（纺织化学与染整工程专业论文）溶解法鉴别纤维素纤维研究.pdf

溶解法鉴别纤维素纤维研究 摘要 纤维素是可再生的自然资源，资源十分丰富，具有可持续性和环保性，可参与自然界 的生态循环。作为纺织原料的纤维素纤维具有优良的吸湿性、穿着舒适性，是纺织服装业 最理想、最有开发潜力的纺织原料之一。 纤维素纤维品种多，市场需求大，价格差异也很大，对纤维素纤维的检测，特别是对 新型再生纤维素纤维的检测，尚无统一的标准。由于没有可行的鉴别方法，无法进行市场 监管，使得高档纤维素纤维在市场营销时无法明确标识其品种及品质，因此，在质量检测 时需要提供一种有效可行的鉴别方法。 目前纤维检测方法较多，纤维素纤维的鉴别方法有显微镜观察法、药品着色法、燃烧 法和溶解法等。显微镜观察法和药品着色法不能单独使用鉴别纤维，只能作为辅助手段； 由于纤维素纤维均是由纤维素大分子构成，其化学组成相同，燃烧法鉴别较困难；不同的 纤维素纤维在不同的溶剂中的溶解度差别较大，在同一种溶剂中溶解度也有较大差别，因 此，可以用溶解法来鉴别不同的纤维素纤维。 通过研究纤维素纤维在不同溶剂中的溶解性能，为溶解法鉴别纤维素纤维提供基础数 据，并结合其它鉴别方法，得出鉴别七种纤维素纤维的具体方法。 关键词纤维素纤维溶解法鉴别溶解性能 s t u d yo n i d e n t i f i c a t i o no fc e l l u l o s i cf i b e rb yd i s s o l u t i o n a b s t r a c t c e l l u l o s i cf i b e rw i t hs u s t a i n a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sar i c ha n dr e n e w a b l e n a t u r a lr e s o u r c e ，a n di tc a ni n v o l v ei ne c o l o g i c a lc y c l ei nn a t u r e a sat e x t i l er a wm a t e r i a l s ， c e l l u l o s ef i b e rh a se x c e l l e n tm o i s t u r ea b s o r p t i o n ，c o m f o r t ，a n di st h eb e s tt e x t i l ea n dg a r m e n t i n d u s t r y , t h em o s tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n to f t e x t i l er a wm a t e r i a l s c e l l u l o s i cf i b e rv a r i e t i e s ，m a r k e td e m a n d ，t h ep r i c ed i f f e r e n c ei sa l s og r e a t ，t h ed e t e c t i o no f c e l l u l o s ef i b e r s ，e s p e c i a l l yf o rt h ed e t e c t i o no fn e wr e g e n e r a t e dc e l l u l o s ef i b e r , t h e r ei sn o u n i f o r ms t a n d a r d s i n c et h e r ei sn of e a s i b l em e t h o do fi d e n t i f y i n gt h em a r k e tr e g u l a t i o nc a i ln o t m a k eh i 曲一g r a d ec e l l u l o s ef i b e ri nm a r k e t i n g , w h e nn o tc l e a r l yi d e n t i f yt h es p e c i e sa n dq u a l i t y , t h e r e f o r e ，q u a l i t yc o n t r o ln e e dt op r o v i d ea l le f f e c t i v em e t h o do fi d e n t i f y i n g t h e r ea r em a n yf i b e rd e t e c t i o nm e t h o d sn o w , s u c ha sm i c r o s c o p yo b s e r v a t i o n ，d r u gs h a d i n g , b u r n i n ga n dt h ed i s s o l u t i o n m i c r o s c o p eo b s e r v a t i o na n dt h eu s e o fd r u g ss h a d i n ga l o n ec a i ln o t i d e n t i f yf i b e r , o n l ya sas u p p l e m e n t a r yw a y ；d u et oc e l l u l o s ef i b e r sa r ec o n s t i t u t e db yac e l l u l o s e m o l e c u l e ，i t sc h e m i c a lc o m p o s i t i o ni st h es a m e ，s ob u r n i n gc a nh a r d l yi d e n t i f yd i f f e r e n tf i b e r s ； d i f f e r e n tc e l l u l o s i cf i b e r sh a sd i f f e r e n ts o l u b i l i t yi nd i f f e r e n tt h ed i s s o l u t i o na n de v e ni nt h es a m e s o l u t i o n ，s od i s s o l u t i o nc a nb eu s e dt oi d e n t i f yt h ed i f f e r e n tc e l l u l o s i cf i b e r b ys t u d y i n gt h ec e l l u l o s i cf i b e r d i s s o l v i n gc a p a b i l i t y i nd i f f e r e n ts o l u t i o n s ，p r o v i d eb a s i c d a t af o rd i s s o l u t i o nm e t h o d ，a n di nc o m b i n a t i o nw i t ho t h e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，d e r i v e d s p e c i f i cm e t h o dt oi d e n t i f i e ds e v e nk i n d so f c e l l u l o s i cf i b e r k e y w o r d s c e l l u l o s i cf i b e r s s o l u b i l i t y i d e n t i f i c a t i o n d i s s o l v i n gc a p a b i l i t y i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学雠文储躲职阮 p 期j 砂吒7 年f z 其z 狮 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 目期：加护夕年，月2 2 - 日 日期：砂乡年f 月2 上日 移伉 ，敷 辫k 名 ；人 鹳 坎 者作 ： 文 名 论 签 位 师 学 导 北京服装学院硕士学位论文 第1 章绪论 纤维素资源十分丰富，纤维素是可再生的自然资源，具有可持续性；纤维素具有环保 性，可参与自然界的生态循环。作为纺织原料的纤维素纤维具有优良的吸湿性、穿着舒适 性，是纺织服装业最理想、最有开发潜力的纺织原料之一。纤维素纤维品种多，市场需求 大，价格差异也很大，对纤维素纤维的检测，国内外尚无统一的标准，由于没有可行的鉴 别方法，无法进行市场监管，使得高档纤维素纤维在市场营销时无法明确标识其品种及品 质，在质量检测时需要提供一种有效可行的鉴别方法。 1 1 纤维素纤维的种类 纤维素纤维( c e l l u l o s i cf i b e r ) 是指其基本组成物质是纤维素的一类纤维，其中棉( c o r o n ) 纤维、麻( 1 i n e n ) 纤维、竹( b a m b o o ) 纤维等属于天然纤维素纤维；粘胶( r a y o n ) 纤维、 醋酯纤维( a c e t a t ef i b e r ) 和铜氨纤维( c u p r a m m o n i u mf i b e r ) 等是以天然纤维素为原料，经 过一系列化学及物理机械加工而制成的再生纤维素纤维，属合成纤维的范畴。纤维素纤维 的种类【1 乏j j 艮多，按其来源分类如下： 纤维素纤耋 天然纤维素纤多 种籽纤维：棉 韧皮叫瑟：豢、鬻篇 叶脉纤维：剑麻、焦胧须草、菠萝叶冬 果实纤维：椰果纤维 禾本科纤维：稻秸秆、麦秸秆等 竹纤维：各种竹子中撤的纤维 木材纤维：针叶木材稠叶木材等 f普通粘胶 lm o d e 纤维 l f e n c e l ( l y o c e l d 纤维 再生纤维素纤维富强纤维 i铜氨纤维 i醋酯纤维 l 第1 章绪论 1 1 1 天然纤维素纤维 纤维素纤维的种类很多，但传统纺织领域使用最多的仍然是棉、麻等天然纤维素纤维 和粘胶纤维等再生纤维素纤维。 1 1 1 1 棉纤维 棉纤维是我国纺织工业的主要原料，它在纺织纤维中占很重要的地位。我国是世 界上的主要产棉国之一，目前，我国的棉花产量已经进入世界前列。我国棉花种植几 乎遍布全国，其中以黄河流域和长江流域为主，再加上西北内陆、辽河流域和华南， 共五大棉区。 原棉即棉花，目前世界各国栽培的棉花主要有四个品种，即陆地棉、海岛棉、亚洲棉 和非洲棉，其中陆地棉是世界上四个棉花栽培数量最多的品种，占世界棉花总产量的8 5 ， 我国陆地棉栽培面积占棉田总数的9 8 以上，即我们平常所见棉花绝大多数为陆地棉，本 实验所用棉花为本地产的陆地棉。 按原棉的色泽，棉花又分为白棉、黄棉和狄棉。白棉足正常成熟，正常吐絮的棉花， 色泽呈洁白、乳白或淡黄色；黄棉是因为棉花生长期晚，棉铃经霜冻伤后枯死，铃壳上的 色素染到纤维上，使原棉颜色发黄。黄棉一般都属低级棉，棉纺厂应用量很少；灰棉是棉 花在多雨地区生长时，棉纤维在生长过程中或吐絮后，由于雨量多，日照少，温度低，使 纤维成熟受到影响，原棉颜色呈现狄白，此种棉纤维强力低，质量差，棉纺厂应用量很少。 另外，还有本身具有一定的色彩的棉花，称作彩色棉。彩色棉利用生物遗传工程的方 法在棉花的植株上插入产生某种颜色的基因，让这种基因使棉株具有活性，因而使棉桃内 的棉纤维具有相应的颜色。正常成熟的棉纤维，纵向呈扁平带状，并具有天然扭曲，扭曲 数一般为6 0 1 0 0 捻e m ，纤维越细，天然扭曲越多，纤维横截面呈腰子形或耳形，由较薄 的初生胞、较厚的次生胞壁和中空的胞腔组成。不成熟的棉纤维次生胞壁较薄，胞腔较大， 横截面呈“u ”字形，如图1 ，纵向缺少正常的天然扭曲，其机械性能和染色性能均比成熟棉 要差。彩色棉纤维的纵向与本色棉一样，为细长不规则卷曲的扁平状态，中部较粗，根部 稍细于中部，梢部更细。彩色棉的色彩主要成分分布在纤维次生胞壁内。 2 北京服装学院硕士学位论文 图1 棉纤维横截面 棉纤维的组成在生长过程中是不断变化的，成熟棉纤维的主体部分是纤维素，此外还 含有一定量的共生物或伴生物。 茎! 壁墨塑堑丝盟望望壁! 丝：坠垄堕王塞丝壁生! 成分含量( )成分含晕( ) 1 1 12 麻纤维 麻纤维是从各种麻类植物取得的纤维的统称 3 4 1 ，包括一年生或多年生草本双子叶植物 的韧皮纤维和单子叶植物的叶纤维。 韧皮纤维是从一年生或多年生草本双子叶植物的韧皮层中取得的纤维，这类纤维品种 繁多，纺织上采用较多，经济价值较大的有苎麻、亚麻、黄麻洋麻大麻苘麻等。这类纤维 质地柔软，适宜纺织加工，商业上称为“软质纤维”，其中苎麻纤维品质优良，单纤维长， 可采用单纤维纺纱，其它麻类纤维，单纤维很短，一般都用工艺纤维( 束纤维) 纺纱。 麻纤维的主要成分为纤维素，并含有较多的半纤维素和术质素。 各种韧皮纤维的单纤维都是一个植物单细胞，纤维细长，两端封闭，截面呈椭圆或多 角形，原纤在经向呈层状结构，纵向有条纹，取向度和结晶度均高于棉纤维。 麻纤维宽度很不规则，无天然扭曲，其形成与纤维中由大分子组成的原纤的排列有关。 宽度变化的地方有麻节，这是在纤维的紧张弯曲处部分原纤分裂所致。所有麻纤维都具有 这样的特征，但各种麻的单纤维其外形、长短和化学组成等却存在一定差异。苎麻单纤维 4 第1 章绪论 两端呈锤头形或分支：亚麻两端稍细，呈纺锭形：大麻呈钝角形或分支：黄麻呈钝角形。 麻纤维的主要成分也是纤维素，但古量较棉纤维低，而共生物含量却较棉纤维高。苎 麻纤维是麻类中最长者。长宽比大于2 0 0 0 以上。苎麻的纤维形态不规则，有时显条纹， 有时显横纹，两端形状有圆形或长如长矛形的。纤维的木质化程度很低，几乎不含术质素， 故纤维富有韧性和弹性，不易折断。 本实验采用采用在纺织中应用最广泛的苎麻作为研究对象，试验用苎麻为经过脱胶处 理的精干麻。 1 113 竹纤维 采用来自大自然的常青植物竹子为原料生产的纤维称为竹纤维 】。竹子是一种速 生丰产植物，栽培成活后2 - - 3 年即可连续砍伐使用。由于它生长快、产量高、用途广、 效益好、周期短等独特优势，竹林被称为“第二森林”。我国是世界上面积最广、资源最多、 利用擐早的竹业国家。竹子种类、竹林面积和蓄积量均居世界之冠，具有其它国家无可比 拟的得天独厚的优势，素有“竹子王国”之美称。因此，作为一种绿色、可再生、可降解的 资源性纤维，竹纤维的开发利用前景广阔，因而受到了越来越多人的关注。如果能大力发 展竹林产业，无疑会有更广阍的发展前景。 竹子茎杆的基本组织构成 竹了的茎丰t 是其主要利用部分，由表皮系统、基本组织( 薄壁细胞) 和维管柬组成。 维管束山外围的纤维及位于中央的导管、筛管和伴管组成。维管柬外围的纤维层成为维管 束鞘，是纤维的主要来源。以毛竹为例，维管束构造如图2 ，横切面上大致呈“梅花”形， 散布于基本组织中。不同品种的竹材，基本解剖结构太体相同嘲。 图2 毛竹维管束和薄壁细胞横切面 北京服装学院磺士学位论文 单根竹纤维的显微构造 单根竹纤维细长，纤维内壁较光滑，细胞壁厚，腔小；纤维纵向表面光滑，均有 多条较浅的沟槽。在近似圆形的横断面上布满了大大小小的空隙，毛细管效应极其发达， 边缘是不规则的锯齿形。图3 表示竹纤维的横截面和纵向侧面图。竹纤维特殊的表面构造 使得纤维表面具有一定的摩擦系数，纤维具有较好的抱合力，有利于纤维成纱：由于纤维 横断面大大小小的空隙，使得竹纤维具有良好的吸湿性，透气性，易染性和生物降解性。 圉3 竹纤维的横切面和纵向侧面 目前生产的竹纤维有两种：一种称竹原纤维( 天然竹纤维) ，另一种称竹浆纤维( 再生竹纤 维) 。下面，分别将两种竹纤维的玎发现状如下： 竹原纤维( 天然竹纤维) 竹原纤维的生产工艺分前期处理工序，分解工序，成型工序和后处理工序四部分组成。 具体步骤为：选料_ 截断_ 制竹片_ 浸泡叶蒸煮软化_ 水洗_ 分丝_ 再蒸煮_ 分丝_ 还原 一脱水叶软化一千燥一梳纤一筛选_ 检验_ 打包。这种方法实现的是部分脱胶，部分脱胶 后的竹纤维的余胶将拍子纤维一根根相互连接起来，从而制成需要的竹纤维。这种纤维 不是单纤维，而是束纤维。由于胶来脱尽，它的色泽偏黄在干燥的状态下，粉尘较大， 潮湿时强度非常低。这种天然竹纤维制成的纺织面料和服装具有质地轻、吸湿导湿性强、 透气舒适、穿着清凉爽快，并有抗紫外线、抑菌防臭防霉等功能，纤维光泽好、染色色彩 艳丽尤其是夏天穿着使人感到特别凉爽舒适。 竹粘胶纤维 竹粘胶纤维又称再生竹纤维素纤维，是以竹子为原料，采用化学加工方法，先将纤维 素打浆，再用人工催化的方法将几种纤维素含量在3 5 左右的竹纤维提纯到9 3 以上，采 用水解一碱法及多段漂白精制而成能满足纤维生产需求的竹浆柏，再由化纤厂加工制成纤 维。这种纤维强力较好，染色效果佳，韧性，耐磨性高，可纺性能提高，是一种优异的纺 织原料。但竹纤维中的某些优良特性和含有保健的成分在化学加工中受到一定程度的损 5 第l 章绪论 失，而且在化学j n i 过程中造成环境污染，所以不是真正意义上的环保纤维。其生产流程 为：竹浆粕_ 粉碎一浸渍_ 碱化一磺化_ 初步溶解_ 溶解_ 头道过滤_ 二到过滤_ 熟成一 纺前过滤_ 纺丝_ 塑化_ 水洗_ 切断_ 精练叶烘干_ 打包。 竹粘胶纤维是由竹材经过特殊工艺处理而成，不仅具有天然纤维素纤维的柔软光泽， 吸湿透气等优良性能，而且，由于竹纤维特有的高度中空的物理结构以及大分子中含有羟 基很易与水结合形成氢键，使得它吸湿透气性能更佳。 1 1 2 再生纤维素纤维 再生纤维素纤维是人造纤维中的一大类，其主要品种有粘胶纤维，铜氨纤维和醋酯纤 维( 醋酯纤维是纤维素纤维的衍生物，可以认为是半合成纤维) 等。它们是以天然纤维素 为原料，经过一系列化学处理，将其精制成溶液，然后在压力下流过纺丝机的喷丝头小孔， 接着在凝固浴中凝固成丝条。 1 1 2 1 普通粘胶纤维 粘胶纤维是以天然纤维素( 棉) 为原料，经纤维素磺酸酯溶液纺制而成的再生纤维素纤 维。在各类化学纤维中是最早投入工业化生产的纤维，它仅次于纤维素硝酸酯，是最古老 的化学纤维品种之一0 1 。 粘胶纤维是最早实现工业化生产的人造纤维，早在1 8 9 1 年，c r o s s 、b e v a n 和b e a d l e 等首先制成纤维素磺酸酯溶液钠溶液，这种溶液粘度很大，因此得名为“粘胶”。粘胶遇酸 后，纤维又重新析出。根据这一原理，在1 8 9 3 年发展成为一种制备化学纤维的方法，这 种纤维叫“粘胶纤维”。到1 9 0 5 年，m u l l e r 等发明了一种稀硫酸和硫酸盐组成的凝固浴，使 粘胶纤维性能得到较大改善，实现了粘胶的工业化生产。1 0 0 多年来，粘胶纤维由于其舒 适的服用性能长期以来一直受到消费者的青睐，其产量一直是纤维素纤维中最大的，据 f e b ( f i b e ro r g a n o n ) 公布的统计数据，1 9 9 9 年全世界纤维素纤维产量的总量为2 1 1 8 万吨( 包 括粘胶纤维、醋酸纤维和铜氨纤维) 其中粘胶纤维的总产量达1l o 3 万吨，约占纤维素纤维 总产量的9 2 6 。与其它合成纤维相比较粘胶纤维的优势主要体现在三个方面： 1 ) 原料来源广泛，属于可再生性资源。粘胶纤维的基本成分是纤维素，可由自然界中 的木材或棉短绒加工得到，而合成纤维的原料主要来源于石油、煤或天然气，这些天然资 源的在经历了一定时间后将会枯竭，短时间内不易再生。 2 ) 产品服用性能好。粘胶纤维有着与天然纤维相同的化学结构，其纤维吸湿性达 6 北京服装学院硕士学位论文 8 一1 4 ，通过加工又可赋予新的性能，穿着的舒适性是普通合成纤维无法比拟的。 3 ) 粘胶纤维能自然降解，本身无毒，废弃物极易处理，不会污染环境。而合成纤维在 降解、分解过程中，会释放出有毒的物质且回收困难，易造成“二次污染”。 为了克服其在湿态时剧烈溶胀，使纤维的断裂强度显著下降，在较小的负荷下就容易 伸长( 即湿模量很低) 的缺点，人们研制出高湿模量粘胶短纤维。这种纤维除具有高强力、 低伸长和低膨化度外，其主要特点是具有较高的湿模量，因此有高湿模量粘胶纤维之称。 由于高湿模量粘胶纤维具有优良的物理机械性能，因此有人称它为第二代粘胶纤维。主要 有两个品种： 1 ) 波里诺西克( p o l y n o s i c ) 纤维，亦称为经典高湿模量纤维。它的特点是湿态断裂强度和 湿模量特别高，但这种纤维生产工艺复杂，成本高，而且断裂伸长较小，勾结强度和耐磨 性能较差。我国的商品名称为富强纤维。 2 ) 变化型高湿模量粘胶纤维，简称为高湿模量纤维( 或称为h w m 纤维) 。这类纤维的干 强力和湿强力略低于波里诺西克纤维，但断裂伸长较高，勾结强度特别优良，湿模量低于 波里诺西克纤维，但与棉大致相同，已基本克服上述普通粘胶短纤维的几项严重缺陷，而 且克服了波里诺西克纤维勾强较差、脆性较大的缺点。 由于粘胶纤维属于纤维素纤维，所以它的化学和物理性能与棉纤维的非常相似，但在 结构上与棉纤维有很大差别。在显微镜下观察，普通粘胶纤维的纵向为平直的柱体，横截 面呈不规则的锯齿状，聚合度较低，一般只有2 5 0 3 0 0 。由于生产过程中易受到氧化作用， 其纤维素中羧基和醛基的含量较高。 为了改进粘胶纤维湿强力低、弹性差等缺点，人们相继开发了许多新的粘胶纤维品种， 如莫代尔( m o d e l ) 纤维、天丝( t e n c e l ) 纤维、富强纤维和利阿赛尔纤维( l y o c e l l ) 等。 1 1 2 2m o d a l 纤维 m o d a l 纤维【1 1 1 2 】是一种全新的纤维素纤维，m o d a l 纤维的原料来自于大自然的木材， 使用后可以自然降解。由于这类纤维是采用天然纤维素为原料，具有生物降解性，并且在 纤维生产过程中不产生类似粘胶纤维的严重污染环境问题，是2 1 世纪的新型环保纤维。 m o d a l 纤维价格是t e n c e l 纤维的一半，系第二代再生纤维素纤维。m o d a l 纤维可与多种纤 维混纺、交织，发挥各自纤维的特点，达到更佳的服用效果。m o d a l 纤维面料吸湿性能、 透气性能优于纯棉织物，其手感柔软，悬垂性好，穿着舒适，色泽光亮，是一种天然的丝 光面料。 7 第1 章绪论 1 1 2 3t e n c e l 纤维( l y o c e l l ) t e n c e l 是英国c o u r t a n l d s 公司生产的l y o c e l l 纤维的商品名称，在我国称其为天丝【1 3 彤】。 l y o c e u 纤维采用的是一种全新的制造工艺，这是再生纤维素纤维生产中的一次重大突破。 l y o c e u 纤维是以n 甲基氧化吗啉( n m m o ) 为溶剂，用干湿法纺制的再生纤维素纤维。 1 9 8 0 年由德国a l ( z 洲o b e l 公司首先取得工艺和产品专利，1 9 8 9 年由国际人造纤维和 合成纤维委员会( b i s f a ) 正式命名。目前工业化生产的还有奥地利l e n z i n g 公司生产的 l y o c e l l 纤维和德国a k z o - - - n o b e l 公司生产的n e w c e l l 纤维。 t e n c e l 纤维是以针叶树为主的木浆、水和溶剂n 一甲基氧化吗啉o n m m o ) 混合，加热 至完全溶解，在溶解过程中不会产生任何衍生物和化学作用，经除杂而直接纺丝，其分子 结构是简单的碳水化合物。t e n c e l 纤维在泥土中能完全分解，对环境无污染，另外，生产 中所使用的氧化胺溶剂对人体危害小，几乎完全能回收，可反复使用，生产中原料浆粕所 含的纤维素分子不起化学变化，无副产物，无废弃物排出厂外，可称为环保或绿色纤维。 该纤维织物具有良好的吸湿性、舒适性、悬垂性和硬挺度且染色性好，加之又能与棉、毛、 麻、腈、涤等混纺，可以环锭纺、气流纺、包芯纺，纺成各种棉型和毛型纱、包芯纱等。 1 1 2 4 富强纤维 富强纤维是采用高质量浆粕原料，在纺丝成形时，充分拉伸而制的，其横截面趋近于 圆形，纤维为全芯结构。富强纤维的聚合度高，结晶度和取向度高，晶粒尺寸较大，故而 具有干湿强度高，低伸长和湿模量、对碱稳定性好等特点。研究表明，富强纤维的干、湿 强度及耐碱性等可与棉纤维媲美，能够像棉纤维一样经受丝光处理，并具有较高的弹性回 复率和较低的水中溶胀度。 1 1 2 5 铜氨纤维( c u p r a m m o n u i u m ) 铜氨纤维【嗡j 8 1 是一种再生纤维素纤维，它是将棉短绒等天然纤维素原料溶解在氢氧化 铜或碱性铜盐的浓氨溶液内，配成纺丝液，在凝固浴中铜氨纤维素分子化学物分解再生出 纤维素，生成的水合纤维素经后加工即得到铜氨纤维。铜氨纤维的截面呈圆形，无皮芯结 构，纤维可承受高度拉伸，制得的单丝较细，一般在1 3 3 d t e x 以下( 1 2 旦) ，可达0 4 4 d t e x ( o 4 旦) 。所以面料手感柔软，光泽柔和，有真丝感。铜氨纤维的千强与黏胶纤维接近， 但湿强高于黏胶纤维，耐磨性也优于粘胶纤维。由于纤维细软，光泽适宜，常用做高档丝 织或针织物。其服用性能较优良，吸湿性好，极具悬垂感，服用性能近似于丝绸。 北京服装学院硕士学位论文 1 1 2 6 醋酯纤维( c e l l u l o s ea c e t a t ef i b e r ) 又称醋酸纤维素纤维，以醋酸纤维素为原料经纺丝制得的人造纤维。醋酯纤维分为二 型醋酯纤维和三醋酯纤维两类。通常醋酯纤维即指二型醋酯纤维。醋酯纤维的外表较粘胶 纤维的光滑，横截面为边缘微有凹凸的圆形，光泽更接近于蚕丝，弹性和手感较好，有一 定的抗皱性，但醋酯纤维的强度差。醋酯纤维分子由亲水性的羟基被乙酰化，其吸湿性远 比粘胶纤维差，容易被有机溶剂膨化或溶解【1 9 1 。三醋纤维在冰醋酸中、二醋纤维在丙酮或 冰醋酸中的优良溶解性能，就是鉴别二者以及他们与其他纤维的好方法。 1 1 3 纤维素纤维的分子链结构和链间结构 纤维素纤维的结构态 2 5 - 2 7 】包括： 分子态 化学状态一分子形状 一分子大小 一分子分布分子间与分子内部的可达及度 微细结构 一纤维中聚合物分子的物理结构( 纤维序态) 一品格结构( 单元品格) 一单元晶体 一原纤( 由晶体和非晶体组成，是纤维的最小单元) 形态结构 一原纤、微纤和大原纤的结合，用一般显微镜观察 一缨状微胞 棉、麻和粘胶纤维的基本组成物质都是纤维素。纤维素是天然高分子化合物，它的元 素组成为c 、h 、o 。将纤维素进行完全水解，其最终产物是葡萄糖，所以纤维素分子可以 看成是由许多葡萄糖分子脱水缩合而成的先型大分子。纤维素的化学分子式可以写成 ( c 6 h i o o s ) n ，其中1 1 为葡萄糖基数目即纤维素的聚合度，纤维素大分子是由p d 。葡萄糖剩 基以1 ，4 甙键联结而成的，其分子结构式如图7 ： 9 第1 章绪论 0 h 图7 纤维素的分子链结构 纤维素的聚集态结构，就是一种由结晶区和无定形区交错结合形成的体系，从结晶区 到无定形区是逐步过渡的，没有明显的界限，一个纤维素分子链可以经过若干个结晶区和 无定形区。 1 1 4 实验纤维的选定 纤维素纤维从最初的棉、麻等天然纤维发展至今天种类繁多的再生纤维素纤维，共有 十几种不同的纤维，纤维的质量、用途和价格也有很大的不同，有原始的棉、麻、竹等天 然纤维素纤维、也有新型的m o d e l 、t e c n e l 等再生纤维素纤维。 在众多的纤维素纤维中，棉织物因透气性和吸湿性良好，备受消费者信赖，棉纤维一 直都是应用最广泛、最普遍的天然纤维，故棉纤维作为实验纤维的首选样品；麻纤维和竹 纤维是天然纤维中的抗菌纤维，具有良好的透气性，麻和竹是近年来热门的天然纤维，竹 纤维还同时具有天然的抗菌性能，同时也是备受大众的青睐绿色纤维；m o d e l 纤维和t e n c e l 纤维是近几年来粘胶纤维中的新品种，属于高档纤维，因其生产过程中无污染，被誉为是 绿色环保纤维；普通粘胶纤维是最基本的粘胶纤维，具粘胶纤维的基本特征。本实验所选 取的纤维，是目前纺织业中用量最多的纤维素纤维，比较热门的天然纤维，符合消费者从 衣着丌始接近大自然的要求，目前是应用量最大的再生纤维素纤维和高档新型纤维素纤维 中的典型的品种。 综上所述，实验选用的纤维有：棉、苎麻( 精干麻) 、竹粘胶、普通粘胶、m o d e l 和 t e n c e l 纤维，同时，选用脱脂棉作为对比。 1 2 纤维素纤维鉴别方法 1 2 1 感官鉴别法 感官鉴别法是通过人们的感觉器官，用手摸、眼看、耳听等一系列方法，对纺织品的 外观、风格等特性进行考察来鉴别纺织纤维或织物的方法。这种方法最简单，不需要任何 1 0 北京服装学院硕士学位论文 药品和仪器，但需要一定的经验2 8 之9 】。 几种纤维素纤维的感官特点： 棉纤维：纤维细而短，手感柔软，有天然转曲，光泽暗淡，拉伸时长度小且强度低， 弹性较差，有棉感，有时含有深色的棉籽壳等细小杂质。 麻纤维：手感粗硬、干爽，除苎麻外呈束纤维状，很难区分出单根纤维，拉伸时伸长 度小，但强度比棉高，有凉爽感，长度方向有节。 粘胶纤维：手感滑柔，其光泽根据是有丝光还是无丝光而有很大差别，湿强度低，判 别它的最简单方法是在纱或丝的任意部位润湿，拉伸时，在润湿部位拉断的即是粘胶纤维， 其它纤维则不一定在润湿部位拉断。 1 2 2 熔点法 纤维材料受热会软化，并还有的一定的熔点或者熔程范围，故可通过测定纤维材料熔 点来鉴别纤维材料，一般此方法仅用作初步鉴定纤维 2 8 - 2 9 】。 表2 纤维的热行为 纤维热行为 棉 麻 铜氨纤维 醋酯纤维 二醋酯纤维 在1 2 0 。c 放置5 h 变黄，在1 5 0 时分解 在1 3 0 放置5 h 变黄，在2 0 0 c 时分解 软化不熔融 软化点2 0 0 2 3 0 ；熔点2 6 0 ；一边软化一边徐徐燃烧 软化点2 5 0 ；熔点3 0 0 c ；一边软化收缩，一边徐徐燃烧 1 2 3 燃烧法 从纤维燃烧过程的状态，燃烧产生的气味以及燃烧后灰烬的状态来鉴别纤维，但纤维 素纤维的化学成分相同，且燃烧法单独鉴别纤维素纤维难度很大，而且需要一定的经验， 需要和其他方法结合使用2 8 。2 9 1 。 第1 章绪论 表3 各种纤维的燃烧特征 1 2 4 显色法 显色反应是将纤维放在各种试剂中显色或放入染液中着色，根据颜色的差别来鉴别纤 维，此方法适用于无色纤维及织物，染色纤维和织物需将其脱色方可用此方法【2 8 之9 1 。 1 2 北京服装学院硕士学位论文 表4 各种显色剂对纤维的显色反应 纤维 三醋 棉 麻醋酯 粘胶铜氨 波里诺西 显色献 酯 i g s淡紫暗绿深黄淡黄深蓝亮紫中蓝色 z n c l 2 一1 2 紫茶光紫黄黄红紫红紫 蓝紫色 1 2 一k i黄棕黄棕 黑的蓝色黑的蓝色蓝灰色 溶解 不溶溶解 浓硝酸 ( 淡黄) 碱 性 红茶 红茶红棕色红棕色 红棕色 爱 酸 氏 性 亮棕 亮棕 淡咖啡色淡咖啡色淡咖啡色 苦昧酸淡黄淡黄 杜邦 ! j 4 染 棣棠 鹅黄 料 橄榄绿橄榄绿花 1 2 5 显微镜观察法 显微镜法鉴别纤维材料就是利用显微镜观察未知纤维材料的纵面和横截面的形态，对 照纤维镜照片和标准资料鉴别未知纤维材料的类别。一般天然纤维都有自己独特的外表形 态，化学纤维则有一定的困难【2 8 之9 1 。 表5 各种纤维截面和纵面的特征 纤维名称纵面形态 截面形态 棉 麻 大麻 苎麻 黄麻 竹纤维 粘胶纤维 铜氨纤维 粘胶纤维( 强力) 粘胶纤维( 虎木棉) 醋酯纤维 扭带状 有线条，有结：肖 有线条，有结节 有线条，有结书 光滑，处处有紧缩点 表面有沟槽光滑均一 纤维方向有多数线条 表面光滑 纤维方向有多数线条 表面光滑，处处有凹凸 纤维方向有条纹 1 3 腰圆形 5 - 6 角形 多角形至圆形 多角形至接近圆形 5 - 6 角形 锯齿形，无皮芯结构 锯齿星形 接近圆形 锯齿形 圆形 三叶形 第1 章绪论 甲壳素纤维 t e n c e l 纤维 m o d a l 纤维 l y o c e l l 纤维 表面光滑 表面光无滑沟槽 表面有1 - 2 根沟槽 表面光滑 近似圆形，芯层有明显细小空隙 较为规则圆形有皮芯层 不规则腰圆形，有皮芯结构，皮层较厚， 芯层有黑点 规则圆形或椭圆形，有皮芯层 1 2 6 溶解法 在不同的化学溶剂中，不同的温度下纤维的溶解特性不同，利用此原理可以确定各种 纤维的品种f 2 8 3 0 1 。 由于纤维素纤维均是由纤维素大分子构成，其化学组成相同，燃烧法鉴别较困难，特 别是对几种粘胶纤维的鉴别尤其困难；不同的纤维素纤维在不同的溶剂中的溶解度差别较 大，在同一种溶剂中溶解度也有较大差别，因此，溶解法可以比较准确的区分纤维素纤维 的种类。 1 2 6 1 无机酸类 如h 2 s 0 4 ( 6 5 8 0 ) ，h c i ( 4 0 4 2 ) ，h 3 p 0 4 ( 7 3 8 3 ) 和h n 0 3 ( 8 4 ) ，这些 酸溶解纤维素时伴有水解作用，使纤维素纤维发生严重的降解。 1 2 6 2l e w i s 酸类 如氯化锂、氯化锌、高氯酸铵、硫代氯酸盐、磺化物和溴化物等溶剂，可溶解低聚合 度的纤维素纤维。 1 2 6 3 无机碱类 由于纤维素结构中的羟基本身是有极性的，因此各种碱液是纤维素良好的润胀剂。碱 溶液中的金属通常以“水合离子”形式存在，半径很小，很容易进入纤维素分子之间，打开 它们之间的作用力，使纤维素溶于碱液中。常见的有氢氧化钠水( n a o h h 2 0 ) 体系、氢氧 化锂尿素水( l i o h u r e a h 2 0 ) 体系、氢氧化钠尿素水( n a o h u r e a h 2 0 ) 体系、氢氧化钠 硫脲水( n a o h t h i o u r e a 1 - 1 2 0 ) 体系等。 1 4 北京服装学院硕士学位论文 1 2 6 4 金属配合物类 金属配合物溶液是纤维素最早使用的溶剂，如铜氨、铜乙二胺、钴乙二胺、锌乙二胺、 镉乙二胺和酒石酸铁钠等配合物体系。配位化合物体系能与纤维素形成配位离子，对纤维 素具有溶解能力。其中铜氨配合物是最常用的纤维素溶剂，在化学工业中被用来生产铜氨 人造丝和测定纤维素的聚合度。溶解度主要取决于纤维素的聚合度、结晶度、温度以及金 属络合物的浓度。 1 2 6 5 多聚甲醛二甲基亚砜( p f d m s o ) 体系 多聚甲醛z 甲基亚砜是纤维素的一种优良无降解的溶剂体系，其溶解机理为p f 受热分 解产生的甲醛与纤维素的羟基反应生成羟甲基纤维素，羟甲基纤维素能溶解在d m s o 中， 反应式如下式，其中d m s o 的作用有两点： 1 ) 促进纤维素溶胀； 2 ) 使生成的羟甲基纤维素稳定的溶解，阻止羟甲基纤维素分子链聚集。该溶剂溶解纤 维素，具有原料易得、溶解迅速、无降解、溶液粘度稳定、过滤容易等优点，但存在溶剂 回收困难，生成的纤维结构有缺陷、品质不均一等缺点。纤维素在p f d m s o 体系中的溶解 反应式如下： 一。 舻h 哗瞄t = - o 糨4 。降 h o hj 广 纤维爱c e 溉| 。啪 1 2 6 6 四氧化二氮- - 甲基甲酰胺( n 2 0 徊m f ) 髭甲錾纤维赣酶d r 口嚣y 玎孵t b y 】c c j j u l o s c 四氧化二氮二甲基甲酰胺( n 2 0 徊m f ) 是近年来开发的溶剂体系，它有与p f d m s o 溶剂溶解纤维素相似的机理：n 2 0 4 与纤维素反应生成亚硝酸酯中间衍生物，而溶于d m f 中，该溶剂溶解纤维素，具有成本低、易控制纺织条件等优点，但溶剂n 2 0 4 是危险品、 毒性大、回收费用高；纤维素溶解时，d m f 和n 2 0 4 生成副产品，有分解爆炸的危险。 o ，4 h 叼魂h 位o h 寸o o 器戳 a鳟h 第1 章绪论 1 2 6 7 氯化锂二甲基乙酰胺( l i c i d m a c ) d m a c 是二甲基乙酰胺英文缩写，其化学结构式如图8 ： 毗一墨o 刊 ： c h 3 一e n ：。，。 图8 d m a e 分子结构图 二甲基乙酰胺分子中存在着电负性高的n 原子和o 原子。由于n 原子和o 原子含有 孤对电子，它们易于具有空轨道的原子形成配位键。当d m a c 与l i c i 相作用时，具有同 时形成l i o 键与l i = n 键的可能，从两者键能大小分析，产生l i o 的可能性大于产生l i - n 的可能。由于l i o 配位键的生成，同时生成了l i + ( d m a c ) 。大阳离子( 经核磁共振及结晶 性和热力学分析，大阳离子l i + ( d m a c ) x 确实存在) 。l i 十( d m a c ) x 大阳离子的生成，使“ 原子与c l 原子之间的电荷分布发生变化，使得氯离子带有更多的负电荷，从而增强了氯离 子进攻纤维素羟基上的氢的能力，使纤维素与d m a c l i c i 之间形成了强烈的氢键，因而 也使纤维素得以以大分子形式存在，得到真溶液 3 2 - 3 3 】。其溶解机理如下： 础一，、 o - ：l 【n h + 川7 ，、 i | 叩，一p 一。，f + 飞h q”一a l n 一暮一吼j 毛。 厶 l i c l d m a c 体系中，l i c l 的含量有一个最佳值，仅当体系中l i c l 的含量为1 0 ，即 d m a c ：l i c l 的摩尔比为4 ：i 时才对纤维素溶解能力最强。纤维素在此体系的溶解过程 中无衍生物产生，不会引起纤维素降解，所得溶液在室温下放置无变化，形成的溶液可进 行加热以降低其黏度。 1 2 6 8 氨硫氰酸铵( n h 3 n h 4 s c n ) 体系 在一定的配比下，n h 3 n h 4 s c n h 2 0 体系能把再生纤维素或棉纤维素溶解成无色的透 明溶液。但是这种溶剂体系对纤维素溶解的条件是有限制的，研究表明n h 3 n h 4 s c n h 2 0 体系中，其质量比分别为7 2 1 ：2 6 5 ：1 4 ，对纤维素具有最大的溶解能力【3 1 1 。 1 2 6 9 二甲基亚砜四乙基氯化氨( d m s or r e a c ) d m s o t e a c 体系在溶解纤维素过程中，t e a c 在纤维素微晶内部扩散，切断了某些 纤维素分子间羟基的氢键结合，形成了如图3 所示的复合体加速了d m s o 的溶剂化和纤维 1 6 北京服装学院硕士学位论文 素的非晶化作用，最终使纤维素溶解，形成均相透明的溶、液【3 1 1 。 灭 1 2 6 1 0n 甲基吗啉n 氧化物( n m m o ) n m m o 是一种脂肪族环状叔胺氧化物，它是由二甘醇与氨反应生成吗啉，再经甲基 化和氧化而成： 尸唧h ，一尸弋e 幽八 峨厂、锚 q m 烈。h 堋面q m 烈尸百弋、严首l 尘o鼬锚o h娥c l 每 u 。、- 一 氮原子在成键时，是通过s p 3 杂化分子轨道，形四面体结构。n m m o 最突出的特点 是键的强极性，其偶极矩为1 1 4 6 x 1 0 0 2 c m ，在氧原子上有高的电子云密度，n o 之间形成配价键。 由于啪键的强极性，n m m o 表现为很强的亲水性，在水中的溶解度很大，可与水 形成氢键，具有很高的吸湿性。n o 键的能量较高，因此易于断裂，键的离解能为2 2 2 k j m o l ，由此决定了n m m o 具有以下3 个重要性质： 1 ) n m m o 是一种强氧化剂，具有热不稳定性，在催化剂作用下极易导致籼键 的断裂； 2 ) n m m o 具有弱碱i 生( p k b = 9 2 5 ) ，带负电荷的环外氧原子是质子的接受体； 3 )n m m o 的碱性比n 甲基吗啉或吗啉的碱性弱得多，对酚酞指示剂没有明显的变 色现象。n o 键的强极性( 易于形成氢键) 和啪键的弱结合力使得n m m o 目前广泛应用于有机合成和作为纤维素的溶剂。 n m m o 有2 种稳定的水合物形式：n m m o h 2 0 ( 含水1 3 3 ) 和n m m o 2 5 h 2 0 ( 含水 2 8 ) 。这2 种形式的n m m o 都有很强的吸湿性，易于吸收空气中的水气。市售的n m m o 水溶液含水量4 0 - 5 0 ，为淡黄色液体，该状态下的n m m o 具有化学稳定性【3 4 。3 6 】。 1 7 第1 章绪论 纤维素在n m m o 中的溶解机理： 纤维素在n m m o 中的溶解，是通过断裂纤维素分子间的氢键而进行的，没有纤维素 衍生物生成。n m m o 分子中的强极性官能团n - o 上氧原子的2 对孤对电子可以和2 个 羟基基团的氢核形成l 到2 个氢键( 次价键) ，也可以和纤维素大分子中的羟基( c e l l o h ) 形 成强的氢键c e l l o h o 卜n ，生成纤维素- n m m o 络合物，这种络合作用先是在纤维素 的非结晶区内进行，破坏纤维素大分