染整技術(shù)基本知識培訓(xùn)之纖維素纖維基本知識
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一、概述
纖維素纖維如棉、苧麻、黃麻、大麻、蕉麻、劍麻、木棉及粘膠纖維、TENCEL纖維、銅氨纖維的主要組成物質(zhì)為纖維素。除纖維素之外,還有各種伴生物質(zhì)。纖維素是一種多糖物質(zhì),主要是由很多葡萄糖?;?lián)結(jié)起來的線型大分子,分子式可寫成(C6H10O5)n。通常認(rèn)為纖維素是β-d-葡萄糖?;舜艘?,4苷鍵聯(lián)結(jié)而成的大分子,在結(jié)晶區(qū)內(nèi)相鄰的葡萄糖環(huán)相互倒置,糖環(huán)中的氫原子和羥基分布在糖環(huán)平面的兩側(cè)。纖維素的結(jié)構(gòu)式中有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1) 纖維素分子中的葡萄糖?;ú话▋啥说模┥嫌腥齻€(gè)自由存在的羥基,其中2,3位上是兩個(gè)仲醇基,6位上是一個(gè)伯羥基,它們具有一般羥基的特性;(2) 在左端的葡萄糖剩基上都含有四個(gè)自由存在的羥基,但實(shí)際上在右端的?;泻幸粋€(gè)潛在的醛基。按理纖維素也應(yīng)具有還原性質(zhì),但是由于醛基數(shù)量甚少,所以還原性就不顯著,然而會隨著纖維素分子量的變小而逐漸明顯起來。
二、維素的主要化學(xué)性質(zhì)
人們在對纖維素分子結(jié)構(gòu)有正確認(rèn)識之前,對纖維素的化學(xué)性質(zhì)早已有了一定的了解,并能利用這些性能進(jìn)行一些有關(guān)的加工。隨著對纖維素分子結(jié)構(gòu),纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不斷加深,就更有利于人們自覺地去利用這些性能和掌握有關(guān)的加工過程。纖維的結(jié)構(gòu)決定了纖維的性能,而纖維的性能則必然是纖維結(jié)構(gòu)的反映,兩者是緊密相聯(lián)的。
1、纖維素纖維進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的特征從纖維素的分子結(jié)構(gòu)來看,它至少可能進(jìn)行下列兩類化學(xué)反應(yīng):一類是與纖維素分子結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)葡萄糖?;能真I有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。例如:強(qiáng)無機(jī)酸對纖維素的作用就屬此類;另一類則是纖維素分子結(jié)構(gòu)中葡萄糖剩基上的三個(gè)自由羥基有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。例如對染料和水分的吸附、氧化、酯化、醚化、交鏈和接枝等。從纖維素纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)來看,在保持纖維狀態(tài)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí),具有不均一的特征,染整加工中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)往往多屬此類。產(chǎn)生這種反應(yīng)不均一性的原因,除了由于纖維表面和內(nèi)部與反應(yīng)溶液接觸先后不同以及試劑的擴(kuò)散有關(guān)外,從根本上來說則是與纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)的不均一性有關(guān);其次則與反應(yīng)介質(zhì)的性能、試劑分子的大小和性能有關(guān)。纖維素分子在纖維中組成層、原纖、晶區(qū)和無定形區(qū),或者說組成了側(cè)序度高低不同區(qū)域,形成了特定的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)。不同的試劑在不同的介質(zhì)中只能深入到纖維中某種側(cè)序度以下的區(qū)域(稱為可及區(qū)),而不能到達(dá)側(cè)序度更高的區(qū)域(稱為非可及區(qū)),以致造成各部分所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)程度的不均一。
2、吸濕和溶脹在大氣中,所謂干燥的纖維素纖維實(shí)際上并非絕對干燥的,而是吸附著一定的水分。纖維中水分的含量通常是采用吸濕率或回潮率以及含水率這兩項(xiàng)指標(biāo)表示的。若以D表示試樣的絕對干燥重量,W為試樣吸收水分的重量,則回潮率或吸濕率(R)和含水率(M)分別是纖維在大氣中吸濕的多少,除了與纖維種類有關(guān)外,還與大氣相對濕度和溫度有關(guān)。例如棉纖維在相對濕度為65%,溫度為20℃的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的吸濕率大約為7~8%。如果把比較干燥的纖維放置到比較潮濕的環(huán)境中去,經(jīng)過一定時(shí)間后則纖維的吸濕率回增加到一定值,建立起動態(tài)平衡,這種現(xiàn)象稱之為增濕;相反,把比較潮濕的纖維放置在比較干燥的環(huán)境中,則纖維的吸濕率會逐漸減小,直到建立起動態(tài)平衡,這種情況稱之為脫濕滯后現(xiàn)象。纖維的增濕與脫濕的吸濕率并不相等,該現(xiàn)象稱為吸濕滯后現(xiàn)象。纖維的吸濕主要是發(fā)生在纖維的無定型區(qū)和晶區(qū)的表面。關(guān)于纖維的吸濕機(jī)理,通過研究,認(rèn)為纖維素分子中的親水性羥基是吸濕中心,可直接地吸著水分子,形成單分子層吸濕,而后是水分子層的加厚,間接地吸附水分子。纖維具有吸附水分的特性,不僅關(guān)系到纖維的真實(shí)重量,而且對纖維的很多性質(zhì),都會產(chǎn)生一定影響。例如一些合成纖維制品穿著起來比較悶,容易產(chǎn)生靜電,使人有不舒適感覺的主要原因,就是由于這些纖維的分子結(jié)構(gòu)中缺少吸濕中心,吸濕性很差所造成的。纖維吸濕時(shí)伴隨發(fā)生體積增大的溶脹(或膨化)現(xiàn)象。纖維在溶脹時(shí),直徑增大的程度遠(yuǎn)比長度的增長大得多,這種現(xiàn)象稱為纖維溶脹的異向性。纖維由于吸濕而發(fā)生的溶脹現(xiàn)象基本上是可逆的,也就是說隨著纖維吸濕的降低,溶脹程度也發(fā)生相應(yīng)地減小,后會回復(fù)原狀。纖維素纖維吸濕后發(fā)生溶脹現(xiàn)象的原因,主要是由于纖維素分子中的親水性羥基吸濕后,削弱了纖維無定形區(qū)分子間的相互聯(lián)系,因此,該區(qū)域中的分子鏈段運(yùn)動范圍增大,有類似于低分子物溶解的溶脹現(xiàn)象發(fā)生。然而從纖維素分子結(jié)構(gòu)來看,除分子量較高外,其他方面與葡萄糖的情況相似,在水中也理應(yīng)多少有一點(diǎn)溶解度,但實(shí)際并不如此,僅能發(fā)生有限可逆溶脹,這是由于溶脹只發(fā)生在纖維無定形部分,而結(jié)晶部分不發(fā)生溶脹,還有限制纖維溶脹的作用。所以纖維素纖維在水中邊不能發(fā)生無限溶脹--溶解。分子結(jié)構(gòu)相同或極為相似而超分子結(jié)構(gòu)不同的纖維,它們在水中的溶脹程度也就不一樣。
3、纖維素的降解(退化)反應(yīng)能使纖維素分子發(fā)生降解的反應(yīng)是比較多的,從染整角度來說,這類反應(yīng)是有害的,將使纖維受到損傷,應(yīng)力求避免。
1)、酸對纖維素的作用染整工藝過程中常?;赜盟醽硖幚砜椢?,例如漂白后的酸洗等。用酸時(shí),必須對濃度、溫度和時(shí)間等條件都要加以嚴(yán)格控制,此后還必須將酸從織物上徹底洗凈,否則便會引起纖維損傷,導(dǎo)致強(qiáng)度降低。酸對纖維素的作用,主要是對纖維素分子中苷鍵的水解起催化作用,使纖維素聚合度降低。所以纖維素纖維對酸比較敏感,但是這種敏感性是相對的,在適當(dāng)條件下,還是有一定穩(wěn)定性的。實(shí)踐證明,在其它條件相同時(shí)(例如酸的濃度、處理的時(shí)間和溫度),強(qiáng)的無機(jī)酸如硫酸、鹽酸等作用劇烈,磷酸較弱,硼酸更弱;至于有機(jī)酸即便是強(qiáng)的,蟻酸以及醋酸等的作用也還是比較緩和的。在使用強(qiáng)無機(jī)酸時(shí),若能適當(dāng)控制條件,不致立即引起纖維的嚴(yán)重?fù)p傷,現(xiàn)將有關(guān)的影響因素說明如下:(1) 溫度:在20~100℃的范圍內(nèi),酸的濃度恒定,溫度每提高10℃纖維素水解速度可增加2~3倍;(2)濃度:當(dāng)酸的濃度在3M以下時(shí),纖維素水解速率與酸的濃度幾乎成正比。當(dāng)酸濃度大于3M時(shí),纖維素水解速率比酸濃度增大的速率為快;(3) 時(shí)間: 在其它條件相同的情況下,纖維素水解程度與時(shí)間成正比。適當(dāng)掌握各種影響因素,便可控制反應(yīng)發(fā)生的程度。例如棉纖維在濃度為2G/L硫酸溶液中,于80℃處理60分鐘,纖維強(qiáng)度要降低25%,若處理溫度比較低,時(shí)間比較短,則纖維的損傷就要輕得多。用0.1~1G/L硫酸在緩和條件下處理棉纖維,就不致使纖維強(qiáng)度發(fā)生明顯下降。總之,在染整加工中使用強(qiáng)無機(jī)酸時(shí),應(yīng)給以足夠重視,特別要避免在帶酸的情況下進(jìn)行干燥,否則將會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。
2)、纖維素的氧化棉或滌棉混紡織物的漂白,是采用氧化性漂白劑來完成的,但這并不意味著纖維素對氧化劑的作用是穩(wěn)定的;相反,一些氧化劑可以使纖維素發(fā)生嚴(yán)重降解,然而在適當(dāng)條件下,既可以滿意地保存纖維,又能滿足加工的要求。在染整加工中,纖維素受到的氧化作用,通常都是在以水為介質(zhì)的情況下發(fā)生的,反應(yīng)是不均一的,主要發(fā)生在纖維的無定形部分和結(jié)晶區(qū)表面,這一點(diǎn)和纖維素水解是相似的。如果纖維素僅被氧化成上述的一些產(chǎn)物,從分子結(jié)構(gòu)上來看和纖維素的水解有所不同,并未真正發(fā)生分子鏈的斷裂(當(dāng)然進(jìn)一步被氧化后也是會發(fā)生的),只是葡萄糖環(huán)發(fā)生破裂,理論上,纖維的強(qiáng)度和纖維素銅氨溶液的粘度應(yīng)顯著下降,而實(shí)際強(qiáng)度變化不大,但不穩(wěn)定,經(jīng)過堿處理后便大幅度下降,這種現(xiàn)象稱之為纖維受?quot;潛在損傷"。實(shí)踐證明,次氯酸鈉漂白的棉纖維常具有這種損傷。判斷纖維在漂白過程中所受到的損傷程度,通??蓽y定纖維或制品強(qiáng)度來加以表明。但應(yīng)當(dāng)清楚,纖維強(qiáng)度的降低,只能反映纖維素分子鏈在漂白過程中已發(fā)生斷裂的那部分造成的損傷,卻不能反映纖維所受到的全部損傷,如果測定堿煮后的強(qiáng)度便能比較全面地反映問題,此外也測定纖維素銅銨或銅乙二胺溶液粘度的變化來加以了解。
4、 及液氨對纖維素纖維的作用
1) 堿對纖維素纖維的作用棉布印染廠常利用燒堿進(jìn)行織物的處理和加工。例如用稀堿液進(jìn)行棉布的退漿、煮練,用濃燒堿液進(jìn)行絲光,因而可以認(rèn)為纖維素本身對堿是相當(dāng)穩(wěn)定的。當(dāng)然這種穩(wěn)定性是相對的,在一定條件下堿也會引起纖維素的降解。當(dāng)氫氧根離子濃度和溫度都比較高(例如1.0NnaOH,170℃)的條件下,纖維素的降解作用,是十分劇烈和迅速的。并且當(dāng)纖維上有堿存在時(shí),堿將起著空氣中的氧對纖維素氧化的催化作用。因而在棉布染整加工中,使用燒堿時(shí),在高溫、高濃度的條件下應(yīng)該予以足夠的重視,特別要注意避免帶堿的棉布長時(shí)間與空氣接觸,以免纖維素受損。利用濃燒堿(大約18~25%)進(jìn)行棉布或滌棉混紡織物的絲光,是棉布印染廠中的一個(gè)重要工序,如果控制恰當(dāng),就可以達(dá)到改善纖維性能的目的。棉纖維在濃堿中發(fā)生了劇烈溶脹,,而且和水的作用不同。水僅能拆散纖維無定形部分分子間的結(jié)合力,并使之發(fā)生溶脹,而濃堿液卻能深入到纖維的晶區(qū),部分地克服晶體內(nèi)的結(jié)合力,使晶格發(fā)生一定程度的溶脹和破壞,但是仍不能克服晶體內(nèi)所有的結(jié)合力,而使之發(fā)生無限溶脹。水洗后,經(jīng)過這樣巨大變化后的分子鏈便不可能全部回復(fù)到原來的狀態(tài),使纖維的形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的變化,因而利用這種性能所獲得的紡織品整理效果將是持久的。
2) 液氨的作用液氨處理對棉纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響與濃燒堿也的作用有很多相似之處,主要有以下幾點(diǎn):化學(xué)活潑性的提高;形態(tài)變化和光澤的改善。液氨處理對棉纖維機(jī)械性能影響的規(guī)律與濃燒堿的作用基本相似,由于棉纖維在這兩個(gè)處理過程中都具有很大的可塑性,因此張力對性能的影響是極其重要的。有些資料認(rèn)為液氨處理對提高紗線或織物機(jī)械性能的改善要比燒堿絲光好些,也有資料認(rèn)為棉布經(jīng)過液氨處理更適宜進(jìn)行樹脂整理。與濃堿液相比,液氨分子體積小,粘度低,對棉纖維溶脹的程度較小,以致處理比較均勻,這可能就是液氨處理能使紗線或織物機(jī)械性能獲得較大改善和更適合于進(jìn)行樹脂整理的原因。
5、其他的化學(xué)作用從化學(xué)的觀點(diǎn)可以將纖維素看作是多元醇,它能進(jìn)行一系列醇所能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。因此就可利用這一特性進(jìn)行棉織物的化學(xué)整理、染色或化學(xué)變性。如利用纖維素和硝酸反應(yīng)的性質(zhì),可制成再生纖維(火藥棉);利用纖維素和醛反應(yīng)的性質(zhì),可對纖維進(jìn)行防皺整理等。
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