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1、第十五章 纤维素纤维加工化学,主要内容： 1、纤维素的化学结构与性质 2、再生纤维素纤维的加工化学 3、麻纤维的分类、化学组份及特性 4、苎麻纤维的脱胶,纤维素是植物中含量最广泛的物质之一，它是构成植物细胞壁的基础物质，常和半纤维素、果胶物质、木质素等混合在一起构成植物纤维的主体。,第一节 纤维素的化学结构与性质,一、纤维素的化学结构,纤维素分子式（C6H10O5)n 化学结构式：,葡糖糖剩基,苷键,端基,1、纤维素化学结构式特点：,（1）结构单元为-D-葡萄糖剩基，具有环状结构，相邻两个剩基相互扭转180o。 （2）每个葡萄糖基环（不包括两端）上有三个自由羟基 。,2、纤维素聚集态结构 纤维
2、素聚集态结构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，无明显界限，一个纤维素分子链可以经过若干个结晶区和无定形区。 每一个结晶区称为微晶体，结晶区内，纤维素分子链呈现有规律的排列，分子间距离小，作用力大，分子排列紧密。在非晶区内，纤维素分子链无序排列，甚至存在空隙，分子间距离较大，作用力小。,结晶度 ：表示纤维素大分子结晶区含量大小的指标，是纤维素中结晶区的重量对纤维素总重量的百分比。,纤维素的许多性质与其结晶度有关。纤维的强度、弹性、模量等力学性能指标取决于结晶区所占比例，而纤维对溶剂的浸透性、膨胀性、反应速度和柔软性等，则取决于非晶区的大小。,二、纤维素的
3、化学性质,大分子主链断裂,羟基的反应,纤维素的化学反应,（一）酸对纤维素的作用,纤维素苷键的酸催化水解反应,（C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6,纤维素完全水解 ：,，,水解后纤维素性质的变化： （1）纤维素水解产物通称为水解纤维素，它不是一个固定或单一的产物，而是随着水解程度的增加得到的一种混合物，其化学组成与纤维素相同。 （2）水解后的纤维素聚合度降低、在碱液中的溶解度增加、力学性能显著下降，所以纤维素纤维不耐酸。,（二）氧化剂对纤维素的作用 1、葡萄糖基环中的伯羟基可氧化成醛基，醛基可进一步氧化成羧基:,2、葡萄糖基环中的仲羟基可氧化成酮基，也可氧化成醛基并使基环开裂：,或者在
4、几种氧化剂的联合作用下，将氧化仲羟基所生成的醛基继续氧化为羧基：,纤维素氧化后性质的变化：,被氧化剂氧化的纤维素称为氧化纤维素。纤维素被氧化后可以得到两种类型的氧化纤维素： （1）还原性（含-CHO或-CO）氧化纤维素 （2）酸性（含-COOH）氧化纤维素 这两种纤维素的共同性质是含氧量增加，亲水性提高，但分子链中的苷键对碱稳定性下降。,（三）碱对纤维素的作用,纤维素大分子中的苷键对碱的具有相当高的稳定性，因此在常温下，稀碱溶液对纤维素不起作用。但由于纤维素大分子中羟基的存在，能与浓碱作用。一般来讲，纤维素与浓碱作用时，使纤维素发生下述三种变化：,碱的作用,化学变化,物理变化,结构变异,1、化
5、学变化生成碱纤维素 （1）纤维素与浓碱作用生成分子化合物： C6H7O2(OH)3+NaOH C6H7O2(OH)2OHNaOH+热 （2）纤维素与浓碱作用生成醇钠化合物： C6H7O2(OH)3+NaOH C6H7O2(OH)2ONa+H2O+热,2、物理变化 纤维素发生润胀和溶解，使纤维变得富有弹性和丝光。 3、结构变异 大分子中的葡萄糖基环之间的相互位置发生改变，表现为X射线的衍射图谱发生改变。,纤维素碱处理后性质变化： 碱处理使纤维素大分子间横向联系被削弱，分子链取向和结晶度降低，非晶区扩大，密度降低，形成较为疏松的聚集结构。,常温下用浓烧碱溶液（18%24%）处理棉织物，然后在对棉织
6、物施加张力的条件下，洗除织物上的碱液，从而改善棉织物的性能，这一过程在染整工艺中称为丝光 。,（四）纤维素的酯化、醚化反应,纤维素大分子中羟基上的氢为羧基取代生成的是纤维素酯，被烃基取代生成的产物是纤维素醚。生成的纤维素酯和纤维素醚的化学性质和物理性能都不同于原纤维素的性质。借助酯化、醚化反应可显著改变纤维素的性能，并能制造出许多新的、具有独特风格和用途的产品。,1、酯化反应 （1）纤维素硝酸酯（硝化纤维素）：工业上用HNO3、H2SO4和H2O配置成一定组成的混酸作为硝化剂，作用于纤维素发生硝化反应，其反应如下： C6H7O2(OH)3+3HNO3 C6H7O2(ONO2)3+3H2O （2
7、）纤维素醋酸酯（醋酸纤维素）：工业上常用醋酸酐作酯化剂、硫酸作催化剂、醋酸作溶剂进行乙酸化反应： C6H7O2(OH)3+3(CH3CO)OC6H7O2(OCO-CH3)3+3CH3COOH,（3）纤维素黄酸酯（粘胶纤维）:碱纤维素与CS2反应生成纤维素黄酸盐，此反应也称黄化反应：,2、醚化反应 （1）纤维素羧甲基醚（羧甲基纤维素，CMC）：它是由纤维素在碱性条件下与一氯乙酸反应而制得：,（2）纤维素甲基醚（甲基纤维素，MC）：纤维素与硫酸二甲酯反应生成，它是粘合剂工业中性能优良的粘合剂。 C6H7O2(OH)3+3(CH3)2SO4 + 3NaOHC6H7O2(OCH3)3+3CH3NaSO
8、4+3H2O,（3）纤维素乙基醚（羟乙基纤维素）：它是纤维素与环氧乙烷作用制得，工业上主要用于制造塑料、清漆、涂料和粘合剂等。,第二节 再生纤维素纤维的加工化学,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以及近年来新开发的Lyocell纤维、Modal纤维和竹浆纤维，另外还有再生动物纤维素纤维甲壳素纤维。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，再纺丝而成。,一、粘胶纤维 粘胶纤维是以含有纤维素但不能直接纺纱的物质为原料，经磺化反应制成的纤维素磺酸酯溶解于稀碱液中，再经过过滤、脱泡等过程制成符合纺丝要求的粘胶纺丝液，经纺丝孔挤压出来的粘胶细
9、流，进入含酸的凝固浴，纤维素磺酸酯分解，纤维素再生。,粘胶纤维纵、横截面,粘胶纤维的聚合度较低，一般只有250350，生产中易受到氧化作用，其纤维素中羧基和醛基的含量较高。 普通粘胶纤维的结晶度30%，因此吸湿性强，其织物吸水后手感变硬、易变形。 粘胶纤维的化学性质和其它纤维素纤维一样，对酸和氧化剂的抵抗力差，而对碱的抵抗力较强，但对碱的稳定性低于天然纤维素纤维，一般的粘胶纤维不能经受丝光处理。,二、铜氨纤维 铜氨纤维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中，在凝固浴中分解再生出纤维素，将生成的水合纤维素经过纺丝加工而成。铜氨纤维性能与粘胶纤维相仿，但湿强降低比粘胶纤维少
10、得多。铜氨纤维的截面比较均一，轮廓光滑，没有明显的皮芯结构，因而在染液中容易膨胀，吸色较快，织物染色易产生色花，故铜氨纤维织物染色时应选择低温条件。,铜氨纤维纵、横截面图,三、醋酯纤维 醋酯纤维有三醋酯纤维（三醋纤）和二醋酯纤维（二醋纤），醋酯纤维是通过纤维素酯化反应制得。醋酯纤维分子由于亲水性羟基被乙酰化，其吸湿性比粘胶纤维差，回潮率只有6.5%，易被有机溶剂膨化或溶解。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，光泽接近于蚕丝，但其强力差，湿强更低。醋酯纤维对酸的作用较为稳定，遇碱极易引起水解。,醋酯纤维纵、横截面图,四、Lyocell纤维 Lyocell纤维是由荷兰AKO
11、ZO公司的专利产品，由英国Courtailds公司和奥地利Lenzing公司首先实施工业化生产。Lenzing公司的Lyocell短纤维商品为Tencel，我国称为“天丝”。该纤维是采用一种叔胺氧化物-NMMO溶剂纺丝技术制取的，与粘胶纤维的制取方法完全不同，因溶剂可以回收，故对生态无害，被称为21世纪的绿色纤维。,Lyocell纤维横截面 Lyocell纤维纵向,五、Modal纤维 国内又称莫代尔纤维，是奥地利Lenzing公司生产的新一代纤维素纤维，由山毛榉木浆粕制成，浆粕及纤维的生产过程对环境无大量污染。Modal纤维具有亮光型和亚光型两种，纤维的强度和湿模量较高，在润湿状态下，润胀度低
12、。,Lenzing莫代尔横截面 Lenzing莫代尔纵向,六、竹纤维 竹纤维是从竹子中提取的纤维，其化学成分主要是纤维素、半纤维素、木质素，另外还有灰分等少量其他物质。 竹纤维的开发主要有两种方法： 一种是利用化学的方法以竹子为原料，制成满足纤维生产要求的竹浆粕，再用粘胶纺丝的工艺生产出竹浆粘胶纤维，又称为竹浆纤维，性能与粘胶纤维相似。 另一种是利用物理方法去除竹子中的木质素、多戊糖、竹粉、果胶等杂质，直接提取天然竹纤维，又称原竹纤维，其性能与麻类纤维相似。,七、甲壳素纤维 甲壳素纤维的原料来自自然界中的虾、蟹、昆虫等甲壳类动物的壳等，其化学结构与植物纤维素很相似，是由-1,4-苷键连接的N-
13、乙酰基-D-葡萄糖胺剩基的高聚物，可视为一种动物纤维素纤维。工业上是将虾、蟹等甲壳经粉碎干燥后进行化学和生化处理，获得甲壳质粉末壳聚糖，再将这种粉末溶于适当的溶剂中，以湿法纺丝方法制出甲壳素纤维。,第三节 麻纤维的分类、化学组份及特性,一、麻纤维的特性,（一）苎麻 苎麻主要产于我国，产量占世界苎麻总产量的90%以上，有 “中国草”之称。苎麻纤维具有良好纺纱性能、服用及使用性能，是重要的纺织原料之一。 苎麻纤维的长度长，最长可达600mm，线密度高。苎麻纤维强度高，初始模量大，弹性差，断裂伸长率低，主要是因为苎麻纤维中纤维素的结晶度和取向度较高的缘故。由于苎麻纤维的断裂伸长率低，弹性差，所以苎麻
14、织物易折皱且不耐磨。,麻植物外观形态,苎麻麻株,苎麻：麻杆到生麻,生苎麻、脱胶苎麻、梳理苎麻,(二)亚麻 亚麻单纤维较短，平均长度1026mm，不能用现行纺纱设备进行纺纱，目前主要利用亚麻束纤维（又称工艺纤维）进行纺纱。 亚麻纤维强度比棉纤维高，断裂伸长率低，吸湿快，散湿也快，在炎热的夏季穿着亚麻衣物使人感到凉爽，所以亚麻也是一种性能良好的纺织纤维，,（三）黄麻和洋麻,黄麻在我国主要用以制织麻袋、绳索等包装材料，近年来也有部分黄麻纤维经化学改性处理后制织服装面料及地毯等。 洋麻对环境适用性强，洋麻的用途与黄麻基本相同。黄麻单纤维长度14mm，洋麻单纤维长度26mm，因此都以工艺纤维纺纱，黄麻和
15、洋麻纤维的强力，通常以熟麻的束纤维强力表示。 纤维成熟后收获的麻株要及时进行脱胶加工，常用微生物方法进行脱胶，俗称沤麻或精洗，多在产地进行。经脱胶、晒干后的麻通称熟麻，即麻纺厂的原料。,黄麻制品,（四）大麻 我国大麻产量占世界总产量的三分之一左右，居世界第一位。大麻纤维平均长度20mm，但纤维整齐度差，最短的只有5mm，最长可达55mm，单纤维的线密度一般为34dtex。纤维横截面呈圆形或多角形，有中腔。大麻纤维强度较高，耐水性好，吸湿较慢而放湿较快，干强高于湿强。大麻纤维耐热性优于其他天然纺织纤维，具有很好的耐腐蚀性，可用来制作高档装饰布、地毯、工业用布、汽车内装饰用织物、冬夏季服装、绳索等
16、产品，在欧洲则视作苎麻的代用品。,（五）罗布麻 罗布麻别名红柳子、野茶、红花草等，是一种野生麻。由于我国最初在新疆罗布泊地区发现，故以罗布麻命名。罗布麻的采集、运输、剥制等困难很大，只能实现小规模生产。 罗布麻纤维同苎麻一样具有两端封闭且伸直的结构；单纤维的长度在50mm左右，直径约为18um，纤维细软；罗布麻纤维的力学性能与苎麻接近，但纤维线密度比苎麻小，长度短。因此罗布麻纤维可以全脱胶以单纤维纺纱，但罗布麻纤维整齐度差，纤维间抱合力弱，容易断裂，在一定程度上影响了它的可纺性，可采用与其它纤维混纺的方式来改善这种缺陷。,其它麻类纤维及制品,剑麻,菠萝麻,二、各类麻纤维的初加工特点,（一）苎麻的初加工特点,(二)亚麻的初加工特点,（三）黄麻和洋麻的初加工特点,剥制脱胶洗涤晒干分级打包,黄麻和洋麻的单纤维较粗，长度很短，只能利用它
