纤维素纤维幻灯片.ppt
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1、纤维素纤维第1页,共181页,编辑于2022年,星期二1.掌掌握握棉棉纤纤维维的的形形态态结结构构,了了解解彩彩色色棉棉、麻麻纤纤维维和和竹竹纤纤维维的形态结构。的形态结构。2.掌掌握握纤纤维维素素大大分分子子的的一一次次结结构构(近近程程结结构构)、二二次次结结构构(远程结构或构象)、纤维素纤维的聚集态结构。(远程结构或构象)、纤维素纤维的聚集态结构。3.掌掌握握纤纤维维素素纤纤维维主主要要的的物物理理机机械械性性能能及及与与纤纤维维超超分分子子结构的关系。结构的关系。4.掌握掌握纤维素纤维的吸湿性、溶胀与溶解。纤维素纤维的吸湿性、溶胀与溶解。本章学习要求本章学习要求第2页,共181页,编辑
2、于2022年,星期二5.掌握掌握酸、碱、液氨和氧化剂等对纤维素作用性能。酸、碱、液氨和氧化剂等对纤维素作用性能。6.了解了解铜氨溶液、光、热等对纤维素的作用情况。铜氨溶液、光、热等对纤维素的作用情况。7.掌掌握握粘粘胶胶、Lyocell、Modal(莫莫代代尔尔)等等纤纤维维的的性性能能;了了解解其其它它再再生生纤纤维维素素纤纤维维如如铜铜氨氨、醋醋酯酯、甲甲壳壳素素等等纤纤维维的的性性能能及及特点。特点。本章学习要求本章学习要求第3页,共181页,编辑于2022年,星期二目目 录录第一节第一节 棉纤维的形态结构和组成棉纤维的形态结构和组成第二节第二节 纤维素的分子链结构及链间结构纤维素的分子
3、链结构及链间结构第三节第三节 纤维素纤维主要的物理性质纤维素纤维主要的物理性质第四节第四节 纤维素纤维主要的物理机械性能纤维素纤维主要的物理机械性能第五节第五节 纤维素纤维的化学性质纤维素纤维的化学性质第七节第七节 再生纤维素纤维再生纤维素纤维概述概述第六节第六节 其他天然纤维素纤维其他天然纤维素纤维第八节第八节 醋酸纤维醋酸纤维第4页,共181页,编辑于2022年,星期二纤维素纤维:基本组成物质是纤维素纤维:基本组成物质是纤维素纤维素的一类纤维。的一类纤维。分类分类概述概述第5页,共181页,编辑于2022年,星期二第一节第一节 棉纤维的形态结构和组成棉纤维的形态结构和组成一、棉纤维的种类及
4、生长一、棉纤维的种类及生长1.种类种类陆陆地地棉棉(细细绒绒棉棉):约约98%,长长2335mm,宽宽1820m,细度细度1.432.22分特,适合纺分特,适合纺1060特纱。特纱。海海岛岛棉棉(长长绒绒棉棉):长长3545mm,细细度度1.111.54分分特特,适适合合纺纺412特特的的纱纱。生生产产高高档档织织物物或或特特种种工工业业用纱。次要品种。用纱。次要品种。粗粗绒绒棉棉,长长度度1325mm,细细度度2.54分特,适合纺分特,适合纺28特的纱。特的纱。亚洲棉(中棉)亚洲棉(中棉)非洲棉(草棉)非洲棉(草棉)第6页,共181页,编辑于2022年,星期二2.棉纤维的生长棉纤维的生长棉棉
5、纤纤维维属属种种籽籽纤纤维维,每每根根棉棉纤纤维维就就是是一一个个细细胞胞,生生长长分分3个阶段:个阶段:(1)细胞)细胞延长生长延长生长阶段阶段生长期:第生长期:第1525天天形态:形态:薄壁薄壁圆形小管圆形小管内部充满原生质内部充满原生质长度:成熟时的长度长度:成熟时的长度第7页,共181页,编辑于2022年,星期二(2)胞壁(细胞)胞壁(细胞)增厚增厚阶段阶段l生长期:第生长期:第3050天天l形态:形态:胞壁增厚胞壁增厚胞腔缩小胞腔缩小原生质转变为纤维素原生质转变为纤维素(3)成熟收缩阶段)成熟收缩阶段脱水收缩脱水收缩纵向扭曲纵向扭曲圆形变成腰子形圆形变成腰子形第8页,共181页,编辑
6、于2022年,星期二3.收获与加工收获与加工工序产品用途晾晒干(或烘干)籽棉轧花(去除棉籽和部分杂质)皮棉纺纱织布棉短绒其他用途供纺织厂作供纺织厂作纺纱原料纺纱原料等用的皮棉原棉。等用的皮棉原棉。第9页,共181页,编辑于2022年,星期二(二)棉纤维的形态结构(二)棉纤维的形态结构 1.正常成熟正常成熟棉纤维棉纤维外外形形:一一端端尖尖而而封封闭闭,一一端端粗粗而而敞敞口口,并并有有从从棉棉籽籽上上脱脱落的痕迹。落的痕迹。横截面:横截面:腰子形或耳形腰子形或耳形较薄的初生胞壁较薄的初生胞壁较厚较厚的次生胞壁的次生胞壁中空的胞腔中空的胞腔纵纵向向形形态态:扁扁平平带带状状有有天天然然扭扭曲曲,
7、610捻捻/毫毫米米,纤纤维维越越细,捻数越多。细,捻数越多。第10页,共181页,编辑于2022年,星期二第11页,共181页,编辑于2022年,星期二温度温度20时,棉纤维停止生长。时,棉纤维停止生长。u横截面:呈横截面:呈“U”形,次生胞壁形,次生胞壁较薄较薄,胞腔,胞腔较大较大。u纵向:缺少正常的天然扭曲。纵向:缺少正常的天然扭曲。u注意点:不成熟棉纤维的染色性能和机械性能均较差。注意点:不成熟棉纤维的染色性能和机械性能均较差。2.不成熟不成熟棉纤维棉纤维3.形态结构模型(形态结构模型(6层)层)第12页,共181页,编辑于2022年,星期二第13页,共181页,编辑于2022年,星期
8、二现象:棉截面一边较紧张,一边较松弛。现象:棉截面一边较紧张,一边较松弛。原因:生长时呈圆形管状,成熟发生不均匀收缩。原因:生长时呈圆形管状,成熟发生不均匀收缩。双边结构:两侧具有不同结构的状态(松弛和紧张)称之。双边结构:两侧具有不同结构的状态(松弛和紧张)称之。C、N区域:较松弛,对化学反应最敏感。区域:较松弛,对化学反应最敏感。A区域:较紧张。区域:较紧张。B区域:和收缩前差不多。区域:和收缩前差不多。4.双边结构:双边结构:第14页,共181页,编辑于2022年,星期二(三)棉纤维的组成(三)棉纤维的组成棉纤维共生物的作用:棉纤维共生物的作用:有利的方面:保护作用,纺纱时润滑作用。有利
9、的方面:保护作用,纺纱时润滑作用。不利的方面:影响棉纤维的润湿性和染色性。不利的方面:影响棉纤维的润湿性和染色性。组组成成:随随棉棉品品种种、分分析析方方法法以以及及不不同同研研究究者者略略有有出出入入。P158表表41。第15页,共181页,编辑于2022年,星期二第二节第二节 纤维素的分子链结构及链间结构纤维素的分子链结构及链间结构 一、纤维素大分子的近程结式一、纤维素大分子的近程结式二、纤维素大分子的远程结构二、纤维素大分子的远程结构 三、纤维素的聚集态结构三、纤维素的聚集态结构 第16页,共181页,编辑于2022年,星期二一、纤维素大分子的近程结式一、纤维素大分子的近程结式1.纤维素
10、分子结构的重要性纤维素分子结构的重要性纤维素是纤维素纤维的主要成分;纤维素是纤维素纤维的主要成分;纤维素决定了纤维素纤维的化学性质;纤维素决定了纤维素纤维的化学性质;纤维素影响纤维素纤维的机械物理性能;纤维素影响纤维素纤维的机械物理性能;纤维素是纤维素纤维织物染整加工的依据。纤维素是纤维素纤维织物染整加工的依据。第17页,共181页,编辑于2022年,星期二2.纤维素的基本结构纤维素的基本结构元素:元素:C、H、O分子式:分子式:(C6H10O5)n完完全全水水解解物物:-D-葡葡萄萄糖糖结构描述结构描述多糖类多糖类(碳水化合物碳水化合物)高分子物高分子物由由-D-葡葡萄萄糖糖剩剩基基以以1,
11、4-苷键连结而成。苷键连结而成。第18页,共181页,编辑于2022年,星期二3.纤维素的结构式纤维素的结构式un:分子中葡萄糖剩基的个数。:分子中葡萄糖剩基的个数。天然纤维素纤维:较大,约天然纤维素纤维:较大,约10000;粘胶纤维:较小,约粘胶纤维:较小,约250500。u重复单元:纤维二糖重复单元:纤维二糖u分子量测定:粘度法。分子量测定:粘度法。溶剂:铜胺或铜乙二胺溶剂:铜胺或铜乙二胺溶液。溶液。第19页,共181页,编辑于2022年,星期二4.纤维素大分子化学结构特征纤维素大分子化学结构特征(1)大大分分子子链链由由-D-葡葡萄萄糖糖剩剩基基通通过过1,4-苷苷键键连连接接而而成成,
12、含大量苷键(缩醛性质)。含大量苷键(缩醛性质)。(2)相相邻邻葡葡萄萄糖糖环环倒倒置置,大大分分子子对对称称性性良良好好,结结构构规规整整,具有较高的结晶性能具有较高的结晶性能。(3)每每个个葡葡萄萄糖糖剩剩基基(不不包包括括两两端端)有有3个个自自由由羟羟基基,其其中中C2、C3仲仲醇醇基基,C6伯伯醇醇基基。具具有有醇醇羟羟基基的的特特性性。分分子子间间可可形成氢键。形成氢键。第20页,共181页,编辑于2022年,星期二(4)左左端端(非非还还原原端端)葡葡萄萄糖糖剩剩基基有有4个个自自由由羟羟基基,右右端端(还还原原端端)葡葡萄萄剩剩基基有有3个个自自由由羟羟基基及及1个个苷苷羟羟基基
13、(潜潜在在醛醛基基),具具有有还还原原性性。大大分分子子一一端端有有还还原原性性,另另一一端端没没有,整个大分子具有极性并呈现方向性。有,整个大分子具有极性并呈现方向性。潜潜在在醛醛基情况:基情况:第21页,共181页,编辑于2022年,星期二(5)主主链链上上的的苷苷键键对对酸酸较较敏敏感感,稀稀热热酸酸、冷冷浓浓酸酸都都能能导导致苷键水解断裂,使纤维平均聚合度下降。致苷键水解断裂,使纤维平均聚合度下降。(6)主主链链上上的的苷苷键键对对碱碱的的稳稳定定性性好好,因因此此棉棉织织物物可可用用烧烧碱碱退退浆浆、煮煮练练、丝丝光光等等加加工工。但但粘粘胶胶的的聚聚合合度度小小,湿湿强力低,不能用
14、烧碱丝光。强力低,不能用烧碱丝光。仲羟基伯羟基苷羟基(潜在醛基)左端31中间21右端211第22页,共181页,编辑于2022年,星期二5.纤维素分子链刚柔性:刚性。纤维素分子链刚柔性:刚性。主链含主链含六元杂环六元杂环,难以绕单键内旋转。,难以绕单键内旋转。相相邻邻两两个个葡葡萄萄糖糖剩剩基基相相互互倒倒置置,大大分分子子对对称称性性良良好好,结构规整,具有结构规整,具有较高的结晶性能较高的结晶性能。大分子含有大量的羟基,大分子间可以形成大分子含有大量的羟基,大分子间可以形成大量的氢键大量的氢键。第23页,共181页,编辑于2022年,星期二二、纤维素大分子的远程结构二、纤维素大分子的远程结
15、构 纤维素葡萄糖基环的构型:纤维素葡萄糖基环的构型:-D-型葡萄糖构型。型葡萄糖构型。纤纤维维素素-D-吡吡喃喃式式葡葡萄萄糖糖基基的的构构象象:椅椅式式构构象象,主主要要取取代代基基均均处处于于平平伏伏位位置置。有有两两种种,它它们们可可以以相相互互翻翻转转,可可见见P164图图44。第24页,共181页,编辑于2022年,星期二纤纤维维素素大大分分子子:-D-葡葡萄萄糖糖剩剩基基彼彼此此以以1,4-苷苷键键联联结结而而成成,葡葡萄萄糖糖单单元元呈呈椅椅式式扭扭转转,每每个个单单元元C2、C3及及C6位位的的OH均处于均处于水平位置水平位置。可见。可见P164图图45。改错改错第25页,共1
16、81页,编辑于2022年,星期二三、纤维素的聚集态结构三、纤维素的聚集态结构(一)概述(一)概述 晶晶区区和和非非晶晶区区共共存存,晶晶区区到到非非晶晶区区逐逐步步过过渡渡,无无明明显显界界限,一个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无定形区。限,一个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无定形区。晶晶区区:取取向向良良好好,密密度度较较大大,1.588g/cm3,分分子子间间结结合合力强,晶区对纤维强度的贡献最大。力强,晶区对纤维强度的贡献最大。非非晶晶区区:分分子子链链取取向向较较差差,分分子子间间距距离离较较大大,分分子子间间结结合合力力较较弱弱,密密度度较较低低,1.50g/cm3,非非晶晶区区
17、对对纤纤维维强强度度的的贡贡献小。献小。晶体聚集态结构:立方、斜方、单斜、三斜晶系。晶体聚集态结构:立方、斜方、单斜、三斜晶系。第26页,共181页,编辑于2022年,星期二(二)纤维素的结晶结构(二)纤维素的结晶结构 1.纤维素纤维素X衍射图衍射图非结晶和晶体共同存在,且晶区有一定的取向度。非结晶和晶体共同存在,且晶区有一定的取向度。第27页,共181页,编辑于2022年,星期二2.天然纤维素单元晶胞结构模型天然纤维素单元晶胞结构模型(2)晶胞参数)晶胞参数u天然纤维素:结晶格子称纤维素天然纤维素:结晶格子称纤维素,单斜晶系;,单斜晶系;u丝光纤维素和再生纤维素:纤维素丝光纤维素和再生纤维素
18、:纤维素,单斜晶系;,单斜晶系;u氨作用纤维素:纤维素氨作用纤维素:纤维素,单斜晶系。,单斜晶系。晶胞参数见晶胞参数见P165表表4-5,其中,其中90。(3)晶格变体的相互转变)晶格变体的相互转变可见可见P166图图4-8。(1)晶胞(结晶格子)的结构:见)晶胞(结晶格子)的结构:见P165图图47。第28页,共181页,编辑于2022年,星期二P165表表45各种纤维素的晶胞参数各种纤维素的晶胞参数纤维素类型晶胞参数存在于何处纤维素a=0.835nm,b=1.03nm,c=0.79nm,=84天然纤维素纤维素a=0.814nm,b=1.03nm,c=0.914nm,=62丝光纤维素再生纤维
19、素纤维素a=0.774nm,b=1.03nm,c=0.99nm,=58氨作用纤维素b轴一样,只是轴一样,只是a、c轴和轴和角发生了变化。角发生了变化。第29页,共181页,编辑于2022年,星期二除除了了纤纤维维素素、外外,还还有有纤纤维维素素、X等等形形式式。且且在在一定条件下可相互转变。见一定条件下可相互转变。见P166图图48。第30页,共181页,编辑于2022年,星期二3.纤维素纤维的结晶度和取向度纤维素纤维的结晶度和取向度结结晶晶度度:棉棉纤纤维维70%,麻麻纤纤维维90%。丝丝光光棉棉纤纤维维约约50%。粘胶纤维粘胶纤维40%。取取向向度度:以以晶晶体体长长轴轴与与纤纤维维轴轴的
20、的夹夹角角即即螺螺旋旋角角表表示示,螺螺旋角越小,取向度越高。旋角越小,取向度越高。纤维螺旋角/麻68棉2035粘胶34第31页,共181页,编辑于2022年,星期二三种纤维素纤维的情况:三种纤维素纤维的情况:麻:聚合度、结晶度、取向度高。麻:聚合度、结晶度、取向度高。棉纤维:聚合度、结晶度高,取向度较高。棉纤维:聚合度、结晶度高,取向度较高。粘胶纤维:聚合度、结晶度、取向度低。粘胶纤维:聚合度、结晶度、取向度低。第32页,共181页,编辑于2022年,星期二(三)纤维素的微细纤维结构(自学)(三)纤维素的微细纤维结构(自学)即即纤纤维维素素长长链链分分子子与与细细胞胞壁壁中中微微细细纤纤维维
21、之之间间的的关关系系。结构示意图见结构示意图见P167图图49。第33页,共181页,编辑于2022年,星期二(四)纤维素纤维聚集态结构模型(见第二章)(四)纤维素纤维聚集态结构模型(见第二章)1.樱状微胞(胶束)模型樱状微胞(胶束)模型纤纤维维素素的的结结构构中中存存在在着着晶晶区区和和非非晶晶区区,两两者者无无严严格格的的界界面面。非非晶晶区区是是由由晶晶区区延延伸伸出出来来的的分分子子链链构构成成的的,晶晶区区和和非非晶晶区区是是由由分分子子链链贯贯串串在在一一起起的的。晶晶区区为为伸伸直直链链结结晶晶,模模型型示示意意图图可可见见P168图图410。有有人人认认为为晶晶区区也也存存在在
22、折折叠叠链链结结晶晶,提提出出了了修修正正的的缨缨状状胶胶束束模模型型,模模型型示示意意图图见见P168图图411。2.樱状原纤模型:樱状原纤模型:樱状胶束模型基础上提出来的。樱状胶束模型基础上提出来的。第34页,共181页,编辑于2022年,星期二3.缨状胶束模型和缨状原纤模型的关系缨状胶束模型和缨状原纤模型的关系(1)缨缨状状胶胶束束模模型型具具有有较较短短的的结结晶晶区区,缨缨状状原原纤纤模模型型具具有有较长较长的结晶区。的结晶区。(2)两两者者的的关关系系:可可视视着着互互为为极极限限的的情情况况,即即微微胞胞扩扩大大到到一一定定程程度度可可视视着着原原纤纤,而而原原纤纤缩缩小小到到一
23、一定定程程度度可可视着微胞。视着微胞。(3)缨缨状状胶胶束束模模型型适适用用于于解解释释结结晶晶度度较较小小的的再再生生纤纤维维素素纤纤维维即即粘粘胶胶纤纤维维的的结结构构,缨缨状状原原纤纤模模型型适适用用于于解解释释结晶度较大天然纤维素纤维的结构和性能。结晶度较大天然纤维素纤维的结构和性能。第35页,共181页,编辑于2022年,星期二第三节第三节 纤维素纤维主要的物理性质纤维素纤维主要的物理性质 一、纤维素纤维的吸湿性一、纤维素纤维的吸湿性很强:标准回潮率棉很强:标准回潮率棉7%,粘胶,粘胶1314%。原因:分子上大量的原因:分子上大量的OH,可和水分子形成,可和水分子形成H键。键。吸附水
24、种类吸附水种类结合水:结合水:OH直接吸附水,有热效应,能使纤维素溶胀。直接吸附水,有热效应,能使纤维素溶胀。游离水:间接吸附,无热效应,不能使纤维素溶胀。游离水:间接吸附,无热效应,不能使纤维素溶胀。第36页,共181页,编辑于2022年,星期二纤维吸湿后性质的变化纤维吸湿后性质的变化棉:湿强度干强度棉:湿强度干强度粘胶:湿强度干强度粘胶:湿强度干强度导导电电性性:绝绝对对干干燥燥时时是是良良好好的的绝绝缘缘体体,吸吸湿湿后后导导电电性性增加。增加。第37页,共181页,编辑于2022年,星期二二、纤维素纤维的溶胀与溶解二、纤维素纤维的溶胀与溶解1.溶胀溶胀(1)有限溶胀)有限溶胀结晶区结晶
25、区间间溶胀溶胀现象:溶胀剂只能到达无定形区和晶区表面。现象:溶胀剂只能到达无定形区和晶区表面。特点:特点:X射线衍射图不发生变化。射线衍射图不发生变化。第38页,共181页,编辑于2022年,星期二结晶区结晶区内内溶胀溶胀现象:溶胀剂占领整个无定形区和晶区。现象:溶胀剂占领整个无定形区和晶区。特特点点:形形成成溶溶胀胀化化合合物物,产产生生新新的的结结晶晶格格子子(晶晶胞胞),原原来来的的X射射线线衍衍射射图图消消失失,出出现现新新的的X射射线线衍衍射射图图。多多余余的溶胀剂的溶胀剂不能不能进入新的结晶格子,只发生有限溶胀。进入新的结晶格子,只发生有限溶胀。第39页,共181页,编辑于2022
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