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染整技術(shù)基本知識培訓(xùn)之纖維素纖維基本知識

2011-02-21

染整技術(shù)基本知識培訓(xùn)之纖維素纖維基本知識

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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?；舜艘?，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)式中有以下幾個特點：（1）纖維素分子中的葡萄糖?；ú话▋啥说模┥嫌腥齻€自由存在的羥基，其中2，3位上是兩個仲醇基，6位上是一個伯羥基，它們具有一般羥基的特性；（2）在左端的葡萄糖?；隙己兴膫€自由存在的羥基，但實際上在右端的?；泻幸粋€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?；能真I有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。例如：強無機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?；系娜齻€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)下進行化學(xué)反應(yīng)時，具有不均一的特征，染整加工中所進行的化學(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)過一定時間后則纖維的吸濕率回增加到一定值，建立起動態(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，則纖維的吸濕率會逐漸減小，直到建立起動態(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)系到纖維的真實重量，而且對纖維的很多性質(zhì)，都會產(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。纖維吸濕時伴隨發(fā)生體積增大的溶脹（或膨化）現(xiàn)象。纖維在溶脹時，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)域中的分子鏈段運動范圍增大，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)多少有一點溶解度，但實際并不如此，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?；赜盟醽硖幚砜椢?，例如漂白后的酸洗等。用酸時，必須對濃度、溫度和時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，否則便會引起纖維損傷，導(dǎo)致強度降低。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。實踐證明，在其它條件相同時（例如酸的濃度、處理的時間和溫度），強的無機酸如硫酸、鹽酸等作用劇烈，磷酸較弱，硼酸更弱；至于有機酸即便是強的，蟻酸以及醋酸等的作用也還是比較緩和的。在使用強無機酸時，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，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，纖維素水解速率比酸濃度增大的速率為快；（3）時間：在其它條件相同的情況下，纖維素水解程度與時間成正比。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，纖維強度要降低25%，若處理溫度比較低，時間比較短，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，就不致使纖維強度發(fā)生明顯下降。總之，在染整加工中使用強無機酸時，應(yīng)給以足夠重視，特別要避免在帶酸的情況下進行干燥，否則將會產(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)然進一步被氧化后也是會發(fā)生的），只是葡萄糖環(huán)發(fā)生破裂，理論上，纖維的強度和纖維素銅氨溶液的粘度應(yīng)顯著下降，而實際強度變化不大，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?？蓽y定纖維或制品強度來加以表明。但應(yīng)當(dāng)清楚，纖維強度的降低，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行織物的處理和加工。例如用稀堿液進行棉布的退漿、煮練，用濃燒堿液進行絲光，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，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，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間與空氣接觸，以免纖維素受損。利用濃燒堿（大約18~25%）進行棉布或滌棉混紡織物的絲光，是棉布印染廠中的一個重要工序，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：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械性能獲得較大改善和更適合于進行樹脂整理的原因。
5、其他的化學(xué)作用從化學(xué)的觀點可以將纖維素看作是多元醇，它能進行一系列醇所能進行的化學(xué)反應(yīng)。因此就可利用這一特性進行棉織物的化學(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)，可對纖維進行防皺整理等。

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