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染整技術(shù)基本知識(shí)培訓(xùn)之纖維素纖維基本知識(shí)

2011-02-21

                                        染整技術(shù)基本知識(shí)培訓(xùn)之纖維素纖維基本知識(shí)

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一、概述

纖維素纖維如棉、苧麻、黃麻、大麻、蕉麻、劍麻、木棉及粘膠纖維、TENCEL纖維、銅氨纖維的主要組成物質(zhì)為纖維素。除纖維素之外，還有各種伴生物質(zhì)。纖維素是一種多糖物質(zhì)，主要是由很多葡萄糖剩基聯(lián)結(jié)起來的線型大分子，分子式可寫成（C6H10O5）n。通常認(rèn)為纖維素是β-d-葡萄糖剩基彼此以1，4苷鍵聯(lián)結(jié)而成的大分子，在結(jié)晶區(qū)內(nèi)相鄰的葡萄糖環(huán)相互倒置，糖環(huán)中的氫原子和羥基分布在糖環(huán)平面的兩側(cè)。纖維素的結(jié)構(gòu)式中有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1） 纖維素分子中的葡萄糖剩基（不包括兩端的）上有三個(gè)自由存在的羥基，其中2，3位上是兩個(gè)仲醇基，6位上是一個(gè)伯羥基，它們具有一般羥基的特性；（2） 在左端的葡萄糖剩基上都含有四個(gè)自由存在的羥基，但實(shí)際上在右端的剩基中含有一個(gè)潛在的醛基。按理纖維素也應(yīng)具有還原性質(zhì)，但是由于醛基數(shù)量甚少，所以還原性就不顯著，然而會(huì)隨著纖維素分子量的變小而逐漸明顯起來。

二、維素的主要化學(xué)性質(zhì)

人們在對纖維素分子結(jié)構(gòu)有正確認(rèn)識(shí)之前，對纖維素的化學(xué)性質(zhì)早已有了一定的了解，并能利用這些性能進(jìn)行一些有關(guān)的加工。隨著對纖維素分子結(jié)構(gòu)，纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的不斷加深，就更有利于人們自覺地去利用這些性能和掌握有關(guān)的加工過程。纖維的結(jié)構(gòu)決定了纖維的性能，而纖維的性能則必然是纖維結(jié)構(gòu)的反映，兩者是緊密相聯(lián)的。
1、纖維素纖維進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的特征從纖維素的分子結(jié)構(gòu)來看，它至少可能進(jìn)行下列兩類化學(xué)反應(yīng)：一類是與纖維素分子結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)葡萄糖剩基的苷鍵有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。例如：強(qiáng)無機(jī)酸對纖維素的作用就屬此類；另一類則是纖維素分子結(jié)構(gòu)中葡萄糖剩基上的三個(gè)自由羥基有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。例如對染料和水分的吸附、氧化、酯化、醚化、交鏈和接枝等。從纖維素纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)來看，在保持纖維狀態(tài)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，具有不均一的特征，染整加工中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)往往多屬此類。產(chǎn)生這種反應(yīng)不均一性的原因，除了由于纖維表面和內(nèi)部與反應(yīng)溶液接觸先后不同以及試劑的擴(kuò)散有關(guān)外，從根本上來說則是與纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)的不均一性有關(guān)；其次則與反應(yīng)介質(zhì)的性能、試劑分子的大小和性能有關(guān)。纖維素分子在纖維中組成層、原纖、晶區(qū)和無定形區(qū)，或者說組成了側(cè)序度高低不同區(qū)域，形成了特定的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)。不同的試劑在不同的介質(zhì)中只能深入到纖維中某種側(cè)序度以下的區(qū)域（稱為可及區(qū)），而不能到達(dá)側(cè)序度更高的區(qū)域（稱為非可及區(qū)），以致造成各部分所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)程度的不均一。
2、吸濕和溶脹在大氣中，所謂干燥的纖維素纖維實(shí)際上并非絕對干燥的，而是吸附著一定的水分。纖維中水分的含量通常是采用吸濕率或回潮率以及含水率這兩項(xiàng)指標(biāo)表示的。若以D表示試樣的絕對干燥重量，W為試樣吸收水分的重量，則回潮率或吸濕率（R）和含水率（M）分別是纖維在大氣中吸濕的多少，除了與纖維種類有關(guān)外，還與大氣相對濕度和溫度有關(guān)。例如棉纖維在相對濕度為65%，溫度為20℃的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的吸濕率大約為7~8%。如果把比較干燥的纖維放置到比較潮濕的環(huán)境中去，經(jīng)過一定時(shí)間后則纖維的吸濕率回增加到一定值，建立起動(dòng)態(tài)平衡，這種現(xiàn)象稱之為增濕；相反，把比較潮濕的纖維放置在比較干燥的環(huán)境中，則纖維的吸濕率會(huì)逐漸減小，直到建立起動(dòng)態(tài)平衡，這種情況稱之為脫濕滯后現(xiàn)象。纖維的增濕與脫濕的吸濕率并不相等，該現(xiàn)象稱為吸濕滯后現(xiàn)象。纖維的吸濕主要是發(fā)生在纖維的無定型區(qū)和晶區(qū)的表面。關(guān)于纖維的吸濕機(jī)理，通過研究，認(rèn)為纖維素分子中的親水性羥基是吸濕中心，可直接地吸著水分子，形成單分子層吸濕，而后是水分子層的加厚，間接地吸附水分子。纖維具有吸附水分的特性，不僅關(guān)系到纖維的真實(shí)重量，而且對纖維的很多性質(zhì)，都會(huì)產(chǎn)生一定影響。例如一些合成纖維制品穿著起來比較悶，容易產(chǎn)生靜電，使人有不舒適感覺的主要原因，就是由于這些纖維的分子結(jié)構(gòu)中缺少吸濕中心，吸濕性很差所造成的。纖維吸濕時(shí)伴隨發(fā)生體積增大的溶脹（或膨化）現(xiàn)象。纖維在溶脹時(shí)，直徑增大的程度遠(yuǎn)比長度的增長大得多，這種現(xiàn)象稱為纖維溶脹的異向性。纖維由于吸濕而發(fā)生的溶脹現(xiàn)象基本上是可逆的，也就是說隨著纖維吸濕的降低，溶脹程度也發(fā)生相應(yīng)地減小，后會(huì)回復(fù)原狀。纖維素纖維吸濕后發(fā)生溶脹現(xiàn)象的原因，主要是由于纖維素分子中的親水性羥基吸濕后，削弱了纖維無定形區(qū)分子間的相互聯(lián)系，因此，該區(qū)域中的分子鏈段運(yùn)動(dòng)范圍增大，有類似于低分子物溶解的溶脹現(xiàn)象發(fā)生。然而從纖維素分子結(jié)構(gòu)來看，除分子量較高外，其他方面與葡萄糖的情況相似，在水中也理應(yīng)多少有一點(diǎn)溶解度，但實(shí)際并不如此，僅能發(fā)生有限可逆溶脹，這是由于溶脹只發(fā)生在纖維無定形部分，而結(jié)晶部分不發(fā)生溶脹，還有限制纖維溶脹的作用。所以纖維素纖維在水中邊不能發(fā)生無限溶脹--溶解。分子結(jié)構(gòu)相同或極為相似而超分子結(jié)構(gòu)不同的纖維，它們在水中的溶脹程度也就不一樣。
3、纖維素的降解（退化）反應(yīng)能使纖維素分子發(fā)生降解的反應(yīng)是比較多的，從染整角度來說，這類反應(yīng)是有害的，將使纖維受到損傷，應(yīng)力求避免。
1)、酸對纖維素的作用染整工藝過程中常常回用酸來處理織物，例如漂白后的酸洗等。用酸時(shí)，必須對濃度、溫度和時(shí)間等條件都要加以嚴(yán)格控制，此后還必須將酸從織物上徹底洗凈，否則便會(huì)引起纖維損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。酸對纖維素的作用，主要是對纖維素分子中苷鍵的水解起催化作用，使纖維素聚合度降低。所以纖維素纖維對酸比較敏感，但是這種敏感性是相對的，在適當(dāng)條件下，還是有一定穩(wěn)定性的。實(shí)踐證明，在其它條件相同時(shí)（例如酸的濃度、處理的時(shí)間和溫度），強(qiáng)的無機(jī)酸如硫酸、鹽酸等作用劇烈，磷酸較弱，硼酸更弱；至于有機(jī)酸即便是強(qiáng)的，蟻酸以及醋酸等的作用也還是比較緩和的。在使用強(qiáng)無機(jī)酸時(shí)，若能適當(dāng)控制條件，不致立即引起纖維的嚴(yán)重?fù)p傷，現(xiàn)將有關(guān)的影響因素說明如下：（1） 溫度：在20~100℃的范圍內(nèi)，酸的濃度恒定，溫度每提高10℃纖維素水解速度可增加2~3倍；（2）濃度：當(dāng)酸的濃度在3M以下時(shí)，纖維素水解速率與酸的濃度幾乎成正比。當(dāng)酸濃度大于3M時(shí)，纖維素水解速率比酸濃度增大的速率為快；（3） 時(shí)間： 在其它條件相同的情況下，纖維素水解程度與時(shí)間成正比。適當(dāng)掌握各種影響因素，便可控制反應(yīng)發(fā)生的程度。例如棉纖維在濃度為2G/L硫酸溶液中，于80℃處理60分鐘，纖維強(qiáng)度要降低25%，若處理溫度比較低，時(shí)間比較短，則纖維的損傷就要輕得多。用0.1~1G/L硫酸在緩和條件下處理棉纖維，就不致使纖維強(qiáng)度發(fā)生明顯下降。總之，在染整加工中使用強(qiáng)無機(jī)酸時(shí)，應(yīng)給以足夠重視，特別要避免在帶酸的情況下進(jìn)行干燥，否則將會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。
2）、纖維素的氧化棉或滌棉混紡織物的漂白，是采用氧化性漂白劑來完成的，但這并不意味著纖維素對氧化劑的作用是穩(wěn)定的；相反，一些氧化劑可以使纖維素發(fā)生嚴(yán)重降解，然而在適當(dāng)條件下，既可以滿意地保存纖維，又能滿足加工的要求。在染整加工中，纖維素受到的氧化作用，通常都是在以水為介質(zhì)的情況下發(fā)生的，反應(yīng)是不均一的，主要發(fā)生在纖維的無定形部分和結(jié)晶區(qū)表面，這一點(diǎn)和纖維素水解是相似的。如果纖維素僅被氧化成上述的一些產(chǎn)物，從分子結(jié)構(gòu)上來看和纖維素的水解有所不同，并未真正發(fā)生分子鏈的斷裂（當(dāng)然進(jìn)一步被氧化后也是會(huì)發(fā)生的），只是葡萄糖環(huán)發(fā)生破裂，理論上，纖維的強(qiáng)度和纖維素銅氨溶液的粘度應(yīng)顯著下降，而實(shí)際強(qiáng)度變化不大，但不穩(wěn)定，經(jīng)過堿處理后便大幅度下降，這種現(xiàn)象稱之為纖維受?quot;潛在損傷"。實(shí)踐證明，次氯酸鈉漂白的棉纖維常具有這種損傷。判斷纖維在漂白過程中所受到的損傷程度，通常可測定纖維或制品強(qiáng)度來加以表明。但應(yīng)當(dāng)清楚，纖維強(qiáng)度的降低，只能反映纖維素分子鏈在漂白過程中已發(fā)生斷裂的那部分造成的損傷，卻不能反映纖維所受到的全部損傷，如果測定堿煮后的強(qiáng)度便能比較全面地反映問題，此外也測定纖維素銅銨或銅乙二胺溶液粘度的變化來加以了解。
4、 及液氨對纖維素纖維的作用
1） 堿對纖維素纖維的作用棉布印染廠常利用燒堿進(jìn)行織物的處理和加工。例如用稀堿液進(jìn)行棉布的退漿、煮練，用濃燒堿液進(jìn)行絲光，因而可以認(rèn)為纖維素本身對堿是相當(dāng)穩(wěn)定的。當(dāng)然這種穩(wěn)定性是相對的，在一定條件下堿也會(huì)引起纖維素的降解。當(dāng)氫氧根離子濃度和溫度都比較高（例如1.0NnaOH，170℃）的條件下，纖維素的降解作用，是十分劇烈和迅速的。并且當(dāng)纖維上有堿存在時(shí)，堿將起著空氣中的氧對纖維素氧化的催化作用。因而在棉布染整加工中，使用燒堿時(shí)，在高溫、高濃度的條件下應(yīng)該予以足夠的重視，特別要注意避免帶堿的棉布長時(shí)間與空氣接觸，以免纖維素受損。利用濃燒堿（大約18~25%）進(jìn)行棉布或滌棉混紡織物的絲光，是棉布印染廠中的一個(gè)重要工序，如果控制恰當(dāng)，就可以達(dá)到改善纖維性能的目的。棉纖維在濃堿中發(fā)生了劇烈溶脹，，而且和水的作用不同。水僅能拆散纖維無定形部分分子間的結(jié)合力，并使之發(fā)生溶脹，而濃堿液卻能深入到纖維的晶區(qū)，部分地克服晶體內(nèi)的結(jié)合力，使晶格發(fā)生一定程度的溶脹和破壞，但是仍不能克服晶體內(nèi)所有的結(jié)合力，而使之發(fā)生無限溶脹。水洗后，經(jīng)過這樣巨大變化后的分子鏈便不可能全部回復(fù)到原來的狀態(tài)，使纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的變化，因而利用這種性能所獲得的紡織品整理效果將是持久的。
2） 液氨的作用液氨處理對棉纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響與濃燒堿也的作用有很多相似之處，主要有以下幾點(diǎn)：化學(xué)活潑性的提高；形態(tài)變化和光澤的改善。液氨處理對棉纖維機(jī)械性能影響的規(guī)律與濃燒堿的作用基本相似，由于棉纖維在這兩個(gè)處理過程中都具有很大的可塑性，因此張力對性能的影響是極其重要的。有些資料認(rèn)為液氨處理對提高紗線或織物機(jī)械性能的改善要比燒堿絲光好些，也有資料認(rèn)為棉布經(jīng)過液氨處理更適宜進(jìn)行樹脂整理。與濃堿液相比，液氨分子體積小，粘度低，對棉纖維溶脹的程度較小，以致處理比較均勻，這可能就是液氨處理能使紗線或織物機(jī)械性能獲得較大改善和更適合于進(jìn)行樹脂整理的原因。
5、其他的化學(xué)作用從化學(xué)的觀點(diǎn)可以將纖維素看作是多元醇，它能進(jìn)行一系列醇所能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。因此就可利用這一特性進(jìn)行棉織物的化學(xué)整理、染色或化學(xué)變性。如利用纖維素和硝酸反應(yīng)的性質(zhì)，可制成再生纖維（火藥棉）；利用纖維素和醛反應(yīng)的性質(zhì)，可對纖維進(jìn)行防皺整理等。

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