纤维化学与物理第一章1

纤维化学与物理

ChemistryandPhysicsoffiberMaterialsDivisionofDyeingandFinishingBeijingInstituteofclothingTechnologyPreface一、染整在纺织工业中的地位和作用印染布Fabric按色彩分类：二、染整加工基本工序及印染产品按用途分类：普通布特种布：防水、防火、抗菌、抗静电 印花布染色布漂白布坯布——练漂——染色——整理

坯布——练漂——印花——整理坯布——练漂——整理

ScouringandbleachingDyeingPrintingFinishing三、有关染整加工的几个基本问题染整加工的对象染整加工的目的染整加工的方法染整加工的工具Fabrics1.染整加工的对象——YarnsFibres棉毛涤纶…纤维的结构和性质高分子化合物高分子物理高分子化学NaturalFibresChemicalFibres2.染整加工的目的——

生产各种符合人们需要的纺织品美观：色彩图案光泽平挺┄舒适：柔软吸湿轻便┄特殊功能：防水防油阻燃抗菌┄3.染整加工的方法——化学物理加工物理方法：湿、热、拉力、压力、摩擦力┄化学方法：酸、碱、氧化剂、还原剂┄表面活性剂染料特殊或专用药剂4.染整加工的工具——染整设备按用途分类练漂设备染色设备印花设备整理设备按加工对象分类棉型织物染整设备毛织物染整设备机织物染整设备…按操作方式分类连续间歇按织物状态分类平幅绳状4.染整加工的工具——染整设备按用途分类练漂设备染色设备印花设备整理设备按加工对象分类棉型织物染整设备毛织物染整设备机织物染整设备…按操作方式分类连续间歇按织物状态分类平幅绳状四、本课程的目的和任务目的 纤维化学与物理是轻化工程专业的专业基础课，它为学生专业课的学习和将来从事染整专业工作奠定了基础。任务掌握常用的纺织纤维（棉、麻、粘胶、涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、羊毛、蚕丝）的组成、结构、物理性质与化学性能。具有将纤维的结构与性能联系起来进行综合分析的能力了解纤维工业的新动向。具有正确的分析纤维、使用纤维和加工纤维的基本知识和能力。五、本课程内容要点纤维的性质化学性质物理性质力学性能热性能溶液性质…结构决定性质性质反应结构酸碱氧化剂…纤维的结构大分子结构形态结构聚集态结构Bibliography蔡再生.纤维化学与物理.中国纺织出版社侯永善.染整工艺学.中国纺织出版社陶乃杰.染整工程.中国纺织出版社陈运能.新型纺织原料.中国纺织出版社周晓沧.新合成纤维材料及其制造.中国纺织出版社任冀澧.染整材料化学.中国纺织出版社宋心远.新合纤染整.中国纺织出版社F.Sadov.ChemicalTechnologyofFibrousMaterials第一章纤维素纤维的结构和性能本章内容：棉和麻纤维的形态结构纤维素的分子结构及有关问题棉纤维超分子（微）结构纤维素纤维的主要物理-机械性能纤维素的主要化学性质粘胶纤维本章要点：缩醛化反应和缩醛化合物的性质纤维素的大分子结构、纤维素纤维的形态结构和超分子结构纤维素纤维的各项物理机械性能和化学性质纤维的结构与性能的关系CelluloseFiberCottonBastFiberRayon第一节棉和麻纤维的形态结构一、棉纤维的组成和形态结构（一）棉纤维的生长1.分类陆地棉（细绒棉）海岛棉亚洲棉（中棉或粗绒棉）非洲棉生长环境对棉纤维的质量影响很大长度越长，细度越细，品质越好MorphologicalStructure2.棉纤维的生长阶段（1）延长生长阶段生长期：15-25天形态：薄壁圆形小管内部充满原生质（2）胞壁增厚阶段生长期：30-50天形态：胞壁增厚胞腔缩小原生质转变为纤维素（1）延长生长阶段（2）胞壁增厚阶段2.棉纤维的生长阶段（3）成熟收缩阶段脱水收缩纵向扭曲圆形变成腰子形（二）棉纤维的形态结构1.棉纤维的横截面初生胞壁次生胞壁胞腔较薄的初生胞壁较厚的次生胞壁（棉纤维主体）中空的胞腔腰子形或耳状MorphologicalStructureCrossSectionPrimaryCellWallSecondaryCellWallLumen（二）棉纤维的形态结构2.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1.棉纤维的横截面MorphologicalStructureCrossSectionLongitudinalConfiguration3.棉纤维形态结构模型角皮层：Cuticle作用：保护棉纤维组成：油腊和果胶形态：极薄的薄膜初生胞壁：PrimaryCellWall作用：延长生长阶段形成，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：溶胀小存在证明：串珠状溶胀现象在精练、漂白过程中被破坏或去除Bead-likeSwelling3.棉纤维形态结构模型角皮层：Cuticle初生胞壁：PrimaryCellWall次生胞壁：SecondaryCellWall作用：棉纤维的主体，占90%，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）原纤取向：螺旋状，分三层3.棉纤维形态结构模型角皮层：Cuticle初生胞壁：PrimaryCellWall

胞腔：Lumen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，品质越好次生胞壁：SecondaryCellWall（三）棉纤维组成CompositionWaxysubstanceOrganicAcidPectinSubstanceNitrogenousmatterPectinSubstanceAshPolyoses二、麻纤维的组成和形态结构韧皮纤维BastFibres麻纤维种类亚麻Flax苎麻Ramie大麻Hemp黄麻Jute洋麻Kenaf剑麻Sisal马尼拉麻Abaca二、麻纤维的组成和形态结构苎麻纤维组成CompositionofRamie第二节纤维素和淀粉的分子结构及有关问题一、纤维素分子结构的重要性纤维素纤维的主要成分决定纤维素纤维的化学性质影响纤维素纤维的机械物理性能纤维素纤维染整加工的依据二、纤维素的基本结构分子式：(C6H10O5)n水解-H2O(C6H10O5)n纤维素nC6H12O6β-D-葡萄糖完全水解产物：molecularformulahydrolyzeMolecularStructureofCellulose纤维素大分子链示意结构描述多糖类（碳水化合物）高分子化合物由β-d-葡萄糖剩基彼此以1,4甙键连结而成结构式：(p124)HHHOHOHOHCH2OHOHOHHHOHOCH2OHOHHHHOHOHCH2OHOHOHHHOHCH2OHOHOHOHOHHHHPolyosesCarbohydrateβ-d-GlucoseGlucosidicLinkageStructuralFormula三、缩醛化反应与d-葡萄糖的环氧式1.缩醛化反应半缩醛化合物全缩醛化合物同碳原子上的二元醇生成的醚对比：醚半缩醛羟基可继续反应醛醇HCl可逆反应AcetalationAldehyde,Alcohol,Acetal,Ether性质Property缩醛化合物：耐碱不耐酸，稳定性较差醚：耐碱也耐酸，稳定性较好3.d-葡萄糖的环氧式d-葡萄糖葡萄糖中有醛也有醇可进行内部缩醛化反应，形成环状最稳定的环是六元环醚

Ether缩醛

Acetal醚键缩醛键

2.缩醛化合物与醚的区别结构Structure葡萄糖的环氧式是半缩醛化合物甙键(glucosidiclinkages)=缩醛键(acetalbond)甙羟基=半缩醛羟基：可进一步发生全缩醛化反应

也可开环，恢复原来的醛基（潜在醛基）α-d-葡萄糖生成淀粉Amylumβ-d-葡萄糖生成纤维素Cellulose同侧异侧甙键甙羟基四、纤维素的立体结构4141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羟基甙羟基甙键四、纤维素的立体结构4141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羟基甙羟基甙键四、纤维素的立体结构1.阶梯式（主要存在于无定形区）AmorphousSection414141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羟基甙羟基甙键414141四、纤维素的立体结构1.阶梯式（主要存在于无定形区）AmorphousRegion

2.相邻葡萄糖环倒置(组成结晶区)CrystallineRegion4141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羟基甙羟基甙键14414114四、纤维素的立体结构1.阶梯式（主要存在于无定形区）AmorphousRegion

2.相邻葡萄糖环倒置(组成结晶区)CrystallineRegion14414114HHHOHOHOHCH2OHOHOHHHOHOCH2OHOHHHHOHOHCH2OHOHOHHHOHCH2OHOHOHOHOHHHH甙键五、纤维素大分子特征1.由

-d-葡萄糖剩基通过1,4-甙键连接而成，含大量甙键(缩醛性质)。2.相邻葡萄糖环倒置，在纤维素大分子上对称分布，形成晶格；无定形区可以有阶梯式。3.重复单元数不等于聚合度（以倒置式代表纤维素的结构式）DP=n重复单元数=（n-2)/24.含有大量羟基，可发生醇类的反应。分子间可形成氢键。仲羟基伯羟基甙羟基(潜在醛基)左端31中间21右端2115.聚合度 棉 麻 粘胶 >10,000>10,000 250~500五、纤维素大分子特征1.由

-d-葡萄糖剩基通过1,4-甙键连接而成，含大量甙键(缩醛性质)。2.相邻葡萄糖环倒置，在纤维素大分子上对称分布，形成晶格；无定形区可以有阶梯式。3.重复单元数不等于聚合度（以倒置式代表纤维素的结构式）DP=n重复单元数=（n-2)/24.含有大量羟基，可发生醇类的反应。分子间可形成氢键。仲羟基伯羟基甙羟基(潜在醛基)左端31中间21右端2115.聚合度 棉 麻 粘胶 >10,000 >10,000 250~500PrimaryAlcoholHydroxylSecondaryAlcoholHydroxylLatentAldehydeGroupPolymerizationFactor第四节纤维素纤维超分子结构纤维素纤维是含有结晶的高分子材料一、纤维素纤维单元晶胞1.晶型：纤维素Ⅰ单斜晶系存在于天然纤维中纤维素Ⅱ单斜晶系存在于丝光棉和再生纤维中2.晶胞参数指标纤维素Ⅰ（范围：Å）纤维素Ⅱ（范围：Å）a8.17~8.287.88~8.05b10.310.3c7.85~7.969.09~9.38β81.7o~83.6o61.8o~63.2ohypermolecularstructure3.天然纤维素纤维单元晶胞模型UnitCell/StructureCell晶胞说明：一个晶胞有5条纤维素大分子链穿过，四条向上，一条向下。每边两个糖环，中间0.5+1+0.5，即错开半位。糖环平面与a轴平行b轴与大分子链平行，为共价键a轴上大分子链间可以由氢键相连c轴上大分子链间主要是范德华力a轴与c轴的夹角β约为84o4.纤维素Ⅰ与纤维素Ⅱ结构的差异b轴不变a轴变化小c轴变化大β角改变糖环扭转 不再与a轴平行纤维素Ⅰ纤维素Ⅱ二、晶态结构模型和理论1.边缘（樱状）微胞模型和理论（p79页）两相结构：结晶部分(晶区)：具有三维有序的规则排列非结晶部分(无定形区)：大分子链无规卷曲和相互缠结结晶的岛屿被非晶的海洋所包围樱状结构：晶区的分子链是伸直的，规则的，紧密的无定形区的分子链是无规卷曲的，疏松的两相不能截然分开，是逐渐过渡的，同一根分子链可同时穿越晶区和非晶区。微胞结构：每一个结晶体都很小，其长度比大分子的长度小得多有缺陷的结晶：晶体中含有缺陷，是不完整的结晶适用范围：

再生纤维素纤维

AmorphousRegionCrystallineRegionRegeneratedCelluloseFiberFringedMicelleStructure2.边缘（樱状）原纤模型和理论结晶相连续，形成较大的结晶体——原纤，组成晶区原纤之间由一些大分子联结起来形成了无定形区适用范围：天然纤维素纤维

原纤是纤维的结构单元纤维是原纤的网状组织结构单元种类：分子晶胞微胞微原纤原纤<<<UnitCellMicelleMicr