2.2纤维素纤维.ppt

2.2 纤维素纤维 主要知识点： 2.2.1 纤维素的基础知识 2.2.2 棉纤维 2.2.3 麻纤维 2.2.4 其他天然纤维素纤维 2.2.5 再生纤维素纤维 2.2.6 甲壳胺纤维 重点：纤维素的基础知识，棉、麻、粘胶等 纤维素纤维的结构和性能 难点：纤维素纤维结构和理化性能2.2.1 纤维素的基础知识纤维素是当今世界上最丰富的可再生高聚物 据估计，通过光合作用每年合成的纤维 素达到1011～1012吨 一、D-葡萄糖的化学结构 1 D-葡萄糖的开链式结构 2 D-葡萄糖的环状半缩醛式结构 3 氧环式和开链式的互变异构 4 D-葡萄糖的构象—椅式构象 5 葡萄糖的还原性(菲林试剂和多伦试剂)2.2.1 纤维素的基础知识 二、纤维素的结构n纤维素是一种由大量葡萄糖残基（anhydroglucose unit）彼此按 照一定的联接原则，即通过第一个、第四个碳原子用β键联接起 来的不溶于水的直链状大分子化合物其分子通式为 (C6H10O5)n ， n为聚合度，500~11000 1 糖甙键的形成n葡萄糖分子中的甙羟基比醇羟基活泼，易与其他羟基化合物作用失水成缩醛——糖甙，糖甙对碱稳定，对酸较敏感。

2 从二糖到多糖n由两个单糖分子通过形成糖甙的方式结合而成的二糖有蔗糖、 乳糖、麦芽糖、纤维二糖等 3 纤维素的结构n由许多单糖分子互相脱水缩合而成，如淀粉、纤维素、甲壳素等 -D-葡萄糖4 纤维素的聚集态结构 n纤维素纤维是由许多纤维素分子组成的，是半结晶的纤 维素的结构是由许多纤维素大分子形成的连续结构在大分 子分布最紧密的地方它们平行排列，取向度良好，构成了 纤维的定向部分，大分子间的结合力随着分子间距离的缩 小而增大，在这些距离最小的地方大分子间的结合力最大 当大分子的密度较小时，大分子之间的结合程度也减弱 ，有较多的空隙，大分子的分布不平行，较为混乱，这就 形成了纤维素的非结晶部分或无定形部分由于纤维素在 长度方向具有连续的结构，因此，一个单独大分子的一部 分可能处于纤维素的结晶区域，另一部分则可能处于纤维 素的无定形区域，或者穿过无定形区进入其他的结晶区域 表示纤维素大分子结晶区含量大小的指标—结晶度2.2.1 纤维素的基础知识n所谓结晶度（crystallinity）就是纤维素中结晶区的重量 对纤维素总重量的百分比测定纤维素结晶度的方法很 多，主要有x射线衍射法、密度法、酸水解法等。

一般 说来，随着纤维结晶度的提高，纤维的强度、弹性模量 、硬性、脆性及比重也增大，而伸度、勾强、吸水性， 膨润性、染料吸收性等下降 n 所谓取向度（orientation degree）是指所选择的择优取 向单元相对于参考单元的平行排列程度成纤高聚物在 外力如拉伸作用下，分子链会沿着外力的方向平行排列 起来而产生择优取向因此，纤维素分子产生取向后， 分子之间的互相作用力会大大增强，结果对纤维的物理 机械性能如断裂强度、断裂伸度、杨氏模量及原纤化过 程，都有显著的影响[4] 测定纤维素取向度的方法有 光学双折射法、x射线衍射法（X-ray diffraction）等 2.2.1 纤维素的基础知识2.2.1 纤维素的基础知识三、纤维素的物理性质 1 吸湿和溶胀 2 溶解性能：分为有限溶胀、无限溶胀两步n纤维素的溶胀剂有：水、碱溶液、弱（稀）酸、甲醇、 乙醇、苯胺、苯甲醚等溶胀度是指纤维素纤维溶胀时 其直径增大的百分率铜氨溶液常用于溶解纤维素以测 定纤维素的粘度与聚合度纤维素的铜氨溶液遇酸后又 重新析出纤维素，制成纤维成为铜氨纤维铜乙二胺溶 液溶解纤维素，对空气稳定，常用来测定纤维素的聚合 度。

3 刚性：长链分子中含许多六元环，分子内分子间有许多 的氢键和范德华引力，纤维素纤维回弹性差，疲劳性也 不良，刚性大 4 对热的稳定性：分子间作用力强，内聚能密度很高，不 能被熔融，140℃以上发生热裂解四、纤维素的化学性质n与甙键有关的化学反应：强无机酸对甙键的水解作用n与羟基有关的化学反应：氧化、酯化、醚化、脱水、交 联、接枝等 1 水的作用 2 酸的作用：纤维素的水解程度（损伤程度）可通过测定 纤维的铜值和碘值来表示n铜值：醛基能与斐林溶液（硫酸铜氢氧化钠溶液）作用 ，生成不溶性的氧化亚铜，100g干燥纤维素与斐林溶液 作用，将二价铜还原至一价铜的克数，称为纤维素的铜 值n碘值：醛基能被碘氧化成酸，因此也可以用碘值来表示 纤维素的损伤程度碘值是指1g干燥纤维素能还原 0.1NI2溶液的毫升数2.2.1 纤维素的基础知识3 碱的作用：对碱稳定性好，只发生溶胀，不发生水解n碱纤维素的形成：在浓碱溶液中，纤维素中的羟基可与之发生作用 ，使纤维素发生化学变化（生成碱纤维素）、物理变化（纤维发生 溶胀和溶解，变得富有弹性和丝光效应，力学性能也有所改善）和 结构变化（大分子中的葡萄糖剩基之间的相互位置发生变化，形成 新的结晶结构）。

浓碱与纤维素的反应主要是与羟基的作用，参与 反应的羟基数的多少用γ值表示γ值指的是每100个葡萄糖剩基内起 反应的羟基数每个葡萄糖剩基内有3个羟基，故γ值可从0到300n影响 γ值的因素：氢氧化物的种类、处理温度、碱液浓度、溶剂n碱纤维素的结构变体：碱液浓度不同、处理温度不同、氢氧化钠溶 液与纤维素相互作用生成不同的碱纤维素这种化学组成相同的物 质能生成若干结构变体的现象——同质多晶现象n纤维素在碱液中的溶胀和溶解：溶胀包括水化阶段、溶胀阶段无限溶胀即溶解n影响纤维素溶胀的主要因素有：碱的种类；处理温度；碱液浓度2.2.1 纤维素的基础知识碱处理后纤维素纤维性质的变化：结晶度下降，聚合度下降 A 吸水能力比原纤维素大B 对染料的吸附能力比原纤维素大，改善染色性能C 对各种化学试剂作用的稳定性降低，容易酯化、醚化、氧化D 弹性增加，延伸性提高，而强力则可能降低4 氧化剂的作用选择性氧化剂：二氧化氮，高碘酸，某一位置某一特定官能团氧化作用 非选择性氧化剂：空气、臭氧、双氧水、次氯酸钠、卤素、高锰酸钾等 随着氧化剂种类、反应条件、溶液酸性、碱性都有变化还原性氧化纤维素：含羰基的氧化纤维素，铜值碘值增加，稀碱中加热 损失量大，沸碱煮练成黄色碱液。

酸性氧化纤维素：含羧基的氧化纤维素，铜值碘值低，羧基 含量高，易吸收碱性染色2.2.1 纤维素的基础知识5 纤维素的酯化反应 生成纤维素酯的反应有以下几种：n硝化反应：纤维素与浓硝酸和浓硫酸作用后，生成纤维 素硝酸酯n乙酰化反应：醋酸及其衍生物与纤维素作用生成醋酯纤 维素，工业上常用醋酸酐和醋酸混合物，在少量浓硫酸 的催化作用下，制得纤维素三醋酸酯n丁酯醋酯纤维素n黄化反应：是碱纤维素与二硫化碳作用生成纤维素黄酸 酯的反应 6 纤维素的醚化反应 A 甲基化反应 B 乙基化反应 C 羟乙基化反应 D 羧甲基化反应 7 其他化学试剂的作用2.2.1 纤维素的基础知识2.2.2 棉纤维一、棉纤维的形态n陆地棉、海岛棉、亚洲棉、非洲棉等一般为腰圆形，纵向有天然转曲， 内有空腔二、棉纤维的性能 1 与碱作用耐碱不耐酸，与碱作用可进行丝光处理，18—25%氢氧化钠在一定张力下处理 棉丝光处理后，纤维结晶度下降，非晶区部分增多，柔软性上升，化学 活泼性提高，吸湿染色性提高 2 吸湿性：较高，含有大量的亲水基团，吸湿后强度增加，伸长也稍有增加， 抱合力摩擦力、导电性提高 3 导热性：热的不良导体，保暖性好。

4 氧化剂的作用：高锰酸钾、双氧水、次氯酸钠可使纤维发生氧化漂白作用， 破坏棉的天然色素，浓的氧化剂对棉纤维损伤大，使其变成氧化纤维素 5 染色：着色与染料的种类和性质有关如直接染料、硫化染料、还原染料6 微生物的作用：吸湿后，表面会发霉、发黑、腐烂2.2.3 麻纤维n优点：纤维长，强度高，浸水后拉伸强度更高，耐腐蚀，吸收和散发水 分快，散热快，具有绝缘性n缺点：弹性差，伸度小，太刚硬，染色性差，色牢度差一、麻纤维的成分 1 纤维素：70—75%，其结晶度为90%以上，取向度在90%以上，强度高伸 度小麻纤维中纤维素在无机酸的作用下，β1-4-甙键会发生水解，由于 麻纤维外表有层胶质，起保护作用碱处理可以使麻纤维变得富有弹性 和光泽，低聚合度部分发生溶解，改善了纤维的机械性质 2 半纤维素：与纤维素结构相似并共存于织物细胞壁中的高分子多糖物质 能溶于2%的热的氢氧化钠的糖类物质—半纤维素分子量远小于纤维素 ，聚合度为200左右，由不同量的戊醛糖、己酮糖、己醛糖及糖醛酸组成 的共聚物可分为多缩戊糖类半纤维素、多缩己糖类半纤维素、多缩糖 醛酸类半纤维素 3 果胶：原麻中含量3-4%，含有酸性、高聚合度、胶状多糖类物质的复合 体。

4木质素：细胞壁的主要成分之一，起支撑作用，相对分子量400-5000木质素的性质：无定形的粉末状物质，含有酚羟基、羟基、羰基纤维 素多缩木 糖-D-葡萄糖木 糖多缩阿拉伯 糖阿拉伯糖戊 糖多缩甘露 糖多缩半乳 糖多缩葡萄 糖己 糖多缩糖醛酸半乳 糖半乳糖醛酸葡萄 糖葡萄糖醛 酸多缩糖醛酸n木质素的性质： 木质素与植物中的多糖物质（果胶，半纤维素，纤维素）具有不同的 结构，一般认为有三种类型的结构单元：2.2.3 麻纤维邻甲氧基苯酚4-羟基-3,5-二甲氧基苯羟基苯2.2.3 麻纤维木质素由不同结构单元构成的空间结构2.2.3 麻纤维木质素的性质 氯化作用：氯在与木质素作用时，通常认为有取代和加成 反应：氯化纤维素易与碱液作用“氯化—碱煮”多次的工艺，可除去木质 素2.2.3 麻纤维n氧化作用：相对于对无机酸作用，木质素比较容易被氧化而裂解，氧 化产物是碳酸、草酸、甲酸、醋酸等n碱液作用：碱液煮练可以除去大部分木质素，大致分三个过程：吸附 ，碱木质素生成，水解2.2.3 麻纤维加入NaSH（强碱性还 原剂），可以促进木 质素的去除无机酸作用 木质素对无机酸作用的 稳定性很高，常用于 木质素含量的测定。

70%硫酸；40%盐酸2.2.3 麻纤维5 脂肪蜡质：使纤维柔软松散、可纺性好蜡：高级脂肪酸与高级一元醇生成的酯油：高级不饱和脂肪酸的甘油酯 脂：高级饱和脂肪酸的甘油酯蜂 蜡鲸 蜡白 蜡6 灰分：金属或非金属的氧化物及无机盐类 n其他：含氮物质， 鞣质， 色素二、苎麻n椭圆形，腰圆形，扁平形，内有中腔，细胞壁有环形层 状结构n主要物理机械性能：线密度、长度、强度、断裂伸长率 、弹性、耐磨性、抗弯性能等n化学组成n物理性质 1、浸酸 2、碱液煮练 3、后处理 三、其他麻纤维n亚麻、黄麻、洋麻、大麻、罗布麻为韧皮纤维，剑麻、 蕉麻为叶纤维它们都含有不同含量的半纤维素、木质 素、果胶等杂质，需要脱胶处理才能使用四、麻纤维的脱胶脱胶的目的：脱胶是脱除纤维周围全部或部分胶质，使纤维 分离、松散，制取可纺纤维，以适合纺纱要求 脱胶原则：在不损伤或尽量少损伤纤维原有机械性质的原 则下，去除其中的胶质成分，而保留或制取纤 维素 1. 化学脱胶麻的化学脱胶原理预处理碱液煮 练后处 理脱 胶酸氧化 剂碱液苷键被破坏诱使苷键破坏， 胶质也无法去除纤维素苷键相对稳定 ， 胶质也可去除苎麻的脱胶工艺举例：二煮一漂法原麻拆包拣麻、扎把浸酸水洗、装笼一次碱液煮练热、冷水洗二次碱液煮练水洗、打纤漂白酸洗水洗、脱水抖松给油脱水、抖松、干燥预处理碱液煮练后处理精干麻苎麻的脱胶工艺举例：二煮一练法原麻拆包拣麻、扎把浸酸水洗、装笼一次碱液煮练热、冷水洗二次碱液煮练水洗、打纤精练酸洗水洗、脱水抖松给油脱水、抖松、干燥预处理碱液煮练后处理精干麻水洗、脱水抖松预处理工艺第一，提高加工原麻质量的均一程度；第二，减轻煮练工艺的负担，提高煮练效率，缩短煮练时间 ；第三，节省化工材料的消耗。

煮练工艺 煮熟煮透原麻中的胶质，以确保精干麻的残胶率符合纺织加 工及产品质量的要求 后处理工艺第一，进一步去除粘附在纤维表面上的糊状胶质，弥补碱液 煮练。