染整概论第一章常用纤维性质及结构.ppt

纺织品染整学目的： 使机织或针织坯布外观和使用性能改善，赋予纺织品特殊功能， 提高纺织品附加价值。用于服装、装饰、工农业、国防等各种用 途。 纺织品染整前预处理 纺织品染整学内容： 染色/印花 后整理 一般整理、功能整理 染整原理化学或化学物理方法 纺织品染整学要素：染整工艺操作步骤、参数，如：温 度、 压力、试剂浓度、时间等 染整设备处理织物、实施工艺所用的机 器装备 末页 1 第一章 纺织工业常用纤维的结构和主要 化学性能 常用纤维 纤维结构三层次： 化学结构分子结构，纤维最小结构元素（纳米、埃） 决定纤维物化性能 超分子结构分子聚集体结构（超微观） 影响纤维物化性能 形态结构分子聚集体的聚集结构（微观） 第一节 纤维素纤维的结构和主要化学性能 以纤维素分子为基本化学结构的纤维。 以- D-葡萄糖剩基为结构单元的高分子化合物。 天然纤维：棉、麻、 丝、毛 纤维素纤维 蛋白质纤维 化学纤维：粘胶、 涤纶、锦纶、睛纶 人造纤维 合成纤维 染整所 用方法 决定因 素 末页 第一章 2 要点 纤维形态结构、超分子结构、分子结构 层次 纤维结构与纤维化学性能之间关系 纤维结构与纤维物理性能关系 3 一、纤维素纤维的形态结构 棉纤维的形态结构 图 麻纤维的形态结构粘胶纤维的形 态结构 图 end 4 棉纤维形态结构和性能 单细胞：纤维素94% wt.,蜡状物0.6%wt.,灰分1.2%wt.,果胶物0.9%,含氮物等 。 长度：2345 mm；细度：0.150.2tex ；扭曲数：60120个/cm. 结构与性质：*初生胞壁-层厚 0.10.2 m，决定棉纤维表面性 质。拒水性，影响染整，前处理的去除对象。外层由果胶物质和 蜡状物组成（角皮层），内二层是纤维素网状结构，横缠竖绕。 *次生胞壁-层厚约4m ，占90%wt.，共生杂质少，决定 棉纤维性质。层中很多同心日轮，同心轮按走向 S、Z、S分三层 ，纤维走向与轴向夹角2030度，走向变化，内层直。 *胞腔-中空，占横截面1/10，含蛋白质和色素，决定棉 纤维颜色。染料和化学处理剂通道。 end 5 麻纤维形态结构和性能 特点：竖纹和横节。 端头多样：锤头、分支形（苎麻），细尖（亚麻 ）、钝角（大麻）。 苎麻、亚麻、大麻等韧皮纤维：厚壁、端闭、狭腔单细胞 。 长短、外形、成分各异。纤维素含量不高。 长径：苎麻-127152mm(长),2075m(径)； 亚麻-1138mm(长),1120(径)； 大麻、黄麻：长度很短。 组成： 纤维 素 蜡状物木质素果胶物半纤维 素 其它 苎麻 61.021.022.0015.81 亚麻 732.392.882.041215 6 粘胶纤维形态结构和性能 特点：*人造纤维，形态与纺丝成形方法有关。 *纤维较纯净，在丝生产中已除杂。 *皮芯结构，皮层紧密取向，阻碍染料进 入，芯层结构松，强度低。 附注：通过制浆、纺丝、拉伸方法改变，可得人 造纤维素其他纤维：富强纤维、Tencil纤维、modal 纤维，这些新型纤维目前正开发应用。 7 二、纤维素纤维的超分子结构 超分子结构：在分子结构基础上、由许多个分子集聚时所形 成的分子聚集态结构。其地位介于纤维形态结构和分子结构 之间。描述纤维中长链分子（高分子）排列状态、排列方向 、聚集松紧程度。 无定形区 超分子结构 结晶度-结晶区所占重量% 结晶区 取向度-链或微晶向与纤维向夹角 棉、麻、丝光棉、粘胶 结晶度：70、90、 50 、40 % 取向度值： ：1； ：0； ：角度 1：取向最高。 8 超分子结构与性能 超分子结构：对纤维的化学、物理或力学性能影响很大。 结晶度与物理性能：结晶度高，分子间紧密、作用力大， 纤维强度大；纤维断裂在于超分子结构缺陷处。结晶度低 ，分子间松散，纤维强度也较低，断裂延伸度可能较大。 取向度与物理性能：取向度高（丝光棉），纤维强度高， 断裂延伸度降低，因为分子链、微晶排列轴向平行，分子 间作用力大，应力集中点（缺陷）少，分子链不易断裂和 滑移。 超分子结构与化学性能：结晶度高，结构紧密，空隙小又 少，化学物质不能进入结晶区，例如染料分子不易进入， 只在无定形区，得色深不易（麻）。 9 三、纤维素纤维的化学结构 *纤维素纤维：有不同形态结构和超分子结构，但其化学分子的 单元结构和链接方式都一样-由葡萄糖剩基单元通过苷键相连 接。不同种纤维葡萄糖剩基单元数不同，即平均分子链长不同 。 *纤维素分子化学式：(C6H10O5)n 式中n：聚合度；n：1000015000(棉、麻)；n：250500（粘胶 ） 纤维素分子结构式 结构特点： 1.环上三个OH，反应活性点 2.环间O，酸分解之，碱稳 3.链端：有一隐-CHO，M低还原性 4.链刚性，H-键多，强度高 结构与性能见下节。 10 纤维素分子结构式 结构特点： 1) 环上三个OH，反应活性点 2) 环间O，酸分解之，碱稳 3) 链端：有一隐-CHO，M低还原性 4) 链刚性，H-键多，强度高 11 四、纤维素纤维的化学性质 由纤维素分子化学结构所决定，受超分子结构、形态 结构影响。 1. 与碱作用 常温稀碱中稳定，浓碱溶胀，高温稀碱有氧气 易氧化、断裂苷键，强力下降。 浓碱溶胀：各向异性、不可逆。 径向溶胀大，纵向小 1. 反应：酸性纤维素分子与碱拟醇钠反应 C2H5OH + NaOH C2H5ONa + H2O 1. Cell-OH + NaOH Cell-ONa+ H2O ;or 2. Cell-OHNaOH 3. 反应可逆，水洗除碱，恢复纤维素分子，但纤维素纤维高 层次结构被变化、不可逆-是棉织物丝光、碱缩处理理论 根据。 12 2、与酸作用 酸促使苷键水解:(反应式) 13 酸使纤维素纤维织物初始手感变硬,然后强度严重 下降。 酸的种类、作用时间、温度、纤维结构影响水解 反应速率。 生产上应用：含氯漂白剂漂白后，稀酸处理，起 进一步漂白作用；中和过剩碱；烂花、蝉翼等新 颖印花处理。 用酸注意：稀酸、低温、洗净，避免带酸干燥。 酸作用 14 3、与氧化剂作用 纤维素氧化后分子断裂，基团氧化变化，织物强度损伤。 纤维素分子对不同氧化剂作用有不同的敏感程度。 强氧化剂完全分解纤维素。中、低强度氧化剂在一定条件下 氧化分解纤维素能力弱，可用来漂白织物。注意：空气中O2 在强碱、高温条件易氧化、脆损纤维素织物，应避免。 氧化反应： Cell-OH + O Cell-CHO, Cell-C=O, Cell-COOH 还原型 -CHO，=C=O，潜在损伤 氧化纤维素： 酸型 -COOH 注：纤维素分子对还原剂稳定。 15 五、天然纤维素共生物 是纤维生长保护物或代谢物。 影响织物吸水、染色、白度。 果胶物质 果胶酸钙、镁、甲酯，多戊糖等。碱除。 含氮物质 含N盐和蛋白质。碱除不尽、NaClO氯胺盐化 蜡状物质 酯、酸、碳氢物。皂化、乳化除去。 灰分 无机物。酸溶 天然色素 结构复杂。漂白除。 棉籽壳 含木质素等。碱软化、磺化、氯化除。 半纤维素 多糖类。酸解、碱除。 16 第二节 蛋白质纤维的结构和主要性能 蛋白质分子为最小组成单元。 天然羊毛、丝、 蛋白质纤维： 人造大豆、牛奶 一、蛋白质知识 蛋白质分子：由-氨基酸缩合反应而得的高分子。 组成元素：C、H、O、N，少量S、P、I、 分子链：NH2CHC-NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-COOH R1 R2 Ra Rb -NH-CHR-CO-：氨基酸剩基，构成多肽主链。 -R：20多种，即20多种氨基酸。 17 蛋白质分子副键：由分子主链、侧基的极性或非极性基 团、离子基团相互作用而成。由于副键数量众多而能稳定 蛋白质分子空间构象。副键种类如下图： s s o Ho c N H o c c o o CH2 NH3 疏水键 二硫键 离子键 氢键 蛋白质副键图 18 蛋白质性质 蛋白质两性性质： H+3N-P-COOH H2N-P-COOH H2N-P-COO- H+3N-P-COO- 等电点：蛋白质分子上正、负电荷数量相等时溶液的pH值， 不会向电极移动。羊毛的: 4.2-4.8, 桑蚕丝的：3.5-5.2。等电 点时纤维溶胀、溶解度最低。 低pH值时： 高pH值时： 酸碱浓度高、 或盐多时，内外pH一致。 H+ OH-OH- H+ pH内pH外 pH内1h （3）永定（新形态固定住,不收缩） 2、热 耐干热性差 3、水 和蒸汽 吸湿，回潮率14%。水中异向溶胀。沸水、蒸汽 中长时间，分解（-S-S-)、失重。 21 羊毛反应 4、与酸 耐酸，pH2-4沸染，H2SO4炭化除草。高浓酸，损伤 羊毛：水解、氨离子化、离子键拆开。 5、与碱 碱使羊毛严重损伤、变黄、溶解、含S降低：主链 水解、氨基酸水解、离子键拆开、二硫键断开重接。 CO CO CO CO CH-CH2-S-S-CH2-CH - CH-CH2-NH-(CH2)4-CH NH NH NH NH 6、与还原剂 羊毛二硫键、离子键被还原剂断开，羊毛损伤 7、与氧化剂 强氧化剂分解羊毛，中强氧化剂对羊毛有损伤 作用，控制条件可漂白羊毛：NaClO, H2O2 OH- 22 三、蚕丝结构和性能 蚕丝形态结构、超分子结构、分子结构示意： （SCAN） 形态结构 分子结构-折叠链 蚕丝组成：丝素7080%，丝胶2030%，其他杂质：少量。 与羊毛区别：1、组成-C、H、O、N，硫很少。 2、-折叠构象多，无-螺旋构象，结晶与非晶 。 23 丝素性质 丝素结构：分子线形、支形，聚合度400500，晶区伸直链，不 如羊毛弹性、延伸。无定形区亲水基集中， 丝素性质： v 吸湿性 10% ，水中异向溶胀 v 耐热性 好，120也不变 v 盐作用 因丝交联少， 溶胀、溶解。高价盐溶胀不明显，增 重。 v 酸作用 不如羊毛。酸缩处理。丝鸣处理。 v 碱作用 差，比羊毛好。弱碱性精练。 v 氧化还原 氧化与羊毛相似，漂白不用NaClO。耐还原剂。 24 丝胶性质 丝胶结构：无定形、球状蛋白，四个层次。组成：侧基含较多 亲水基团（-COOH、-OH、-NH2）。 丝胶性质：由于上述结构，丝胶吸湿性好，水易进入，具有水 溶性。低温溶胀，在100沸水煮能溶解，脱胶：pH10，95 ，30分钟。 丝胶结构不稳定，在存放中会变性，无规结构变成折叠链晶状 ，疏水基分布到丝胶表面。变性后丝胶不易溶于水，对蚕丝脱 胶不利。 （SCAN）结构图 25 第三节 合成纤维的结构和主要性能 合成纤维形态结构（和超分子结构）与纺丝方法、喷丝口形 状相关性大，比天然纤维的形态结构简单，层次少。 一、涤纶的结构和主要性能 形态结构：纵向光滑、均匀无条痕，横向圆形实体，或异形 （熔纺法）。 超分子结构：与纺丝工艺有关热拉伸，4060%结晶度 。折叠缨状原纤模型：伸直链晶体+折叠链晶体+无定形区。 模型 26 涤纶分子 聚对苯二甲酸乙二醇酯。分子结构只有弱极性基团，吸湿性差 、染色性差。 -COO-酯基具有反应性，如水解；但苯基、亚乙基稳定，故涤 纶稳定性好。-OCH2CH2O-具柔性，故可折叠。 分子线性、规整，分子聚集时容易紧密堆积（结晶），使纤维 形状、强度好。 涤纶分子结构涤纶分子结构： HO-CH2-CH2-O-C- C O-CH2-CH2-OH n OO 27 涤纶性能 涤纶性能：1、热性能 耐热难分解；热稳定形变小 。 Tg：67、81、125（纤维），软化点：230， 熔化点：255 2、吸湿性 0.40.5%吸湿率，易洗快干；静电、玷污、难染 染色性 结构紧密、孔隙小，缺极性基团，难染。用小、 弱极性分散染料。 3、化学反应 结构紧密、分子稳定。 耐酸 碱中易水解 碱剥皮现象 耐氧化剂、还原剂作用 28 二、锦纶的结构和性能 锦纶形态结构：熔纺法制成，纵向光滑无条痕，截面一般为 圆形。 锦纶超分子结构：折叠链缨状原纤模型。与涤纶相比，模型 类似，但容易结晶，在初生纤维没拉伸前就有结晶结构。结 晶度可达5070%。 锦纶分子结构：锦纶6、 锦纶66、SCAN 29 锦纶性能 热性能 耐热性差，100以上空气中容易热氧化发黄 、分解。玻璃化温度3560（锦纶6）和4060（锦纶66 ）。软化点160180（锦纶6）和235（锦纶66）。 吸湿性 疏水纤维，吸湿性在合成纤维中仅次于维纶， 4%。 染色性 容易染色，染涤纶、羊毛、丝的染料如分散 染料、酸性染料等都可染锦纶。 化学性能 耐碱性好，耐酸性差。 中强氧化剂如次氯酸钠、过氧化氢使锦纶纤维强度降 低、变黄，漂白用亚氯酸钠、还原剂。 分子间通过羰基和亚胺基形成氢键。锦纶6分子间氢键少些。 30 三、腈纶的结构和主要性能 腈纶的形态结构：主要为湿法纺丝所制。纵向表面象树皮、粗 糙，有轴向沟槽，横截面为圆形，哑铃形（干法纺丝）。 腈纶超分子结构：研究至今不明。与氰基、分子组成有关。 准晶结构（二维有序），拟晶体，属无定形，但高度有序结构。纤维中 有螺旋链结构。 腈纶的分子结构：三元共聚物 SCAN 第一单体85%，只有第一单体，纤维性能不好，脆、弹性手感差、不易染色 第二单体10%，改善纤维结构，减弱氰基之间的作用力， 第三单体5% ，结合染料基团，利于染色。 31 腈纶性能 热性能 热稳定性差，因为只有准晶结构，受热时，分子 链易自由取向，无外力时形变收缩大。耐热性较好，高温变 黄，更高温制碳纤维。玻璃化温度有二个：70