染整技术基本知识培训之纤维素纤维基本知识

2011-02-21

                                        染整技术基本知识培训之纤维素纤维基本知识

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一、概述

纤维素纤维如棉、苎麻、黄麻、大麻、蕉麻、剑麻、木棉及粘胶纤维、TENCEL纤维、铜氨纤维的主要组成物质为纤维素。除纤维素之外，还有各种伴生物质。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，分子式可写成（C6H10O5）n。通常认为纤维素是β-d-葡萄糖剩基彼此以1，4苷键联结而成的大分子，在结晶区内相邻的葡萄糖环相互倒置，糖环中的氢原子和羟基分布在糖环平面的两侧。纤维素的结构式中有以下几个特点：（1） 纤维素分子中的葡萄糖剩基（不包括两端的）上有三个自由存在的羟基，其中2，3位上是两个仲醇基，6位上是一个伯羟基，它们具有一般羟基的特性；（2） 在左端的葡萄糖剩基上都含有四个自由存在的羟基，但实际上在右端的剩基中含有一个潜在的醛基。按理纤维素也应具有还原性质，但是由于醛基数量甚少，所以还原性就不显著，然而会随着纤维素分子量的变小而逐渐明显起来。

二、维素的主要化学性质

人们在对纤维素分子结构有正确认识之前，对纤维素的化学性质早已有了一定的了解，并能利用这些性能进行一些有关的加工。随着对纤维素分子结构，纤维的形态和超分子结构认识的不断加深，就更有利于人们自觉地去利用这些性能和掌握有关的加工过程。纤维的结构决定了纤维的性能，而纤维的性能则必然是纤维结构的反映，两者是紧密相联的。
1、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，它至少可能进行下列两类化学反应：一类是与纤维素分子结构中联结葡萄糖剩基的苷键有关的化学反应。例如：强无机酸对纤维素的作用就属此类；另一类则是纤维素分子结构中葡萄糖剩基上的三个自由羟基有关的化学反应。例如对染料和水分的吸附、氧化、酯化、醚化、交链和接枝等。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，具有不均一的特征，染整加工中所进行的化学反应往往多属此类。产生这种反应不均一性的原因，除了由于纤维表面和内部与反应溶液接触先后不同以及试剂的扩散有关外，从根本上来说则是与纤维的形态和超分子结构的不均一性有关；其次则与反应介质的性能、试剂分子的大小和性能有关。纤维素分子在纤维中组成层、原纤、晶区和无定形区，或者说组成了侧序度高低不同区域，形成了特定的形态和超分子结构。不同的试剂在不同的介质中只能深入到纤维中某种侧序度以下的区域（称为可及区），而不能到达侧序度更高的区域（称为非可及区），以致造成各部分所发生的化学反应程度的不均一。
2、吸湿和溶胀在大气中，所谓干燥的纤维素纤维实际上并非绝对干燥的，而是吸附着一定的水分。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。若以D表示试样的绝对干燥重量，W为试样吸收水分的重量，则回潮率或吸湿率（R）和含水率（M）分别是纤维在大气中吸湿的多少，除了与纤维种类有关外，还与大气相对湿度和温度有关。例如棉纤维在相对湿度为65%，温度为20℃的标准状态下的吸湿率大约为7~8%。如果把比较干燥的纤维放置到比较潮湿的环境中去，经过一定时间后则纤维的吸湿率回增加到一定值，建立起动态平衡，这种现象称之为增湿；相反，把比较潮湿的纤维放置在比较干燥的环境中，则纤维的吸湿率会逐渐减小，直到建立起动态平衡，这种情况称之为脱湿滞后现象。纤维的增湿与脱湿的吸湿率并不相等，该现象称为吸湿滞后现象。纤维的吸湿主要是发生在纤维的无定型区和晶区的表面。关于纤维的吸湿机理，通过研究，认为纤维素分子中的亲水性羟基是吸湿中心，可直接地吸着水分子，形成单分子层吸湿，而后是水分子层的加厚，间接地吸附水分子。纤维具有吸附水分的特性，不仅关系到纤维的真实重量，而且对纤维的很多性质，都会产生一定影响。例如一些合成纤维制品穿着起来比较闷，容易产生静电，使人有不舒适感觉的主要原因，就是由于这些纤维的分子结构中缺少吸湿中心，吸湿性很差所造成的。纤维吸湿时伴随发生体积增大的溶胀（或膨化）现象。纤维在溶胀时，直径增大的程度远比长度的增长大得多，这种现象称为纤维溶胀的异向性。纤维由于吸湿而发生的溶胀现象基本上是可逆的，也就是说随着纤维吸湿的降低，溶胀程度也发生相应地减小，后会回复原状。纤维素纤维吸湿后发生溶胀现象的原因，主要是由于纤维素分子中的亲水性羟基吸湿后，削弱了纤维无定形区分子间的相互联系，因此，该区域中的分子链段运动范围增大，有类似于低分子物溶解的溶胀现象发生。然而从纤维素分子结构来看，除分子量较高外，其他方面与葡萄糖的情况相似，在水中也理应多少有一点溶解度，但实际并不如此，仅能发生有限可逆溶胀，这是由于溶胀只发生在纤维无定形部分，而结晶部分不发生溶胀，还有限制纤维溶胀的作用。所以纤维素纤维在水中边不能发生无限溶胀--溶解。分子结构相同或极为相似而超分子结构不同的纤维，它们在水中的溶胀程度也就不一样。
3、纤维素的降解（退化）反应能使纤维素分子发生降解的反应是比较多的，从染整角度来说，这类反应是有害的，将使纤维受到损伤，应力求避免。
1)、酸对纤维素的作用染整工艺过程中常常回用酸来处理织物，例如漂白后的酸洗等。用酸时，必须对浓度、温度和时间等条件都要加以严格控制，此后还必须将酸从织物上彻底洗净，否则便会引起纤维损伤，导致强度降低。酸对纤维素的作用，主要是对纤维素分子中苷键的水解起催化作用，使纤维素聚合度降低。所以纤维素纤维对酸比较敏感，但是这种敏感性是相对的，在适当条件下，还是有一定稳定性的。实践证明，在其它条件相同时（例如酸的浓度、处理的时间和温度），强的无机酸如硫酸、盐酸等作用剧烈，磷酸较弱，硼酸更弱；至于有机酸即便是强的，蚁酸以及醋酸等的作用也还是比较缓和的。在使用强无机酸时，若能适当控制条件，不致立即引起纤维的严重损伤，现将有关的影响因素说明如下：（1） 温度：在20~100℃的范围内，酸的浓度恒定，温度每提高10℃纤维素水解速度可增加2~3倍；（2）浓度：当酸的浓度在3M以下时，纤维素水解速率与酸的浓度几乎成正比。当酸浓度大于3M时，纤维素水解速率比酸浓度增大的速率为快；（3） 时间： 在其它条件相同的情况下，纤维素水解程度与时间成正比。适当掌握各种影响因素，便可控制反应发生的程度。例如棉纤维在浓度为2G/L硫酸溶液中，于80℃处理60分钟，纤维强度要降低25%，若处理温度比较低，时间比较短，则纤维的损伤就要轻得多。用0.1~1G/L硫酸在缓和条件下处理棉纤维，就不致使纤维强度发生明显下降。总之，在染整加工中使用强无机酸时，应给以足够重视，特别要避免在带酸的情况下进行干燥，否则将会产生十分严重的后果。
2）、纤维素的氧化棉或涤棉混纺织物的漂白，是采用氧化性漂白剂来完成的，但这并不意味着纤维素对氧化剂的作用是稳定的；相反，一些氧化剂可以使纤维素发生严重降解，然而在适当条件下，既可以满意地保存纤维，又能满足加工的要求。在染整加工中，纤维素受到的氧化作用，通常都是在以水为介质的情况下发生的，反应是不均一的，主要发生在纤维的无定形部分和结晶区表面，这一点和纤维素水解是相似的。如果纤维素仅被氧化成上述的一些产物，从分子结构上来看和纤维素的水解有所不同，并未真正发生分子链的断裂（当然进一步被氧化后也是会发生的），只是葡萄糖环发生破裂，理论上，纤维的强度和纤维素铜氨溶液的粘度应显著下降，而实际强度变化不大，但不稳定，经过碱处理后便大幅度下降，这种现象称之为纤维受?quot;潜在损伤"。实践证明，次氯酸钠漂白的棉纤维常具有这种损伤。判断纤维在漂白过程中所受到的损伤程度，通常可测定纤维或制品强度来加以表明。但应当清楚，纤维强度的降低，只能反映纤维素分子链在漂白过程中已发生断裂的那部分造成的损伤，却不能反映纤维所受到的全部损伤，如果测定碱煮后的强度便能比较全面地反映问题，此外也测定纤维素铜铵或铜乙二胺溶液粘度的变化来加以了解。
4、 及液氨对纤维素纤维的作用
1） 碱对纤维素纤维的作用棉布印染厂常利用烧碱进行织物的处理和加工。例如用稀碱液进行棉布的退浆、煮练，用浓烧碱液进行丝光，因而可以认为纤维素本身对碱是相当稳定的。当然这种稳定性是相对的，在一定条件下碱也会引起纤维素的降解。当氢氧根离子浓度和温度都比较高（例如1.0NnaOH，170℃）的条件下，纤维素的降解作用，是十分剧烈和迅速的。并且当纤维上有碱存在时，碱将起着空气中的氧对纤维素氧化的催化作用。因而在棉布染整加工中，使用烧碱时，在高温、高浓度的条件下应该予以足够的重视，特别要注意避免带碱的棉布长时间与空气接触，以免纤维素受损。利用浓烧碱（大约18~25%）进行棉布或涤棉混纺织物的丝光，是棉布印染厂中的一个重要工序，如果控制恰当，就可以达到改善纤维性能的目的。棉纤维在浓碱中发生了剧烈溶胀，，而且和水的作用不同。水仅能拆散纤维无定形部分分子间的结合力，并使之发生溶胀，而浓碱液却能深入到纤维的晶区，部分地克服晶体内的结合力，使晶格发生一定程度的溶胀和破坏，但是仍不能克服晶体内所有的结合力，而使之发生无限溶胀。水洗后，经过这样巨大变化后的分子链便不可能全部回复到原来的状态，使纤维的形态和超分子结构产生不可逆的变化，因而利用这种性能所获得的纺织品整理效果将是持久的。
2） 液氨的作用液氨处理对棉纤维结构和性能的影响与浓烧碱也的作用有很多相似之处，主要有以下几点：化学活泼性的提高；形态变化和光泽的改善。液氨处理对棉纤维机械性能影响的规律与浓烧碱的作用基本相似，由于棉纤维在这两个处理过程中都具有很大的可塑性，因此张力对性能的影响是极其重要的。有些资料认为液氨处理对提高纱线或织物机械性能的改善要比烧碱丝光好些，也有资料认为棉布经过液氨处理更适宜进行树脂整理。与浓碱液相比，液氨分子体积小，粘度低，对棉纤维溶胀的程度较小，以致处理比较均匀，这可能就是液氨处理能使纱线或织物机械性能获得较大改善和更适合于进行树脂整理的原因。
5、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。因此就可利用这一特性进行棉织物的化学整理、染色或化学变性。如利用纤维素和硝酸反应的性质，可制成再生纤维（火药棉）；利用纤维素和醛反应的性质，可对纤维进行防皱整理等。

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