第二纤维素纤维的结构和性能.ppt

第四章第四章 纤维素纤维的结纤维素纤维的结构和性能构和性能第一节第一节 棉和麻纤维的形态结构棉和麻纤维的形态结构第二节第二节 纤维素的分子结构纤维素的分子结构第三节第三节 纤维素纤维的聚集态结构纤维素纤维的聚集态结构第四节第四节 纤维素纤维的主要物理纤维素纤维的主要物理- -机械性能机械性能第五节第五节 纤维素的主要化学性质纤维素的主要化学性质§4.1 §4.1 棉和麻纤维的形态结构棉和麻纤维的形态结构 1. 1. 棉纤维的形态结构棉纤维的形态结构 长度约25—45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在一般光学显微镜中的形态结构见图态结构见图3 3——1 1 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棉纤维形态结构模型，如图3-4所示(1)(1)角皮层：角皮层是棉纤维极薄的最外层。

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由油蜡和果胶物质所组成2)(2)初生胞壁：初生胞壁厚约初生胞壁：初生胞壁厚约0.10.1～～0.2μm0.2μm．．棉纤维形态结构模型棉纤维形态结构模型(3)(3)次生胞壁：次生胞壁：是棉纤维的主体部分，约占整是棉纤维的主体部分，约占整个纤维总重量的个纤维总重量的90%90%以上以上4)(4)胞腔：纤维生长胞腔：纤维生长阶段，形成薄壁小阶段，形成薄壁小管原棉纤维在铜原棉纤维在铜铵溶液中的溶铵溶液中的溶胀现象胀现象 棉纤维的组成，随着棉的品种的不同略有出棉纤维的组成，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，大约还入一般棉纤维中除了含有纤维素外，大约还含有含有6 6～～10%10%的天然杂质的天然杂质. . 2. 2. 麻纤维的形态结构麻纤维的形态结构麻的种类很多，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，也称为韧皮纤维韧皮纤维 从图从图3-73-7中可看到纤维上具有竖纹和横节中可看到纤维上具有竖纹和横节表表3-2 3-2 几种麻几种麻纤维纤维的的长长度和截径度和截径纤维长度（毫米）截径（微米）苎麻亚麻大麻黄麻127～15211～3813～252～520～7511～2016～5020～25§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，分子式葡萄糖剩基联结起来的线型大分子，分子式可写成可写成(C(C6 6H H1010O O5 5) )n n。

分分子子结结构构式式：◆◆纤维素是纤维素是β-d-β-d-葡萄糖剩基彼此以葡萄糖剩基彼此以1 1，，4 4甙键联甙键联结而成的大分子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纤维素分子中的葡萄糖剩基( (不包括两端的不包括两端的) )上有上有三个自由存在的羟基，其中三个自由存在的羟基，其中2 2、、3 3位上是两个仲醇基，位上是两个仲醇基，6 6位上是一个伯醇基，它们具有一般醇基的特性；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；羟基，在右端的剩基中含有一个潜在的醛基；　 ◆◆纤维素纤维素大分子大分子中含有中含有许许多多羟羟基，可形成基，可形成氢键氢键 扫描电镜如图3—9所示§4.3 §4.3 纤维素的聚集态结构纤维素的聚集态结构 1.1.电子显微镜的研究电子显微镜的研究 棉纤维粉碎后的电子显微镜图　　1 1）） X X射线衍射图射线衍射图　　 X X射线是射线是射射线线是研究物是研究物质结质结构的有力工构的有力工具。

具棉和丝光棉纤维的棉和丝光棉纤维的X X射线的衍射图如射线的衍射图如下：下：2. 2. X X－－射线的研究射线的研究　　　无论棉或丝光棉的　无论棉或丝光棉的X X射线的衍射图说明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，而是有晶体存在的的，而是有晶体存在的丝光前的棉丝光前的棉纤维纤维丝光后的棉丝光后的棉纤维纤维2 2）晶胞参数）晶胞参数根据这些资料可以建立起纤维超分子结构模型根据这些资料可以建立起纤维超分子结构模型 3. 3. 纤维超分子结构模型纤维超分子结构模型 根据这些资料可以建立起纤维超分子结构模型根据这些资料可以建立起纤维超分子结构模型◆◆缨状微胞的模型和缨状微胞的模型和理论理论: 3. 3. 纤维超分子结构模型纤维超分子结构模型 ◆◆缨状缨状原纤模型：原纤模型： 纤维素大分子的纤维素大分子的基本单元是原纤基本单元是原纤在原纤在原纤中也有少数大分子分支出去组成其它的原纤，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晶部分和无定形部分§4.4 §4.4 纤维素纤维的主要物理纤维素纤维的主要物理- -机机 械性能械性能纤维的应力纤维的应力- -应变曲线应变曲线　　纺织品在纺织品在服用过程中，服用过程中，要受到多种机要受到多种机械力的作用械力的作用        对棉、麻和粘胶纤维的几个参数对棉、麻和粘胶纤维的几个参数进行比较进行比较: 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纤维素纤维的断裂强度特点棉纤维：棉纤维： 湿态强度湿态强度 ＞＞ 干态强度干态强度 粘胶纤维：湿态强度粘胶纤维：湿态强度 ＜＜ 干态强度干态强度 棉纤维：大分子上具有较多羟基，分子棉纤维：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，但对粘胶纤维来说，大分子的聚合度较低，只有只有250250～～500500左右，结晶度低，取向度也不左右，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。

构单元间的相对滑移§4.5 §4.5 纤维素的主要化学性质纤维素的主要化学性质o一、纤维素纤维进行化学反应的特征一、纤维素纤维进行化学反应的特征o二、吸湿和溶胀二、吸湿和溶胀o三、酸对纤维素的作用三、酸对纤维素的作用o四、纤维素的氧化四、纤维素的氧化o五、碱对纤维素纤维的作用五、碱对纤维素纤维的作用 o六、其他的化学作用六、其他的化学作用一、纤维素纤维进行化学反应的特征一、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：进行下列两类化学反应：1、甙键（醚键）、甙键（醚键）2、羟基反应、羟基反应 伯羟基、仲羟基伯羟基、仲羟基 反应能力不反应能力不同同  从纤维素纤维的形态和超分子结构来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，看，在保持纤维状态下进行化学反应时，具有具有不均一不均一的特征二、二、 吸湿和溶胀吸湿和溶胀 纤维中水分的含量通常是采用吸湿率或回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纤维由于吸湿而发生的溶胀现象基本上是可逆的基本上是可逆的 * 溶胀只发生在纤维无定形部分，溶胀只发生在纤维无定形部分，而结晶部分不发生溶胀而结晶部分不发生溶胀 三、酸对纤维素的作用三、酸对纤维素的作用 ●在染整工艺过程中常常会用酸来在染整工艺过程中常常会用酸来处理织物处理织物  从反应中我们得出从反应中我们得出:◆◆氢离子在纤维素氢离子在纤维素水解反应中起着催水解反应中起着催化作用①铜值铜值是指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①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：感的，有关的影响因素说明如下： (1)(1)温度：升温加剧水解，符合阿累尼乌斯经验温度：升温加剧水解，符合阿累尼乌斯经验估计估计 (2)(2)浓度：浓度高水解严重浓度：浓度高水解严重 (3)(3)时间：时间长水解严重时间：时间长水解严重 (4)(4)酸的种类：强无机酸水解严重、弱无机酸水酸的种类：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。

在高温时会有较强的水解四、纤维素的氧化四、纤维素的氧化 1. 1. 氧化产物氧化产物 从纤维素的分子结构来看，经缓和氧化后的产从纤维素的分子结构来看，经缓和氧化后的产物可能如下：物可能如下： 按理来说纤维的强度按理来说纤维的强度和纤维素铜铵溶液的粘度，和纤维素铜铵溶液的粘度，不致严重降低，但是实际不致严重降低，但是实际情况并不完全如此情况并不完全如此氧化纤维素氧化纤维素: 纤维素与氧化剂作用后生成的一系纤维素与氧化剂作用后生成的一系列产物，它是一混合物列产物，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非选择性氧化剂: : 双氧水、次氯酸盐等双氧水、次氯酸盐等2. 2. 氧化剂氧化剂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. 3. 氧化纤维素的特点氧化纤维素的特点 1 1）有潜在损伤）有潜在损伤产生这种现象的原因可用产生这种现象的原因可用β-β-分裂（裂解）分裂（裂解）的反应来加以说明：的反应来加以说明： β-β-分裂必须具备下列条件：分裂必须具备下列条件：1 1、带有吸电子基团、带有吸电子基团2 2、、αα位有位有——H H3 3、、 β位有位有——O O——键键 研究结果表明产物研究结果表明产物ⅥⅥ对纤维强度的影对纤维强度的影响虽然不太大，但对碱的作用却是很不稳响虽然不太大，但对碱的作用却是很不稳定的，能沿虚线处分裂：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β—分裂（裂解） 2 2）具有还原性和酸性）具有还原性和酸性五、碱对纤维素纤维的作用五、碱对纤维素纤维的作用o碱对纤维素纤维的作用（碱对纤维素纤维的作用（NaOHNaOH）） 棉布印染厂常常利用烧碱进行织物的处理和加工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 §浓碱浓碱 NaOH的的作用作用1844年，英国化学家J.Mercer的试验现象：§ NaOHNaOH的作用过程的作用过程Cell-OH I 碱纤维素 水合纤维素 （丝光纤维素） Cell-OH II浓浓NaOH § 水合理论水合理论 纤维素中的羟基可视作为具有弱酸性质的基团，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这些变化说明纤维的超分子结构产生不可逆的变化可逆的变化 纤维素纤维素ⅠⅠ向纤维素向纤维素ⅡⅡ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：Li>Na>K>Rb>Cs棉经过浓棉经过浓NaOH的作用，发生的变化：的作用，发生的变化：应用应用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Ⅰ、氨化纤维素Ⅱ区别在于，结合氨的数量不同o去除氨后，形成纤维素Ⅲ结构与纤维素Ⅱo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。

1.1.一般酯化一般酯化、、醚化反应醚化反应纤维素可与下列试剂进行化学反应：2. 2. 接枝聚合反应接枝聚合反应 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 链的转移法接枝链的转移法接枝 §4.6 §4.6 粘胶纤维粘胶纤维o一、粘胶纤维的生产一、粘胶纤维的生产o二、结二、结 构构o三、性　能三、性　能一、粘胶纤维的生产一、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，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：　纤维素的再生：纤维素－纤维素－O－－CS2-+H+→→纤维素－纤维素－OH+CS2　　市场上出现的“富强纤维富强纤维”，简称“富纤”是一种高湿强度的粘胶纤维二、结二、结 构构　　　粘胶纤维的基本组成物质和棉、麻粘胶纤维的基本组成物质和棉、麻等一样都是纤维素但等一样都是纤维素但聚合度较低聚合度较低，一般粘，一般粘胶纤维约在胶纤维约在250～500左右，而富强纤维为左右，而富强纤维为550～650。

一般粘胶纤维在显微镜中的形态：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%，重氢交换红外法26%，吸湿法23%)，但晶区尺寸较小　表表3-11 某些纤维的取向度某些纤维的取向度 纤维纤维 fxfxββ天然苎麻纤维粘胶纤维拉伸10％ 粘胶纤维拉伸80％粘胶纤维拉伸120％ 0.0690.0270.0370.0450.970.530.740.888o34o25o16o三、性能三、性能　　由于粘胶的基本组成物质和天然棉纤由于粘胶的基本组成物质和天然棉纤维一样也是纤维素，虽然由于聚合度较低，维一样也是纤维素，虽然由于聚合度较低，超分子结构上又有不同，因而表现在化学超分子结构上又有不同，因而表现在化学性能方面有某些特点性能方面有某些特点The EndThe End。