形部分。 4.4 4.4 纤维素纤维的主要物纤维素纤维的主要物 理理- -机机 械性能械性能 纤维的应力-应变曲线 纺织品在 服用过程中， 要受到多种机 械力的作用。 对棉、麻和粘胶纤维的几个参数 进行比较: 麻棉粘胶 强度高中低 延伸度低低高 屈服点无无有 初杨氏模量高中低 纤维素纤维的断裂 强度特点 棉纤维： 湿态强度 干态强度 粘胶纤维：湿态强度 干态强度 棉纤维：大分子上具有较多羟基，分子 间会形成大量的氢健。聚合度高，结晶度又 高，断裂原因：主要是主链断裂。 但对粘胶纤维来说，大分子的聚合度较低 ，只有250500左右，结晶度低，取向度也 不高，它断裂主要的原因是：分子链或其他 结构单元间的相对滑移。 4.5 4.5 纤维素的主要化纤维素的主要化 学性质学性质 o一、纤维素纤维进行化学反应的特征 o二、吸湿和溶胀 o三、酸对纤维素的作用 o四、纤维素的氧化 o五、碱对纤维素纤维的作用 o六、其他的化学作用 一、纤维素纤维进行化学反应的特征 从纤维素的分子结构来看，它至少可能 进行下列两类化学反应： 1、甙键（醚键） 2、羟基反应 伯羟基、仲羟基 反应能力不 同 从纤维素纤维的形态和超分子 结构来看，在保持纤维状态下进行 化学反应时，具有不均一的特征。 二、 吸湿和 溶胀 纤维中水分的含量通常是采用吸湿率或回 潮率以及含水率这两项指标表示的。 * 纤维由于吸湿而发生的溶胀现 象基本上是可逆的。 * 溶胀只发生在纤维无定形部分， 而结晶部分不发生溶胀。 三、酸对纤维素的作 用 在染整工艺过程中常常会用酸来 处理织物。 从反应中我们得出: 氢离子在纤维素 水解反应中起着催 化作用。 铜值是 指100克纤 维素能使 二价铜还 原成一价 铜的克数 。 随着甙键的水解，导致纤维素聚合度的降 低和潜在醛基的增加，因此可采用测定聚合度 、铜值来判断纤维素受到酸损伤的程度。 综上所述纤维素对酸的作用，一般是比较敏 感的，有关的影响因素说明如下： (1)温度：升温加剧水解，符合阿累尼乌斯经验 估计 (2)浓度：浓度高水解严重 (3)时间：时间长水解严重 (4)酸的种类：强无机酸水解严重、弱无机酸水 解程度较低；有机酸水解程度低；羟基多元有机酸 在高温时会有较强的水解。 四、纤维素的氧化 1. 氧化产物 从纤维素的分子结构来看，经缓和氧化后的产 物可能如下： 按理来说纤维的强度 和纤维素铜铵溶液的粘度 ，不致严重降低，但是实 际情况并不完全如此。 氧化纤维素: 纤维素与氧化剂作用后生成的一系 列产物，它是一混合物。 分为：选择性氧化剂，非选择性氧化剂。 选择性氧化剂: 1）NaClO2 。能使潜在醛基、醛基氧化成羧基。对 于未受其他损伤的纤维素纤维，氧化反应主要发生 在分子链末端 2) NO2、N2O4 。主要是伯羟基氧化成羧基。 3）HIO4 。主要会使得2、3位的羟基氧化成醛基。 非选择性氧化剂: 双氧水、次氯酸盐等 2. 氧 化剂 有些时会出现 纤维素铜铵溶液的粘度 显著下降，而强度变化不大， 但不稳定，经过碱处理 后便大幅度下降。 我们把这种现象称之为纤维受到纤维受到“ “潜在损伤潜在损伤” ” 。 3. 氧化纤维素的特 点 1）有潜在损伤 产生这种现象的原因可用-分裂（裂解） 的反应来加以说明： -分裂必须具备下列条件： 1、带有吸电子基团 2、位有H 3、 位有O键 研究结果表明产物对纤维强度的影 响虽然不太大，但对碱的作用却是很不稳 定的，能沿虚线处分裂： 当醛基氧化成羧基时，因诱导效应而不 形成分裂（裂解） 2）具有还原性和酸 性 五、碱对纤维素纤维的作用 o碱对纤维素纤维的作用（NaOH） 棉布印染厂常常利用烧碱进行织棉布印染厂常常利用烧碱进行织 物的处理和加工。物的处理和加工。 棉纤维对碱具有良好的稳定性。与结棉纤维对碱具有良好的稳定性。与结 构中的醚键、羟基结构特征有关。构中的醚键、羟基结构特征有关。 浓碱 NaOH的作用 1844年，英国化学家J.Mercer的试验现象： NaOH的作用过程 Cell-OH I 碱纤维素 水合纤维素 （丝光纤维素） Cell-OH II 浓NaOH 水合 理论 纤维素中的羟基可视作为具有弱酸性质的基团 ，与浓碱作用时可示意为： 当碱液浓度达到一定程度后，继续提高 碱液浓度，使钠离子的水化层变薄，因而纤 维溶胀反而减小。 例如在碱液中加有盐如NaCl 可见，电解质的加入会降低丝光效果 经过水洗后得到水合纤维素，用X射 线法可以证明它的结晶度是比较低的，从 70%(棉)降低到50%(丝光棉)，晶格参数 也与天然纤维素不同 。 这些变化说明纤维的超分子结构产生不 可逆的变化。 纤维素向纤维素的转变。 除了烧碱外，其它的碱金属氢氧化物 也能引起纤维素的溶胀，一些金属离子水化 能力的大小如下： LiNaKRbCs 棉经过浓NaOH的作用，发生的变化 ： 应用 六、液氨的作用 o液氨与纤维素反应可以形成两种产物。氨化 纤维素、氨化纤维素。区别在于，结合 氨的数量不同。 o去除氨后，形成纤维素。结构与纤维素 。 o处理后的效果与丝光效果相近。 七、铜氨氢氧化物的作用 o纤维素在铜氨溶液中会产生无限溶胀 溶解作用。常用铜氨溶液、铜乙二氨溶液 。其中铜氨溶液容易出现氧化损伤，所以 在工业化应用中不普遍。 o可以生产铜氨纤维素纤维，大规模主要在 日本，产品质量良好。 八、其他的化学作用 从化学的观点可以将纤维素看作是多 元醇，它能进行一系列醇所能进行的化学 反应。 1.一般酯化、醚化反应 纤维素可与下列试剂进行化学反应： 2. 接枝聚合反应 这里所述的接枝聚合反应，是指在纤维 素分子主链上接上一些较短的合成聚合体支 链的反应。 链的转移法接枝 4.6 4.6 粘胶纤粘胶纤 维维 o一、粘胶纤维的生产 o二、结 构 o三、性 能 一、粘胶纤维的生产 粘胶纤维是以天然纤维素如木材等为原料， 经过一定的化学加工制造而成的。 用二硫化碳进行处理称为黄化(或黄酸化) ，其反应可表示如下： 纤维素OH+ NaOH纤维素ONa+H2O 纤维素的再生： 纤维素OCS2-+H+纤维素OH+CS2 市场上出现的“富强纤维”，简称“富纤” 是一种高湿强度的粘胶纤维。 二、结 构 粘胶纤维的基本组成物质和棉、麻 等一样都是纤维素但聚合度较低，一般粘 胶纤维约在250500左右，而富强纤维为 550650。 一般粘胶纤维在显微镜中的形态： 普通粘胶纤维的结晶度约为30 40%(密度法35%，重氢交换红