第五章 纤维素纤维

1. 第五章 纤维素纤维 棉、麻

2. 教学内容 第一节 纤维素纤维的形态结构 第二节 纤维素大分子的分子结构 第三节 纤维素纤维的超分子结构 第四节 纤维素纤维的主要物理机械性能 第五节 纤维素纤维的主要化学性质 第六节 纤维素共生物

3. 第一节纤维素纤维的形态结构 一、棉纤维形态结构 二、麻纤维形态结构

4. 一、棉纤维形态结构 1、棉纤维的生长 • 棉纤维是种籽纤维，它是由棉籽表皮细胞突起生长而形成的，每根棉纤维就是一个细胞。棉纤维的生长可分为三个阶段：

5. 胞壁增厚、胞腔缩小、原生质转变为纤维素 棉纤维生长的三个阶段 延长阶段 增厚阶段 薄壁、 圆形小管、内部充满原生质 收缩阶段 脱水收缩、纵向扭曲、圆形变成腰子形

6. 2、棉纤维的加工过程 • 从棉田里摘下来的棉花，经晒干或烘干后称为籽棉。 • 籽棉经过轧花厂的初步加工（轧花），去除其中的棉籽和部分机械杂质后称为皮棉。 • 皮棉经纺织厂、织布厂加工后，进入染整工序。

7. 棉纤维的加工过程 1 2 3

8. 3、棉纤维形态结构

9. 3、棉纤维形态结构 棉纤维的横截面 • 腰子形或耳状 • 较薄的初生胞壁 • 较厚的次生胞壁 （纤维素主体） • 中空的胞腔

10. 3、棉纤维形态结构 • 棉纤维的纵向形态 • 扁平带状 • 有天然扭曲 6-10捻/毫米 • 纤维越细，捻数越多

11. 4、棉纤维形态结构模型

12. 初生胞壁 是棉纤维的外层,是在细胞延长阶段形成的，它又分为两层. 1、角皮层(外层)：是棉纤维极薄的最外层 作用：保护棉纤维 组成：蜡状物质和果胶物质 形态：极薄的薄膜 2、初生胞壁(内层)：厚约0.1-0.2微米，也是较薄的一层 作用：内装原生质 组成：主体是纤维素，但含较多杂质 形态：管状薄壁，取向度低 特性：溶胀小

13. 初生胞壁 3、初生胞壁存在的证明：窜珠状溶胀现象 4、初生胞壁对印染的影响 由于角皮层和初生胞壁不是纤维的主体，在精练、漂白过程中将被破坏或去除。

14. 次生胞壁 是棉纤维的主体部分，约占纤维部量的90%以上，是由纤维素在初生胞壁内沉积而成的。 作用：棉纤维的主体，决定棉纤维主要性质 组成：主要是纤维素 形态：纵向：原纤网状组织 横向：日轮(25～40层)

15. 次生胞壁 • 日轮的形成 • 由于棉纤维在生长期间昼夜光照和温度的差异，在纤维的截面上形成25-40层同心圆状日轮，每层厚约0.1-0.4微米。

16. 次生胞壁 次生胞壁又可分为三层。 • 外层S1由微原纤紧密堆砌而成，微原纤与纤维轴呈倾角为25O-30O的螺旋状排列，而且不改变螺旋方向，在一层中，几乎没有空隙和孔洞； • 中层S2是棉纤维的主体，全部由纤维素组成，微原纤与纤维轴的夹角约为25O，螺旋方向周期性地左右改变，一根纤维上这种反向可达50次以上；这是棉纤维具有天然转曲的原因。 • 内层S3中微原纤与纤维轴夹角大，且夹有非纤维素物质。

17. 胞腔 形态：中空组成：原生质残渣（沉积在纤维内壁上)、 蛋白质，矿物盐，色素，…特性：不易染色，强度低 • 棉纤维成熟度越高，胞腔越小，品质越好

18. 5、棉纤维的组成 纤维素：90~94% 天然杂质：6～10%

19. 二、麻纤维的形态结构 1、麻的种类 • 可作衣用纺织纤维的主要是苎麻和亚麻，其它的麻类如大麻、黄麻等多用于制成麻袋、绳索或作为包装、造纸的原料。 2、麻纤维的形态结构 • 亚麻和苎麻是生长在韧皮植物上的纤维，也称作韧皮纤维。 • 单根麻纤维是一个厚壁、两端密闭、内有狭窄胞腔的长细胞。一切麻纤维都有这样的特征 • 各种麻的单纤维外形、长短和化学成分等方面却存在一定差异。 • 几种麻纤维的形态结构如下表所示：

20. 二、麻纤维的形态结构 3、麻纤维的长度和细度 • 各种麻的单纤维长度和细度各不相同，这对纺织和染整加工有很大影响。 • 几种常见麻纤维的长度和宽度如下表所示：

21. 二、麻纤维的形态结构 4、 麻纤维的主要组成 • 麻纤维的主要化学成分和棉一样也是纤维素，但含量较低，此外还有蜡状物、木质素、果胶物质、含氮物质和灰分等。 • 我国苎麻的化学成分如下图所示：

22. 二、麻纤维的形态结构 • 苎麻单纤较长，可单纤维纺纱，具有优良的机械性能和服用性能。原麻中的纤维被胶粘结在一起，要先脱胶使单纤维分离，才能进行纺丝加工。可作夏料。 • 亚麻的单纤维由果胶等杂质紧密粘结，不能直接纺纱，先脱胶制成精洗麻，再除去表皮和木质素制成打成麻，才能进行纺纱。单纤维短，不能单纤维纺纱，只能先粘结成纤维束进行工艺纤维纺纱。服用或装饰用。

23. 第二节 纤维素大分子的分子结构 一、化学结构式 二、大分子结构特点

24. 一、纤维素大分子的化学结构式 分子式:(C6H10O5)n 纤维素大分子由β-D-葡萄糖剩基彼此以1,4甙键联结而成

25. 一、纤维素大分子的化学结构式 • 完全水解产物： • 纤维素大分子链示意图

26. 一、纤维素大分子的化学结构式 • 纤维素分子结构的重要性 1、纤维素是纤维素纤维的主要成分2、决定纤维素纤维的化学性质3、影响纤维素纤维的机械物理性能4、纤维素纤维染整加工的依据

27. 二、纤维素大分子结构特点 • 1、由B-d-葡萄糖剩基通过1,4-甙键连接而成，相邻两个剩基相互扭转180度，大分子对称性良好，结构规整，具有较高的结晶性能。

28. 二、纤维素大分子结构特点 • 2、每一个葡萄糖剩基（不包括两端）上有三个自由羟基，2、3位碳原子构成两个仲醇基，6位碳原子上接一个伯醇基，它们都具有一般醇基的特性，分子间可形成氢键。（与金属反应，能发生氧化反应、与无机酸反应、酯化、醚化）

29. 二、纤维素大分子结构特点 • 3、左端剩基上含四个自由羟基，右端剩基上含三个自由羟基及一个潜在醛基。其相对数量少，所以还原性并不显著。

30. 二、纤维素大分子结构特点 • 聚合度：式中n为聚合度 • 重复单元数=（n-2)/2，不同方法结果差异较大。 • 一般测定纤维素的铜氨或铜乙二胺溶液粘度，然后换算成聚合度。 • 用此法测定麻、棉的聚合度在2000以上。

31. 第三节纤维素纤维的超分子结构 一、纤维素纤维单元晶胞模型 二、纤维素的聚集态结构

32. 一、纤维素纤维单元晶胞模型 • 单斜晶系(monoclinic system) • 该晶系无高次对称轴，二次对称轴和对称面都不多于一个。 • 晶体以唯一一个二次轴或对称面法线为b轴。 • b轴和a轴、C轴均正交，a轴，c轴斜交。α=γ=90o，β≠90o；a≠b≠c。 • 折射率有3个，其中仅有一个主折射率方向和b轴重合。

33. 一、纤维素纤维单元晶胞模型 • 晶型：单斜晶系 • b轴与a轴、c轴正交，a轴与c轴斜交，a轴与c轴的夹角β约为840 a=0.835nm b=1.03nm c=0.79nm β=84o • 纤维素分子链沿b轴排列，以两个葡萄糖剩基长（1.03nm）为纤维轴向的恒等周期; • 每一个晶胞包括四个葡萄糖剩基（中间一个+4个边各2/4）。 • 中心的分子链与四个角上的分子链，在纤维轴向上相差半个葡萄糖剩基，且方向相反。整体看，纤维素中半数的分子链与另一半分子链排列方向恰巧相反。 • 结晶度 • 天然棉纤维70%，麻90%、粘胶纤维30%-40% • 取向度 • 螺旋角越小，聚向度越高。棉螺旋角为20o~35o，麻为6~8o，粘胶为34o • 麻纤维：聚合度高，结晶度高，取向度高 • 棉纤维：聚合度高，结晶度高，取向度较高 • 粘胶纤维：聚合度低，结晶度低，取向度低

34. 二、纤维素的聚集态结构 • 缨状微胞结构：粘胶纤维，结晶度低 • 缨状原纤结构：棉、麻，结晶度高 • 区别 • 缨状微胞结构有较短的结晶区 • 缨状原纤结构具有长的结晶区 • 两者关系 • 可互为极限

35. 第四节 纤维素纤维的主要物理-机械性能 一、断裂强度和断裂伸长率 二、初始模量 三、应力—应变曲线 四、弹性

37. 一、纤维素纤维的断裂强度和断裂伸长率 1、断裂强度 • 是指纤维具有能承受一定外力的拉伸作用而不致断裂的性质。

38. 1、断裂强度 • 常用以下几种表示方式： （1）绝对强力P • 纤维材料受外力直接拉伸至断裂时所需的力。单位：牛顿，厘牛顿或kg、g。没有可比性。 （2）断裂应力或抗张强度σ • 纤维受拉伸作用而发生断裂时，单位面积所承受的力。单位：牛顿/毫米2，厘牛/毫米2或kg/mm2。σ=P/s

39. 1、断裂强度 （3） 相对强度PD或PT 纤维的绝对强度与纤度之比。单位：g/旦，厘牛/分特，g/tex PD=P/Nden PT=P/Ntex （4）断裂长度LR • 纤维一端固定，另一商向下悬垂并不断延长，纤维由于其自身重量而断裂时的长度，称为断裂强度。即当纤维自身的重量与其绝对强力相等时纤维的长度。单位：千米。通过测定绝对强力折算出来。 （1000×LR）g=P g为纤维单位长度的重量(g/m) LR=P/1000g=PNm/1000 1/g为纤维单位重量的长度(m/g)即Nm(单位重量的纤维或纱线所具有的长度) • （针织物：钩接强度；渔网：打结强度）

40. 1、断裂强度 • 纤维强度的测定 • 恒温恒温条件下（20℃，RH=65%）。测前平衡24小时，测得干强度。 • 在湿态下测定的强度称为湿强度。 • 棉、麻：湿强度>干强度 • 粘胶纤维、羊毛：湿强度<干强度 • 合成纤维：几乎相等

41. 1、断裂强度 • 断裂机理：克服分子内的化学键和分子链间的作用力。 • 1、纤维大分子链排列方向平行于受力方向，纤维断裂时可能是化学键的断裂或分子链的相对滑脱（图1、2） • 图1：必须破坏所有大分子链——理论强度15×105N/cm2，实际不可能 • 图2：必须使分子链间的氢键和范德华力全部破坏——不可能 • 纤维大分子链排列方向垂直于受力方向，纤维断裂时由部分氢键或范德华力的破坏引起的。（图3） • 图3：破坏部分氢键或范德华力，其理论强度与实际测定的强度同数量级。 • 纤维的实际强度比理论强度低得多，主要是取向不理想，总有未取向部分，而且结构中还存在薄弱环节，如细微裂缝和空洞。纤维的断裂从这些部分开始，向其它部位扩展，使少量取向的分子链被拉断，导致分子链间相对滑移断裂。

42. 1、断裂强度 • 影响纤维断裂强度的因素 • 化学结构：存在极性基团，分子间作用力大，强度高 • 分子量：分子量低时，以分子链滑移为主，强度较低；分子量高时，次价键力总和超过主价键力，断裂以大分子链断裂为主。 • 结晶度：高，强度高。结晶限制大分子链的相对移动 • 取向度：高，有利于应力的均匀分布，强度高。

43. 1、断裂强度 • 棉、麻 • 聚合度高、结晶取向高，分子间次价力总和大于主价键力，它的断裂，首先破坏缺口和弱点部分，缺口逐渐扩大，分子链拉断，导致纤维断裂。 • 湿强度》干强度，因为水具有增塑作用，消除纤维中的弱点，使应力均匀，强度增大。 • 粘胶纤维 • 聚合度低，结晶取向低，次价力总和小于主价键力，容易因分子链间的相对滑移使纤维断裂。 • 湿强度《干强度，水分子溶胀作用，削弱分子间力，更易发生相对滑移。

44. 2、纤维断裂延伸度 • 纤维断裂时的长度与原来长度之差称为断裂伸长。 • 断裂伸长与原来长度之比的百分数称为断裂延伸度。 • 反映纤维的柔韧性。断裂延伸度大在纺织加工和使用过程中，对所受外力有缓冲作用。 • 与化学结构、物理结构有关。一般结晶度聚向度高，强度高，但断裂延伸度却低。

45. 二、初始模量 • 应力与应变之比称为模量，纤维的初妈模量为应力-应变曲线起始一段直线的斜率，通常以1%时的应力作为初始模量，单位为g/旦、g/tex、kg/mm2。 • 初始模量表示纤维在外力作用下变形的难易程度，反映纤维的刚性。 • 大：刚性大、抗皱性发，穿着挺括——工业用 • 小：易变形、手感柔软——民用 • 决定于大分子结构及分子间的引力。 • 柔顺性高，初始模量小，取向结晶高，初始模量大

46. 三、应力—应变曲线 • 反映纤维在承受拉伸负荷直到断裂的全过程中应力和应变的变化关系。 • 从曲线上可得到一系列重要指标，如：断裂强度、断裂延伸度、初妈模量、断裂功等。 • 麻：初始模量高，断裂强度高，但伸长和断裂功低，表现：硬而脆 • 粘纤：初始模量、断裂强度、断裂功低，伸长中等，表现：软而弱 • 棉：介于二者之间，表现：硬而强 • 羊毛：初始模量小，延伸度大，断裂强度低，断裂功不低，表现：软而韧 • 蚕丝：初始模量、断裂强度较羊毛高，延伸度较羊毛低，断裂功大，表现：硬而韧 • 锦纶：高强、高延伸、低模，断裂功大，表现：柔软而韧 • 涤纶：高强、高延伸、高模，断裂功大表现：硬而韧

47. 三、应力—应变曲线

48. 四、弹性 • 弹性是指纤维从形变中回复原状的能力。 • 条件：20℃，相对湿度65%。 • 形变包括 • 普弹形变 • 高弹形变 • 塑性形变 • 实际分为可复弹性形变（急弹性形变和缓弹性形变）和不可复弹性形变

49. 四、弹性 表征方法： 1、一次负荷的回弹性——形变回复率 • 回复的伸长与总伸长之比的百分数。

50. 四、弹性