常用纺织纤维的结构和性能课件

常用纺织纤维的结构和性能 主讲人：宗亚宁 授课内容 形态结构 化学结构 聚集态结构 化学性质 第1节 纤维素纤维 纤维素纤维分类 天然纤维素纤维 棉 麻 再生纤维素纤维 黏胶：普通黏胶、高湿模量黏胶 Loycell 醋酯纤维 1. 棉纤维 1.1 棉纤维形态结构 一端尖而封闭，另一端粗而敞口 扁平带状，不规则天然转曲，存在转曲反向 转曲数量与成熟度有关 棉纤维截面形态 正常成熟，截面呈肾形或豆 形 成熟度过高，接近椭圆形 成熟度过低，呈条形或“U” 字形。 中腔干扁截面面积约为纤维 截面积的1/10。 干涸前，约为1/31/2 棉纤维截面形态 未成熟纤维纤维 干扁前纤维纤维成熟纤维纤维 棉纤维微观形态结构 棉纤维的截面由外向内 初生层、次生层和中腔 初生层棉纤维微观形态结构 纤维表层是初生细胞壁的外侧 表层：极薄的蜡质与果胶层。 棉蜡与表面性质密切相关 具有润滑和防水作用 脱脂棉吸湿可达自重的2324倍 纺纱：良好的表面性能 染色：煮炼破坏，保证渗透，染 色均匀。 初生层棉纤维微观形态结构 初生胞壁：网状原纤结构 纤维素呈原纤螺旋状结构，与纤维轴 呈7090倾角 形成对纤维整体形态的约束和保护， 是纤维吸湿膨胀复圆后，直径或周长 不变的主机制 次生层棉纤维微观形态结构 在初生胞壁的里侧 由纤维素沉积而成 棉纤维生长条件、成熟情况 质量约占纤维质量90以 上，构成纤维的主体 决定棉纤维主要物理性质 化学物质附着的主要部分 成熟度差的纤维，白星 日轮：日轮：每日温差的影 响，纤维素逐日淀积 一层，共有2540层 次生层结构 （1）S1层 厚度小于0.1m 由平行排列，较为紧密的微原纤组成，微原纤 螺旋角为2035 （2）S2层 厚约14m，棉纤维主体 原纤呈平行螺旋状相互堆砌而成，微原纤螺旋 角约为25，螺旋方向会周期性换向（可达50 次以上） 明显日轮结构 微原纤间形成空隙，使棉纤维具有多孔性。 （3）S3层：厚度小于0.3m 相邻的S1、S2、S3层间螺旋方向往往相反 天然转曲 中腔棉纤维微观形态结构 棉纤维生长停止后遗留下来 的内部空隙：中腔内留有少 量原生质和细胞核残余等。 对棉纤维颜色有影响：色素 最大空隙，染色和化学处理 的重要通道 1.2 棉纤维化学结构 正常成熟棉纤维纤维素含量94%95% 棉、麻聚合度1000015000 黏胶纤维聚合度250500 -D-葡萄糖糖剩基 纤维素结构特点 中间葡萄糖剩基三个自由羟基 两个仲羟基、一个伯羟基 醇羟基：酯化、醚化 分子间和分子内氢键：刚性、强度高 棉纤维化学结构特点 末端葡萄糖剩基 四个自由羟基 三个自由羟基，一个半缩醛羟基 判断酸处理，聚合度变化情况 聚合度降低，还原性增加 1.3 棉纤维聚集态结构 结晶度 棉70%，麻90%，丝光 棉50%，黏胶40% 取向度（取向因子） 陆地棉0.62，苎麻0.97， 普通黏胶0.54 缨状原纤结构模型 分子结构对力学性能的影响 聚合度高，强力高 结晶度，强力高 麻棉黏胶 取向度高，强力高 顺应排列，次价键力增高 改善受力情况 棉和丝光棉 化学纤维纺丝过程中的拉伸 结晶度对染色性能的影响 染液只能进入无定形区和晶区的边缘 高：染料平衡吸附量少，得色浅淡 低：染料平衡吸附量多，得色深浓 棉和丝光棉 大家想一想哪个颜色深？ 1.4 纤维素纤维的化学性质 （1）碱（无氧） 苷键稳定，常温不起作用，沸煮仅一部分 溶解 丝光效应（有张力，氢氧化钠18%-25%） 碱缩（无张力） 棉针织物，皱缩，密度增加，弹性增加 丝光显微图像 天然转曲：8014.5 胞壁：横向膨化，变厚 形状：腰圆近椭圆形 丝光效果 光泽变化：呈现丝一般光泽。 内部结构：纤维素I 纤维素II 结晶度：70% 5060% 强力提高； 染色性和吸湿性增强。 液氨也有同样的作用 （2）酸的作用 苷键水解催化 酸性愈强，水解愈快 浓度愈大，水解愈快 温度愈高，水解愈快 时间愈长，水解愈严重 结构愈疏松，水解愈快 中和：过剩的碱 加强漂白：含氯氧化剂 蝉翼纱、烂花织物 （3）氧化剂的作用 一般不受还原剂的影响 氧化纤维素 伯羟基 醛基 羧基 仲羟基 酮基 开环的醛基和羧基 半缩醛基 羧基 碱性条件下，大分子链断裂，聚合度下降 漂白时严格控制工艺条件 氧在碱性条件下，氧化脆损，隔绝空气 1.5 纤维素共生物 影响吸水、染色、白度等 果胶：烧碱，酯水解成羧基 钠盐 含氮物质：蛋白质和含氮无机盐 蜡状物质：脂肪酸（酯）类、高级醇、碳 氢化合物 灰分：金属盐类、氧化铁、氧化铝，酸洗 天然色素：漂白剂 棉籽壳 2. 麻纤维 苎麻纤维形态特征 截面 腰圆形或跑道形，有中腔，胞壁有辐射状裂纹； 纵向 表面较平滑，呈圆筒形或扁平带状，有明显的纵向条 纹且有横节。 亚麻纤维形态特征 截面：呈不规则的多角形，有空腔 纵向：表面有条纹，且在某些部位有横节 麻纤维性能 纤维硬挺、刚性大，抱合力差，不易捻合，纱线 毛羽较多，易引起刺痒烧毛 强度高、变形能力小，纤维以挺爽为特征。 弹性差，织物易起皱、悬垂性较差。 吸放湿性能好 具有中腔，纤维表面有许多细孔与中腔相连 表面积大 吸湿性较好，回潮率为7%8%。 放湿速度快 苎麻织物3.5h可阴干 大多具有抗菌性 亚麻水二战消毒 麻纤维化学组成 原麻主要成分为纤维素，并含有较多的半 纤维素、果胶和木质素 纺织用麻纤维素含量多少与脱胶工艺有关 苎麻精干麻残胶率一般控制在2%以下 亚麻打成麻为工艺纤维，纤维素含量在80%左 右。 麻纤维染色性能 染色性能较差，上染率低 结晶度高，结构紧密，溶胀困难 杂质（木质素、半纤维素） 解决办法：半丝光，阳离子改性 3. 再生纤维素纤维 3. 1 普通黏胶纤维 纵向平直，有沟槽 截面不规则锯齿状 皮层：结构紧密 芯层：结构疏松 黏胶纤维结构 化学组成与棉纤维相同 聚合度低 棉10000以上，黏胶250500 结晶度低 棉70%，黏胶40% 取向度受拉伸倍数影响 棉0.62 普通黏胶0.54，强力黏胶0.88 普通黏胶纤维性能 湿强低，易变形低张力、松式加工 化学活泼性、酸、氧化剂敏感性大于棉 耐碱稳定性差，浓烧碱剧烈溶胀甚至溶解 化学试剂吸附量大 染色性能 皮层妨碍染料的吸附和扩散 芯层染料吸附量高 低温、短时间染色，浅、不匀 高温、长时间染色，深 3.2 高湿模量黏胶 克服普通黏胶纤维的缺点 湿强小，易变形，尺寸不稳定 不能丝光处理 富强纤维和Modal纤维 富强纤维特点 圆形或近圆形，全芯层结构 结晶度、取向度高，晶粒尺寸大 拉伸强度、弹性得到改善 伸长降低，耐疲劳性能差、钩强低，脆性高 尺寸稳定性好 存在原纤结构原纤化现象 可耐受丝光处理 染色性能与棉相似 3.3 Lyocell纤维 截面形状近圆形或椭圆形 皮芯结构 皮层很薄，无定形结构 芯层，巨原纤及之间无定形 区构成 Lyocell纤维性能 干强接近涤纶，湿强是干强的80% 初始模量高 干、湿断裂伸长率小于黏胶纤维 湿加工保形性好 水中膨润各向异性明显 横向40%，纵向0.03% 湿态结构紧密、僵硬 折痕、擦伤，毛羽 Lyocell纤维性能 原纤化 横向结合力弱 湿态反复摩擦 桃皮绒 影响染色、整理、 织物外观 染色性能 与棉所用染料相同 存在差异 第2节 蛋白质纤维 化学结构 元素组成：碳、氢、氧、氮，可能还有硫、磷等 -氨基酸剩基连接而成的蛋白大分子 羊毛纤维（角蛋白）由近20种氨基酸组成。 桑蚕丝素蛋白中，甘氨酸、丙氨酸（侧基小）约 70%，丝氨酸和酪氨酸约20%。 蛋白质两性性质 端基有氨基和羧基，侧基：酸性和碱性 等电点：正负电荷数量相等 羊毛：4.24.8 桑蚕丝：3.53.2 溶胀、溶解度最低 纤维内部PH值和溶液PH值不相同 盐的存在影响纤维内PH值的变化 1. 羊毛纤维 羊毛纤维形态结构 羊毛纤维形态结构 表面为鳞片层，内部为皮质层，粗羊毛的 中心部分为髓质层。 鳞片层 鳞片层由角质化的扁平状细胞通过细胞间 质粘连而成，相互之间互相重叠。 具有良好的化学惰性，保护羊毛内层组织 ，具有耐碱、氧化剂、还原剂和蛋白酶的 功能 羊毛缩绒性 皮质层 决定羊毛的主要物理、机械和化学性能 皮质层由角朊蛋白组成，由近20种氨基酸 组成，其中最为特殊的是含量高达14以 上的胱氨酸（二硫键） 存在两种皮质细胞：正皮质和副皮质细胞 部分皮质层可能存在天然色素 髓质层 由松散联系的细胞和气胞组成，成网状联 系。呈连续或不连续分布。 影响羊毛纤维的使用价值，导致纤维物理 机械性能变差，甚至脆断。 细羊毛没有此层结构 羊毛角蛋白的分子结构 Serine (9%) Cystine (12%) Glutamic acid (13%) Leucine (7%) Aspartic acid (6%) Arginine (9%) 羊毛角蛋白的空间构型 氢键 二硫键 盐式键 羊毛纤维的可塑性 羊毛在湿热条件下，可按外力作用改变现有形态 ，再经冷却或烘干使形态保持下来。 多肽链构象变化 肽链间副键的拆散和重建有关 毛织物的定形，熨烫 热、水和蒸汽的作用 耐热性差，干热70； 100105 ，强力降低、泛黄 吸湿溶胀，截面增加18%，长度12% 湿强：干强9597% 沸水或蒸汽 剧烈溶胀，主链和支链交键水解 90100 蒸汽，3h，失重18% 水比蒸汽影响大 酸的作用 耐酸性较好 可使用强酸性染料 炭化 肽键水解，盐存在加剧 碱的作用 耐碱性差 盐式键、主链破坏 部分氨基酸水解 变黄，含硫量降低（二硫键被破坏） 碱溶法检验羊毛损伤程度 还原剂和氧化剂的作用 还原剂破坏羊毛纤维中的胱氨酸键 氧化剂 漂白：双氧水，严格控制工艺条件 防缩：含氯氧化剂，破坏鳞片 2. 蚕丝 桑蚕丝的形态结构 脱胶前脱胶后 丝素的组成与结构 Glycine (41%) Aniline (33%) Serine (16%)Tyrosine (11%) 丝素分子链的构象 丝素的性质 耐热性 好，100，强力无影响 溶胀和溶解性 水中，直径增加16%18%，长度1.2% 不能溶解，水只能进入无定形区 钠、锌、镁、钾强酸盐类，溶解 铁、铝、钙、铬盐类，增重 丝素的性质 酸 比棉强，低于羊毛 有机酸 稀溶液，不能溶解，不损伤纤维，增重，增加光泽 ，赋予丝鸣单宁酸 浓溶液，高温沸煮，损伤纤维，失去光泽 无机酸 弱，稳定；强，溶解 酸缩，长度缩短30%，皱纹丝织品 丝素的性质 碱 较差，比羊毛好 催化水解 与碱的种类有关 氧化剂 肽键断裂 含氯氧化剂，氯化反应，氯胺类有色物质 还原剂 无明显损伤 漂白脱色，不持久 丝胶的性质 支化程度比丝素高，极性基团含量较高， 分子链排列不够规整，分子间作用力小 常温有限溶胀 100沸水，随时间不同逐步溶解 弱碱性溶液脱胶 第3节 合成纤维 1. 涤纶 锦纶纤维与其相似 涤纶的分子结构 无亲水基团，酯基极性小，疏水性纤维， 吸湿性、染色性差 化学稳定性较好 酯基具有一定反应性能 苯基、亚甲基稳定性较好 涤纶的分子结构 线型分子链，苯核与羰基几乎同平面，几 何规整性较高，具有良好结晶倾向 分子主链刚中有柔 含有苯环，分子具有刚性 -OCH2CH2O-具有柔性 结晶速率慢 涤纶聚集态结构 半结晶高聚物 结晶度40%60% 伸直链和折叠链晶体共 存的体系 涤纶纤维热性能 Tg ：无定形 67，部分结晶 81，取向且 结晶 125 软化点：230240 熔点： 255265 定形温度高，有利于定形效果稳定 耐热稳定性好 150 空气，168h，不变色，强度下降1530% 棉，150 ，1h，下降一半 涤棉混纺织物 涤纶纤维的吸湿性 吸湿性差，0.4%0.5% 干湿强无差别 尺寸稳定 易洗快干 易产生静电和沾污 舒适性不好 涤纶纤维的染色性 染料分子进入困难 结构紧密，分子链间空隙小 疏水性纤维，溶胀度小 染料与纤维间难形成价键联系 缺少极性基团 高温：增加自由体积 分散染料：分子小，水溶性差 涤纶纤维的化学性能 对氧化剂、还原剂稳定性好 酸碱均能水解，但有差别 酸：酯键酸性水解可逆 碱：生成钠盐，水解持续进行 碱减量，由表及里，碱剥皮 2. 锦纶纤维 主要特征是大分子链由酰胺键(CONH)连接 二元酸和二元胺 尼龙66： 内酰胺或-氨基酸 尼龙6： 锦纶的分子结构 无侧基，晶体中大分子链平面锯齿状 锦纶聚集态结构 结晶度5060%，最高达 70% 晶区一般为折叠链，也有伸 直链，折叠链结晶是其主要 形式，缨状片晶结构 锦纶热性能 锦纶6 Tg 3560 锦纶66 Tg 4060 定形效果差 耐热性差 100以上热空气，热氧化降解 锦纶染色性能 具有亚甲基疏水链，分散染料 端基具有COOH和NH2，具有两性特性 ，类似蛋白质纤维 酸性介质，具有阳荷性，可用酸性染料 锦纶化学性能 耐碱性突出 酸可使酰胺键水解 锦纶6溶解于15%的盐酸 锦纶66溶解于20%的盐酸 氧化剂，降解，漂白后易变黄 漂白：亚氯酸钠或还原型漂白剂 3. 腈纶 三元共聚物 第一单体：主体，丙烯腈（超过85%）； 第二单体：结构单体，丙烯酸甲酯、甲醛丙烯 酸甲酯、醋酸乙烯酯等；（国内7%） 第三单体：引入一定量带有酸性或碱性染料的 基团（国内丙烯酸钠，1.7%） 结构 准结晶结构 侧向有序（垂直大分子链方向）， 纵向无序 腈纶纤维热性能 具有较好的耐热性 无明显熔融温度 具有两个玻璃化温度，第二、第三单体的 引入，两个玻璃化温度趋同，75 腈纶纤维吸湿性和染色性