纖維化學(xué)與物理第一章1

纖維化學(xué)與物理

ChemistryandPhysicsoffiberMaterialsDivisionofDyeingandFinishingBeijingInstituteofclothingTechnologyPreface一、染整在紡織工業(yè)中的地位和作用印染布Fabric按色彩分類：二、染整加工基本工序及印染產(chǎn)品按用途分類：普通布特種布：防水、防火、抗菌、抗靜電 印花布染色布漂白布坯布——練漂——染色——整理

坯布——練漂——印花——整理坯布——練漂——整理

ScouringandbleachingDyeingPrintingFinishing三、有關(guān)染整加工的幾個(gè)基本問題染整加工的對(duì)象染整加工的目的染整加工的方法染整加工的工具Fabrics1.染整加工的對(duì)象——YarnsFibres棉毛滌綸…纖維的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)高分子化合物高分子物理高分子化學(xué)NaturalFibresChemicalFibres2.染整加工的目的——

生產(chǎn)各種符合人們需要的紡織品美觀：色彩圖案光澤平挺┄舒適：柔軟吸濕輕便┄特殊功能：防水防油阻燃抗菌┄3.染整加工的方法——化學(xué)物理加工物理方法：濕、熱、拉力、壓力、摩擦力┄化學(xué)方法：酸、堿、氧化劑、還原劑┄表面活性劑染料特殊或?qū)Ｓ盟巹?.染整加工的工具——染整設(shè)備按用途分類練漂設(shè)備染色設(shè)備印花設(shè)備整理設(shè)備按加工對(duì)象分類棉型織物染整設(shè)備毛織物染整設(shè)備機(jī)織物染整設(shè)備…按操作方式分類連續(xù)間歇按織物狀態(tài)分類平幅繩狀4.染整加工的工具——染整設(shè)備按用途分類練漂設(shè)備染色設(shè)備印花設(shè)備整理設(shè)備按加工對(duì)象分類棉型織物染整設(shè)備毛織物染整設(shè)備機(jī)織物染整設(shè)備…按操作方式分類連續(xù)間歇按織物狀態(tài)分類平幅繩狀四、本課程的目的和任務(wù)目的 纖維化學(xué)與物理是輕化工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它為學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)和將來從事染整專業(yè)工作奠定了基礎(chǔ)。任務(wù)掌握常用的紡織纖維（棉、麻、粘膠、滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、維綸、羊毛、蠶絲）的組成、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)與化學(xué)性能。具有將纖維的結(jié)構(gòu)與性能聯(lián)系起來進(jìn)行綜合分析的能力了解纖維工業(yè)的新動(dòng)向。具有正確的分析纖維、使用纖維和加工纖維的基本知識(shí)和能力。五、本課程內(nèi)容要點(diǎn)纖維的性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性能熱性能溶液性質(zhì)…結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)性質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)酸堿氧化劑…纖維的結(jié)構(gòu)大分子結(jié)構(gòu)形態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)Bibliography蔡再生.纖維化學(xué)與物理.中國紡織出版社侯永善.染整工藝學(xué).中國紡織出版社陶乃杰.染整工程.中國紡織出版社陳運(yùn)能.新型紡織原料.中國紡織出版社周曉滄.新合成纖維材料及其制造.中國紡織出版社任冀澧.染整材料化學(xué).中國紡織出版社宋心遠(yuǎn).新合纖染整.中國紡織出版社F.Sadov.ChemicalTechnologyofFibrousMaterials第一章纖維素纖維的結(jié)構(gòu)和性能本章內(nèi)容：棉和麻纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)纖維素的分子結(jié)構(gòu)及有關(guān)問題棉纖維超分子（微）結(jié)構(gòu)纖維素纖維的主要物理-機(jī)械性能纖維素的主要化學(xué)性質(zhì)粘膠纖維本章要點(diǎn)：縮醛化反應(yīng)和縮醛化合物的性質(zhì)纖維素的大分子結(jié)構(gòu)、纖維素纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)纖維素纖維的各項(xiàng)物理機(jī)械性能和化學(xué)性質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系CelluloseFiberCottonBastFiberRayon第一節(jié)棉和麻纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、棉纖維的組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）棉纖維的生長1.分類陸地棉（細(xì)絨棉）海島棉亞洲棉（中棉或粗絨棉）非洲棉生長環(huán)境對(duì)棉纖維的質(zhì)量影響很大長度越長，細(xì)度越細(xì)，品質(zhì)越好MorphologicalStructure2.棉纖維的生長階段（1）延長生長階段生長期：15-25天形態(tài)：薄壁圓形小管內(nèi)部充滿原生質(zhì)（2）胞壁增厚階段生長期：30-50天形態(tài)：胞壁增厚胞腔縮小原生質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素（1）延長生長階段（2）胞壁增厚階段2.棉纖維的生長階段（3）成熟收縮階段脫水收縮縱向扭曲圓形變成腰子形（二）棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.棉纖維的橫截面初生胞壁次生胞壁胞腔較薄的初生胞壁較厚的次生胞壁（棉纖維主體）中空的胞腔腰子形或耳狀MorphologicalStructureCrossSectionPrimaryCellWallSecondaryCellWallLumen（二）棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)2.棉纖維的縱向形態(tài)扁平帶狀有天然扭曲6-10捻/毫米纖維越細(xì)，捻數(shù)越多1.棉纖維的橫截面MorphologicalStructureCrossSectionLongitudinalConfiguration3.棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)模型角皮層：Cuticle作用：保護(hù)棉纖維組成：油臘和果膠形態(tài)：極薄的薄膜初生胞壁：PrimaryCellWall作用：延長生長階段形成，內(nèi)裝原生質(zhì)組成：主體是纖維素，但含較多雜質(zhì)形態(tài)：管狀薄壁，取向度低特性：溶脹小存在證明：串珠狀溶脹現(xiàn)象在精練、漂白過程中被破壞或去除Bead-likeSwelling3.棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)模型角皮層：Cuticle初生胞壁：PrimaryCellWall次生胞壁：SecondaryCellWall作用：棉纖維的主體，占90%，決定棉纖維主要性質(zhì)組成：主要是纖維素形態(tài)：縱向：原纖網(wǎng)狀組織橫向：日輪（25~40層）原纖取向：螺旋狀，分三層3.棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)模型角皮層：Cuticle初生胞壁：PrimaryCellWall

胞腔：Lumen形態(tài)：中空組成：原生質(zhì)殘?jiān)ǔ练e在纖維內(nèi)壁上）蛋白質(zhì)，礦物鹽，色素，…特性：不易染色，強(qiáng)度低棉纖維成熟度越高，胞腔越小，品質(zhì)越好次生胞壁：SecondaryCellWall（三）棉纖維組成CompositionWaxysubstanceOrganicAcidPectinSubstanceNitrogenousmatterPectinSubstanceAshPolyoses二、麻纖維的組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)韌皮纖維BastFibres麻纖維種類亞麻Flax苧麻Ramie大麻Hemp黃麻Jute洋麻Kenaf劍麻Sisal馬尼拉麻Abaca二、麻纖維的組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)苧麻纖維組成CompositionofRamie第二節(jié)纖維素和淀粉的分子結(jié)構(gòu)及有關(guān)問題一、纖維素分子結(jié)構(gòu)的重要性纖維素纖維的主要成分決定纖維素纖維的化學(xué)性質(zhì)影響纖維素纖維的機(jī)械物理性能纖維素纖維染整加工的依據(jù)二、纖維素的基本結(jié)構(gòu)分子式：(C6H10O5)n水解-H2O(C6H10O5)n纖維素nC6H12O6β-D-葡萄糖完全水解產(chǎn)物：molecularformulahydrolyzeMolecularStructureofCellulose纖維素大分子鏈?zhǔn)疽饨Y(jié)構(gòu)描述多糖類（碳水化合物）高分子化合物由β-d-葡萄糖剩基彼此以1,4甙鍵連結(jié)而成結(jié)構(gòu)式：(p124)HHHOHOHOHCH2OHOHOHHHOHOCH2OHOHHHHOHOHCH2OHOHOHHHOHCH2OHOHOHOHOHHHHPolyosesCarbohydrateβ-d-GlucoseGlucosidicLinkageStructuralFormula三、縮醛化反應(yīng)與d-葡萄糖的環(huán)氧式1.縮醛化反應(yīng)半縮醛化合物全縮醛化合物同碳原子上的二元醇生成的醚對(duì)比：醚半縮醛羥基可繼續(xù)反應(yīng)醛醇HCl可逆反應(yīng)AcetalationAldehyde,Alcohol,Acetal,Ether性質(zhì)Property縮醛化合物：耐堿不耐酸，穩(wěn)定性較差醚：耐堿也耐酸，穩(wěn)定性較好3.d-葡萄糖的環(huán)氧式d-葡萄糖葡萄糖中有醛也有醇可進(jìn)行內(nèi)部縮醛化反應(yīng)，形成環(huán)狀最穩(wěn)定的環(huán)是六元環(huán)醚

Ether縮醛

Acetal醚鍵縮醛鍵

2.縮醛化合物與醚的區(qū)別結(jié)構(gòu)Structure葡萄糖的環(huán)氧式是半縮醛化合物甙鍵(glucosidiclinkages)=縮醛鍵(acetalbond)甙羥基=半縮醛羥基：可進(jìn)一步發(fā)生全縮醛化反應(yīng)

也可開環(huán)，恢復(fù)原來的醛基（潛在醛基）α-d-葡萄糖生成淀粉Amylumβ-d-葡萄糖生成纖維素Cellulose同側(cè)異側(cè)甙鍵甙羥基四、纖維素的立體結(jié)構(gòu)4141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羥基甙羥基甙鍵四、纖維素的立體結(jié)構(gòu)4141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羥基甙羥基甙鍵四、纖維素的立體結(jié)構(gòu)1.階梯式（主要存在于無定形區(qū)）AmorphousSection414141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羥基甙羥基甙鍵414141四、纖維素的立體結(jié)構(gòu)1.階梯式（主要存在于無定形區(qū)）AmorphousRegion

2.相鄰葡萄糖環(huán)倒置(組成結(jié)晶區(qū))CrystallineRegion4141CH2OHHOHOHOHOHOHH14醇羥基甙羥基甙鍵14414114四、纖維素的立體結(jié)構(gòu)1.階梯式（主要存在于無定形區(qū)）AmorphousRegion

2.相鄰葡萄糖環(huán)倒置(組成結(jié)晶區(qū))CrystallineRegion14414114HHHOHOHOHCH2OHOHOHHHOHOCH2OHOHHHHOHOHCH2OHOHOHHHOHCH2OHOHOHOHOHHHH甙鍵五、纖維素大分子特征1.由

-d-葡萄糖?；ㄟ^1,4-甙鍵連接而成，含大量甙鍵(縮醛性質(zhì))。2.相鄰葡萄糖環(huán)倒置，在纖維素大分子上對(duì)稱分布，形成晶格；無定形區(qū)可以有階梯式。3.重復(fù)單元數(shù)不等于聚合度（以倒置式代表纖維素的結(jié)構(gòu)式）DP=n重復(fù)單元數(shù)=（n-2)/24.含有大量羥基，可發(fā)生醇類的反應(yīng)。分子間可形成氫鍵。仲羥基伯羥基甙羥基(潛在醛基)左端31中間21右端2115.聚合度 棉 麻 粘膠 >10,000>10,000 250~500五、纖維素大分子特征1.由

-d-葡萄糖?；ㄟ^1,4-甙鍵連接而成，含大量甙鍵(縮醛性質(zhì))。2.相鄰葡萄糖環(huán)倒置，在纖維素大分子上對(duì)稱分布，形成晶格；無定形區(qū)可以有階梯式。3.重復(fù)單元數(shù)不等于聚合度（以倒置式代表纖維素的結(jié)構(gòu)式）DP=n重復(fù)單元數(shù)=（n-2)/24.含有大量羥基，可發(fā)生醇類的反應(yīng)。分子間可形成氫鍵。仲羥基伯羥基甙羥基(潛在醛基)左端31中間21右端2115.聚合度 棉 麻 粘膠 >10,000 >10,000 250~500PrimaryAlcoholHydroxylSecondaryAlcoholHydroxylLatentAldehydeGroupPolymerizationFactor第四節(jié)纖維素纖維超分子結(jié)構(gòu)纖維素纖維是含有結(jié)晶的高分子材料一、纖維素纖維單元晶胞1.晶型：纖維素Ⅰ單斜晶系存在于天然纖維中纖維素Ⅱ單斜晶系存在于絲光棉和再生纖維中2.晶胞參數(shù)指標(biāo)纖維素Ⅰ（范圍：?）纖維素Ⅱ（范圍：?）a8.17~8.287.88~8.05b10.310.3c7.85~7.969.09~9.38β81.7o~83.6o61.8o~63.2ohypermolecularstructure3.天然纖維素纖維單元晶胞模型UnitCell/StructureCell晶胞說明：一個(gè)晶胞有5條纖維素大分子鏈穿過，四條向上，一條向下。每邊兩個(gè)糖環(huán)，中間0.5+1+0.5，即錯(cuò)開半位。糖環(huán)平面與a軸平行b軸與大分子鏈平行，為共價(jià)鍵a軸上大分子鏈間可以由氫鍵相連c軸上大分子鏈間主要是范德華力a軸與c軸的夾角β約為84o4.纖維素Ⅰ與纖維素Ⅱ結(jié)構(gòu)的差異b軸不變a軸變化小c軸變化大β角改變糖環(huán)扭轉(zhuǎn) 不再與a軸平行纖維素Ⅰ纖維素Ⅱ二、晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型和理論1.邊緣（櫻狀）微胞模型和理論（p79頁）兩相結(jié)構(gòu)：結(jié)晶部分(晶區(qū))：具有三維有序的規(guī)則排列非結(jié)晶部分(無定形區(qū))：大分子鏈無規(guī)卷曲和相互纏結(jié)結(jié)晶的島嶼被非晶的海洋所包圍櫻狀結(jié)構(gòu)：晶區(qū)的分子鏈?zhǔn)巧熘钡?，?guī)則的，緊密的無定形區(qū)的分子鏈?zhǔn)菬o規(guī)卷曲的，疏松的兩相不能截然分開，是逐漸過渡的，同一根分子鏈可同時(shí)穿越晶區(qū)和非晶區(qū)。微胞結(jié)構(gòu)：每一個(gè)結(jié)晶體都很小，其長度比大分子的長度小得多有缺陷的結(jié)晶：晶體中含有缺陷，是不完整的結(jié)晶適用范圍：

再生纖維素纖維

AmorphousRegionCrystallineRegionRegeneratedCelluloseFiberFringedMicelleStructure2.邊緣（櫻狀）原纖模型和理論結(jié)晶相連續(xù)，形成較大的結(jié)晶體——原纖，組成晶區(qū)原纖之間由一些大分子聯(lián)結(jié)起來形成了無定形區(qū)適用范圍：天然纖維素纖維

原纖是纖維的結(jié)構(gòu)單元纖維是原纖的網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)單元種類：分子晶胞微胞微原纖原纖<<<UnitCellMicelleMicr