2.1 再生纤维素纤维

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⒊禾本科植物纤维 包括竹、芦苇、麦秆、甘蔗渣、高粱杆 、玉米杆和棉杆等。目前,我国已将甘蔗 渣、竹子浆粕用作粘胶纤维的原料。
二、纤维素的结构与性能 1、结构 (1)结构式:由β -D-葡萄糖剩基彼此以1,4苷键联结而成
H OH OH H H H O CH2OH O
3 2
OH H H
4
CH2OH
5
(3)纤维素分子链刚柔性:刚性
a.主链含六元杂环,难以绕单键内旋转。
b.相邻两个葡萄糖剩基相互倒置,大分子对称 性良好,结构规整,具有较高的结晶性能。 c.大分子含有大量的羟基,大分子间可以形成 大量的氢键。
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(4)纤维素大分子的聚集态结构
聚集态结构(超分子结构):具有一定构象
的大分子链通过分子链间的作用力而相互排 列、堆砌而成的结构。 纤维的超分子结构是在天然纤维的生长过程 或化学纤维的纺丝成形及后加工过程中形成 的。 纤维素的聚集态结构和其它固体高聚物一样 ,是十分复杂的。
磨、湿强低、不宜机洗。
第二节 生产纤维素纤维的基本原料
一、植物纤维的原料及其化学成分
纤维素浆粕是生产纤维素纤维的原料,植物纤 维是制造纤维素浆粕的原料。 植物纤维是植物的一种中空细长形态的细胞……
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⒈木材纤维 针叶木是制造纤维素纤维的优质原料 阔叶木也可以
⒉棉纤维 棉短绒(附着在棉籽壳上的短纤维)是 制造纤维素纤维的优质原料。
短 纤
绣 花 线
8
有光长丝
半光长丝
9
2、粘胶纤维的性能
形态结构: 纵向:平直的柱体。
截面:不规则的锯齿状,有皮芯层结构。
10
皮芯层结构:截面结构不均一。 皮层:结构紧密、结晶度及取向度较高、染色较困 难。 芯层:结构较疏松,结晶度、取向度低,染料上染 量较高。
化学结构 基本组成物质:纤维素,同棉和麻,羧基和醛基含 量较高。 聚合度:较低,只有250~350。 结晶度:较低,30~40%。 取向度:较低,跟后处理拉伸有关,拉伸 ↑ ,取向 度 ↑。
2



三、再生纤维素纤维的生产方法
(1)粘胶法:粘胶纤维 (2)溶剂法:铜氨纤维;莱赛尔纤维;莫代尔纤 维。 (3)纤维素氨基甲酸酯法:纤维素氨基甲酸酯纤 维 (4)闪爆法:新纤维素纤维 (5)熔融增塑纺丝法:新纤维素纤维 目前,纤维素纤维的主要生产方法以粘胶纤维为 主,产量占90%以上。所以,主要介绍粘胶纤维。
纤维素的缨状原纤结构模型
2、纤维素的分类

纤维素纤维素不是一种均一的物质,而是一种不同分子量的混合物。在 工业上分为:—纤维素, —纤维素, —纤维素
根据纤维素在特定条件下在17.5%NaOH溶液中溶解度的不同分为:α-纤维素和半纤维素 α-纤维素:植物纤维素在特定的条件下不溶于20℃,17.5%NaOH溶液那部分纤维素; 半纤维素:浆粕在20℃,用17.5%NaOH溶液处理45min,溶解的那部分纤维素。 β纤维素:其中溶解部分中用醋酸中和又重新沉淀分离出来的那部分称β纤维素。 γ纤维素:不能沉淀出来的称γ纤维素。
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碱对纤维素的作用 ——纤维素+稀碱:稳定 ——纤维素+浓碱:碱纤维素;丝光。 纤维素的酯化反应 纤维素与各种无机酸和有机酸反应,生成酯化物 纤维素的醚化反应 纤维素与卤代烷、卤代羧酸作用生成纤维素醚
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三、纤维素的浆粕制造及质量要求:
1、浆粕的制造
除杂质 除非纤维素杂质 和提高浆粕的反 应能力 提高白度和 反应能力 提高纯度和 反应性能
纤维种类 麻 粘胶纤维拉伸/%
10 34º
80 25º
120 16º
β

主要性质
(1)吸湿性:是普通化纤中最好的(通常条件回潮率13%, 比棉好)。水中的膨化程度大,织物吸水后变厚实和粗糙, 织物的缩水率大。
(2)化学性质: 比棉活泼,对酸、碱、氧化剂较敏感,对碱
的稳定性<棉,能在浓碱作用下剧烈膨化以致溶解,染整加 工中应尽量少用浓碱。 (3)耐热性能:较好,在一定温度范围,甚至优于棉,如从 20℃升至100℃,断裂强度有所增加,而棉降低约26%。
23
D、左端(非还原端)葡萄糖剩基有4个自 由羟基,右端(还原端)葡萄剩基有3个 自由羟基及 1个苷羟基(潜在醛基),具 有还原性。大分子一端有还原性,另一 端没有,整个大分子具有极性并呈现方 苷羟基 潜在醛基情况 : CH OH 向性。 CH2OH
2
H
O OH H
H O H OH H
OH O H OH
(2)纤维素大分子化学结构特征
A、大分子链由β-D-葡萄糖剩基通过1,4-苷键连接而成, 含大量苷键(缩醛性质)。
B、相邻葡萄糖环倒置,大分子对称性良好,结构规整,
具有较高的结晶性能。
C、每个葡萄糖剩基(不包括两端)有3个自由羟基, 其中C2、C3仲醇基,C6伯醇基。具有醇羟基的特性。 分子间可形成氢键。

3Biblioteka Baidu
四、粘胶纤维概述 1、分类
4
20世纪30年代末期,出现了强力粘胶纤维; 50年代初期,高湿模量粘胶纤维实现了工业化; 60年代初期,粘胶纤维的发展达到高峰,产量占 化学纤维总产量的80%以上; 60年代中期以后,发展趋于平缓; 70年代,发展处于停滞状态(“三废”问题); 但仍具有不可忽视的地位—吸湿性好、透气性强 、染色性好、穿着舒适、易于纺织加工、可生物 降解。
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吸附性 纤维素对金属离子具有交换吸附能力。纤维素中含杂质如 木质素及半纤维素越多,其对金属离子的吸附能力越强。 纤维素对金属离子的交换吸附能力与溶液的pH值有关, pH值越高,交换吸附能力越强。 纤维素一般具有良好的对水或其它溶液的吸附性。吸附 性的强弱与纤维素的结构及毛细管作用有关。 热稳定性 纤维素在200℃以下热稳定性尚好;当温度高于200℃时 ,纤维素的表面性质发生变化,聚合度下降。影响纤维素裂 解的因素除温度和时间外,水分和空气的存在亦有很大关系 。
(4)耐日光性能: 强力↓,稍变黄。
略<天然纤维素纤维。长时间日光照射,
(5)染色性:和棉相似,凡棉能用的染料,粘胶均能使用且
得色鲜艳,但皮芯层结构,影响染料上染。

低温短时间:粘胶得色比棉浅且不均匀;
高温长时间:得色比棉深。
染色时染料选择:活性及直接染料,一般不用还原染料(价 格贵)。
服用性能
6
苷键 O
1 4
H
3
OH
2
CH2OH H
1
苷羟基 OH H
O H OH
H O n-2 2 H
O H OH 苷键 H OH
H OH H
OH H
5
H O
H
H
6
CH2OH
非还原端
纤维二糖(重复单元)
还原端
结构单元:葡萄糖残基
重复单元:纤维二糖
单元间的键合:1-4苷键
化学式(C6H10O5)n n为聚合度,棉和麻为10000~15000, 粘胶纤维为250~500 22
4、纤维素的化学性质
与大分子截短有关的反应:甙键断裂,纤维
素大分子截短,主要指水解反应。
与羟基有关的反应:试剂与葡萄糖基环中的
羟基发生反应,生成不同的纤维素衍生物。
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酸对纤维素的作用: 甙键→酸→水解作用→甙键发生断裂→聚合度↓ 氧化剂对纤维素的作用: 纤维素是多羟基化合物→氧化剂→分子链断裂→聚合度↓ ——伯羟基(-CH2OH)氧化成醛基(CHO),并可继续 氧化成羧基。 ——链末端环节中的还原性基团氧化成羧基。 ——葡萄糖酐环节中C(2)和C(3)上羟基氧化成醛基, 并可继续氧化成羧基 ——C(2)和C(3)上的羟基在环不破裂下氧化成一个 酮基或二个酮基。
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早期的微胞结构理论
纤维素分子聚集成微胞,每个微胞都有 严格整齐的界面,象砖块堆砌起来一样。 现代观点则认为这是不确切的。 缨状微胞结构和缨状原纤结构理论,是目 前普遍采用的结构观点。
纤维素结构存在两个相态:结晶区和无定形区。 高序部分—大分子致密、平行排列、定向良好。 无定形部分—致密度较小、大分子结合程度较弱 、有较大的空隙、分子链分布不完全平行。
第二章 再生纤维素纤维
一、纤维素来源
第一节 概述
每年可以产生几千亿吨,只有60亿吨被使用。 资源丰富,可以再生
二、历 史

1838年,法国科学家安斯姆佩恩(Anselme Payen)发现 大量植物细胞都具有相同的一种物质,并将其命名为纤维素 (Cellulose)。 1891年,克罗斯(Cross)、贝文(Bevan)和比德尔( Beadle)等首先制成了纤维素黄酸钠溶液,因其粘度很大 ,命名为“粘胶”。 1893年,出现最早制备化学纤维的方法(粘胶遇酸后,纤 维素又重新析出)。 1905年,穆勒(Mueller)等发明了稀硫酸和硫酸盐组成的 凝固浴,使粘胶纤维的性能得到了较大改善,从而实现了粘 胶纤维的工业化生产。
38
⑴备料 对制浆原料进行预处理。甘蔗渣要经过开松和除 髓,棉短绒要进行开松、除尘,木材要经过剥皮、除 节、切片等处理。
⑵蒸煮:植物原料经过预处理后与蒸煮药剂混合,在规定的温 度和压力下进行蒸煮成为浆料。

亚硫酸盐法—适用于结构紧密原料,如针叶木;
预水解硫酸盐法—适用于树脂和多缩戊糖含量高的原料,如阔叶树、甘 蔗渣等;
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O
H OH H R2
H OH
C
H
O OH C R1 H
E、主链上的苷键对酸较敏感,稀热酸、冷浓 酸都能导致苷键水解断裂,使纤维平均聚合 度下降。 F、主链上的苷键对碱的稳定性好,因此棉织 物可用烧碱退浆、煮练、丝光等加工。但粘 胶的聚合度小,湿强力低,不能用烧碱丝光。
1844年,英国化学家麦瑟(Mercer)在用 棉布过滤浓烧碱中的木屑时,发现棉布变 厚了,知道了浓烧碱可以使棉纤维溶胀的 性质。于1850年申请专利; 1890年洛尔 (Lower)在浓烧碱处理棉布时,发现施加 张力,可提高棉的光泽; 1895年,丝光 开始工业化,为了纪念麦瑟,将丝光整理 25 称为麦瑟处理(Mercerizing)。

苛性钠法—适用于棉短绒。
在蒸煮过程中,纤维细胞发生膨润,初生胞壁被破坏,
浆粕反应性能提高,大部分半纤维素及其他非纤维素混合物
得以除去,浆粕的聚合度降低。

莫代尔

目前(2012年),世界粘胶纤维产量约520万吨
,约占化学纤维总产量(约5600万吨)的10%。


发展趋势:
改性—兼具粘胶纤维与合成纤维优良性能和特殊 功能的纤维素纤维;

开发环境友好型非粘胶法纤维素纤维绿色生产工 艺。
粘 胶 纤 维
粘胶短纤维
普通粘胶长丝
有色粘胶长丝
抗菌粘胶长丝
7
长 丝


聚合度越低纤维素越易溶解,显然, —纤维素的聚合度大于半纤维素 的聚合度。 —纤维素的聚合度一般在200以上,—纤维素为140~200, 而—纤维素则为10~140。浆粕的—纤维素含量越高越好。
32
3、纤维素的物理性质
外观:白色、无味、无臭的物质 密度:1.50~1.56g/cm3 比热容:0.32~0.33J/g•℃ 溶解性 不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂 能溶解在浓硫酸和浓氯化锌溶液中,同时发 生一定程度的分子链断裂,使聚合度降低。 纤维素能很好地溶解在铜氨溶液和复合有机 溶液体系中。
纤维优缺点
优点:吸湿强、染色性好、不易产生静电、
可纺性好,能与各种纤维混纺和交织。
缺点:湿强低、易伸长、弹性小、湿膨胀大
、耐碱性差、易燃。富强和高湿模量纤维已 经基本克服了这些缺点。
织物的优缺点
优点:吸湿性好、色彩鲜艳、穿着舒服,适
合做夏天的服装。
缺点:易皱、易缩、易伸长、易变形、不耐
缨状微胞结构理论认为纤维素结构中包含结晶
部分和无定形部分,但结晶区结构及与非晶区的连 接方式还有争议。 高序部分:大分子致密、平行排列、定向良好。 无定形部分:致密度较小、大分子结合程度较弱、 有较大的空隙、分子链分布不完全平行。
有人认为:无定形部分是由结晶部分伸出来的分子 链所组成,结晶部分和无定形部分之间由分子链贯 穿,而二者之间没有严格的界面。 有人则认为结晶部分是由折叠链构成。 缨状微胞结构是普通粘胶纤维的结构形式。

纤维素的缨状微胞结构模型
修正的缨状微胞结构模型
缨状原纤结构理论
缨状微胞结构理论认为结晶区较短; 而缨状原纤结构理论认为结晶区较长;晶区是长链 分子的小片断构成的,长链分布依次地通过结晶 的原纤和它们中间的非晶区。 天然纤维素纤维、波里诺西克纤维和高湿模量纤维 都具有缨状原纤结构。
纤维素的缨状微胞结构模型
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