第三章纤维素纤维的结构和性能 天然纤维素纤维(棉、麻) 纤维素纤维 再生纤维素纤维(粘胶纤维、铜氨纤维、醋酯纤维) §3.1纤维素纤维的形态结构 棉纤维的形态结构 棉纤维是种子纤维,其主要成分为纤维素、果胶、蜡质、灰分、含氮物质。 外形:上端尖而封闭,下端粗而敞口,细长的扁平带子状,有螺旋状扭曲,截面 呈腰子形,中间干瘪空腔。 最外层:初生胞壁 从外到里分三层:中间:次生胞壁 内部:胞腔 1初生胞壁 决定棉纤维的表面性质,它又分为三层,最外层为果胶物质和蜡质所组成的 皮层。因而具有拒水性,在棉生长过程中起保护作用。但在染整加工中不利。 2次生胞壁 纤维素沉积最后的一层,是构成纤维的主体部分,纤维素含量很高,其组成 和结构决定棉纤维的主要性能 3胞腔 输送养料和水分的通道,蛋白质、色素等物质的残渣沉积胞壁上,胞腔是棉 纤维内最大的空隙,是染色和化学处理时重要的通道 二麻纤维的形态结构 麻纤维主要有:苎麻、亚麻 是属于韧皮纤维,以纤维束形式存在 单根纤维是一个厚壁、两端封闭、内有狭窄胞壁的长细胞 苎麻两端呈锤头形或分支亚麻两端稍细呈纺锤形纵向有竖纹和横节 主要化学组成和棉纤维一样是纤维素,但含量低
1 第三章 纤维素纤维的结构和性能 天然纤维素纤维 （ 棉、麻） 纤维素纤维 再生纤维素纤维 （粘胶纤维、铜氨纤维、醋酯纤维） §3.1 纤维素纤维的形态结构 一 棉纤维的形态结构 棉纤维是种子纤维，其主要成分为纤维素、果胶、蜡质、灰分、含氮物质。 外形：上端尖而封闭，下端粗而敞口，细长的扁平带子状，有螺旋状扭曲，截面 呈腰子形，中间干瘪空腔。 最外层：初生胞壁 从外到里分三层： 中 间：次生胞壁 内 部：胞腔 1 初生胞壁 决定棉纤维的表面性质，它又分为三层，最外层为果胶物质和蜡质所组成的 皮层。因而具有拒水性，在棉生长过程中起保护作用。但在染整加工中不利。 2 次生胞壁 纤维素沉积最后的一层，是构成纤维的主体部分，纤维素含量很高，其组成 和结构决定棉纤维的主要性能。 3 胞腔 输送养料和水分的通道，蛋白质、色素等物质的残渣沉积胞壁上，胞腔是棉 纤维内最大的空隙，是染色和化学处理时重要的通道。 二 麻纤维的形态结构 麻纤维主要有： 苎麻、亚麻 是属于韧皮纤维，以纤维束形式存在 单根纤维是一个厚壁、两端封闭、内有狭窄胞壁的长细胞 苎麻两端呈锤头形或分支 亚麻两端稍细 呈纺锤形 纵向有竖纹 和横节 主要化学组成和棉纤维一样 是纤维素，但含量低
§3.2纤维素大分子的分子结构 纤维素是一种多糖物质,其大分子是由很多葡萄糖剩基连接而成,分子式为 (C6H0O5)n复杂的同系物混合物,n为聚合度,棉聚合度为2500~1000,0麻 聚合度为100~150,粘胶纤维聚合度为250~500 纤维素大分子的化学结构是由β-d-葡萄糖剩基彼此以1,4-甙键连接而成, 结构如下 H-OH CH2OH HOH n—聚合度 每隔两环有周期性重复,两环为一个基本链节,链节数为(n2)/2,n为葡 萄糖剩基数,即纤维的聚合度,葡糖糖剩基上有三个自由存在的羟基,其中2,3 位上是仲羟基,6位上伯羟基
2 §3.2 纤维素大分子的分子结构 纤维素是一种多糖物质，其大分子是由很多葡萄糖剩基连接而成，分子式为 （C6H10O5）n 复杂的同系物混合物，n 为聚合度， 棉聚合度为 2500~ 10000，麻 聚合度为 10000~ 15000，粘胶纤维聚合度为 250~ 500 纤维素大分子的化学结构是由β-d-葡萄糖剩基彼此以 1，4-甙键连接而成， 结构如下 每隔两环有周期性重复，两环为一个基本链节，链节数为（n-2）/2， n 为葡 萄糖剩基数，即纤维的聚合度，葡糖糖剩基上有三个自由存在的羟基，其中 2，3 位上是仲羟基，6 位上伯羟基
3.3棉纤维的超分子结构 超分子结构也称为微结构,主要指棉纤维中次生胞壁纤维素大分子的聚集态 结构,纤维素大分子的排列状态,排列方向,聚集紧密程度等。 Ⅹ射线研究 1棉纤维的X射线研究结果 超分子结构中有晶体存在,有一定的取向度 2棉纤维中纤维素的单元晶格 单元晶格属于单斜晶系 3纤维的结晶度与取向度 棉纤维的结晶度约为70%,麻纤维为90%,无张力丝光棉为50%,粘胶纤维为40% 电子显微镜的研究 1棉纤维的电镜图 棉纤维中存在粗大的原纤,但原纤又是由更小的微原纤组成 2边缘(缨状)原纤模型及理论(见P43的图3-8) 纤维素大分子通过整齐排列组成微原纤,又由微原纤进行整齐排列形成原纤 原纤中少数大分子的分支与其他大分子分支合并组成另外的连续网状组绑
3 §3.3 棉纤维的超分子结构 超分子结构也称为微结构，主要指棉纤维中次生胞壁纤维素大分子的聚集态 结构，纤维素大分子的排列状态，排列方向，聚集紧密程度等。 一 X 射线研究 1 棉纤维的 X 射线研究结果 超分子结构中有晶体存在，有一定的取向度 2 棉纤维中纤维素的单元晶格 单元晶格属于单斜晶系 3 纤维的结晶度与取向度 棉纤维的结晶度约为 70%，麻纤维为 90%，无张力丝光棉为 50%，粘胶纤维为 40% 二 电子显微镜的研究 1 棉纤维的电镜图 棉纤维中存在粗大的原纤，但原纤又是由更小的微原纤组成 2 边缘（缨状）原纤模型及理论 （见 P43 的图 3-8） 纤维素大分子通过整齐排列组成微原纤，又由微原纤进行整齐排列形成原纤， 原纤中少数大分子的分支与其他大分子分支合并组成另外的连续网状组织
§3.4纤维素纤维的主要物理一机械性能 纤维的拉伸性能与织物耐用性及服用性能之间有着密切的联系,而纤维的断 裂强度、断裂伸长率、应力应变曲线、弹性均与纤维拉伸性能有关 纤维素纤维的断裂强度、断裂伸长率 断裂强度:纤维在拉伸至断裂时所能承受的最大外力。表示方法有 1抗张强度(σ) 又称断裂应力,极限强度,是指纤维或纱线单位截面上能承受的最大拉力。 2断裂强度(相对强度) 指单位线密度或纱线所能承受的最大应力,单位为Ntex,又有干强和湿强 之分。 3断裂长度(LR) 指将纤维一端固定悬挂,由于纤维本身质量而发生断裂时的长度,单位km 4断裂伸长率 断裂伸长与纤维原长之比 般在结晶度相同的情况下,取向度越低,断裂伸长率越高,韧性越大。 二纤维的初始模量 初始模量也称为杨氏模量或弹性模量指材料所受应力与其相应形变之 比。 纤维的初始模量是指纤维产生1%伸长所需的应力,以kg/m2或g/tex表 示,反映纤维在外力作用下变形的难易程度 三纤维的应力应变曲线 又称纤维的负荷-延伸曲线,是将纤维随着应力的增大逐渐发生应变的情况 绘成的曲线(具体见P47的图3-9) 四纤维素纤维的断裂机理与纤维超分子结构的关系 纤维在外力作用下发生断裂,是因为外力破坏了分子内共价键力或分子间 作用力的结果。 断裂机理有两种解释: 1纤维大分子链在受外力作用时,由于不能承受外力的作用而发生大分子链的 断裂,从而导致纤维材料的断裂。 2纤维在受外力作用时,大分子间的作用力不足以抵抗外力的作用,使得大分
4 §3.4 纤维素纤维的主要物理—机械性能 纤维的拉伸性能与织物耐用性及服用性能之间有着密切的联系，而纤维的断 裂强度、断裂伸长率、应力应变曲线、弹性均与纤维拉伸性能有关。 一 纤维素纤维的断裂强度、断裂伸长率 断裂强度：纤维在拉伸至断裂时所能承受的最大外力。表示方法有： 1 抗张强度（σ） 又称断裂应力，极限强度，是指纤维或纱线单位截面上能承受的最大拉力。 2 断裂强度（相对强度） 指单位线密度或纱线所能承受的最大应力，单位为 N/tex， 又有干强和湿强 之分。 3 断裂长度（LR） 指将纤维一端固定悬挂，由于纤维本身质量而发生断裂时的长度，单位 km 4 断裂伸长率 断裂伸长与纤维原长之比 一般在结晶度相同的情况下，取向度越低，断裂伸长率越高，韧性越大。 二 纤维的初始模量 初始模量也称为杨氏模量 或 弹性模量 指材料所受应力与其相应形变之 比。 纤维的初始模量是指纤维产生 1%伸长所需的应力，以 kg/mm2 或 g/tex 表 示，反映纤维在外力作用下变形的难易程度。 三 纤维的应力-应变曲线 又称纤维的负荷-延伸曲线，是将纤维随着应力的增大逐渐发生应变的情况 绘成的曲线 (具体见 P47 的图 3-9) 四 纤维素纤维的断裂机理与纤维超分子结构的关系 纤维在外力作用下发生断裂，是因为外力破坏了分子内共价键力或分子间 作用力的结果。 断裂机理有两种解释： 1 纤维大分子链在受外力作用时，由于不能承受外力的作用而发生大分子链的 断裂，从而导致纤维材料的断裂。 2 纤维在受外力作用时，大分子间的作用力不足以抵抗外力的作用，使得大分
子链间发生相对位移,甚至滑脱,从而导致纤维的断裂。 纤维素纤维的断裂机理 不是由单纯的分子链断裂或分子链间的相对滑移造成,还可能是由于超分子 中存在缺口、弱点,在受外力作用拉伸时,弱点出现应力集中,首先断裂,缺口 逐渐增大,进而分子链断裂,导致纤维断裂 棉、麻湿强大于干强的原因 因为在潮湿状态下水的增塑作用,可以部分消除纤维中的弱点,使得大分子 中的缺陷结构得到改善,使应力分布更加均匀,从而增大了纤维的强力。 粘胶湿强小于干强的原因 因为粘胶纤维大分子的聚合度低,只有250-500左右,结晶度低,取向度也不 高,本身分子间力小,其断裂主要是由于大分子链或其他结构单元之间相对滑移 形成,而湿强低则是由于吸湿后水的溶胀作用,降低了纤维的分子间力,有利于 分子链间或结构单元间的相对滑移。 五纤维的弹性 弹性是指纤维从形变中回复原状的能力。 弹性高的纤维所组成的织物外观比较挺括,不易起皱,如毛织物及涤纶织物 可复弹性形变(弹性形变) 不可复形变(塑性形变) 弹性大小表示方法:形变回复率和功回复率 形变回复率=弹性形变/总形变 功回复率=回复时的回缩功(回复功)/形变时的总功
5 子链间发生相对位移，甚至滑脱，从而导致纤维的断裂。 纤维素纤维的断裂机理 不是由单纯的分子链断裂或分子链间的相对滑移造成，还可能是由于超分子 中存在缺口、弱点，在受外力作用拉伸时，弱点出现应力集中，首先断裂，缺口 逐渐增大，进而分子链断裂，导致纤维断裂。 棉、麻湿强大于干强的原因 因为在潮湿状态下水的增塑作用，可以部分消除纤维中的弱点，使得大分子 中的缺陷结构得到改善，使应力分布更加均匀，从而增大了纤维的强力。 粘胶湿强小于干强的原因 因为粘胶纤维大分子的聚合度低，只有 250-500 左右，结晶度低，取向度也不 高，本身分子间力小，其断裂主要是由于大分子链或其他结构单元之间相对滑移 形成，而湿强低则是由于吸湿后水的溶胀作用，降低了纤维的分子间力，有利于 分子链间或结构单元间的相对滑移。 五 纤维的弹性 弹性是指纤维从形变中回复原状的能力。 弹性高的纤维所组成的织物外观比较挺括，不易起皱，如毛织物及涤纶织物。 可复弹性形变（弹性形变） 不可复形变 （塑性形变） 弹性大小表示方法：形变回复率 和 功回复率 形变回复率=弹性形变/总形变 功回复率=回复时的回缩功（回复功）/形变时的总功