纤维化学与物理总结

纤维化学与物理

（适合轻化工程专业染整方向）安徽

1、简述纤维的结构层次

纤维的结构层次涉及T链结构、聚集态结构以及纤维的形态结构；链结构包括近程结构和远程结构，近程结构主要研究结构单元的化学组成、结构单元的键合、分子链的键合、共聚物结构以及高分子链的构型；远程结构主要研究相对分子质量及其分布、分子链构象和分子链旋转及刚柔性；聚集态结构包括三次结构和高次结构，三次结构有晶态结构、非晶态结构、取向态结构和液晶态结构，而高次结构又称织态结构。纤维的形态结构主要有纵向外观和截面形状。

2、合成纤维为什么既要牵伸又要进行热处理

初生纤维是无定形的，取向度很差，需要进一步牵伸取向，提高合成纤维的强度；

热处理是为了使较小的链段解取向消除内部应力，这样使得纤维既有高强度；又使纤维具有适当的弹性，同时还具有较好的尺寸稳定性。

3、为什么大多数纤维是结晶性聚合物？

这是由纤维性能决定的：纤维既有弹性柔性又有强度，取向提供强度，链段运动提供弹性柔性，而结晶高聚物，晶区可维持稳定的取向，非晶区能提供弹性和柔性；但是非晶高聚物，刚性大分子可维持稳定的取向但不能提供弹性和柔性，柔性大分子能提供弹性和柔性但不能维持稳定的取向。

4、为什么硝化纤维素难溶于乙醇和乙醚却溶于乙醇和乙醚的混合溶剂中？若硝化纤维素的δ=95，乙醇δ=127，乙醚δ=74混合溶液按什么比例混合能溶解硝化纤维素？

硝化纤维素δ＝8.5～11.5，乙醇（δ＝12.7）和乙醚（δ＝7.4）按适当比例混和能得到δ与硝化纤维素相当的混和溶剂，而且混和溶剂的极性也与硝化纤维素相似；微溶于1：3的乙醇－乙醚混合溶剂。

5、为什么纤维素不能溶于水却能溶于铜氨溶液？

由于铜与葡萄糖残基形成了铜的配合物而使纤维素溶化而溶解。铜氨溶液为20％CuSO4的氨水溶液，与纤维素的反应示意如下：

6、棉、羊毛纤维的天然卷曲是如何形成的？

羊毛天然卷曲：在羊毛的同一截面，O皮质细胞的含量比P皮质细胞多；O皮质细胞排列疏松，始终位于羊毛卷曲波形的外侧，而P皮质细胞排列紧密，位于卷曲波形的内侧，O、P皮质细胞的双侧异构分布结构，它形成了羊毛纤维的天然卷曲。

棉的天然卷曲：由于棉纤维生长发育过程中微原纤沿纤维轴向呈螺旋形排列的结果

7、在生产加工和日常生活使用中，各种纤维可能断裂的方式有几种？为什么纤维材料的的理论强度很高而实际强度却低得多？请根据纤维材料的断裂机理分析棉、麻和粘胶纤维的断裂机理，并说明其干湿强度的变化及原因。

答：纤维大分子链的排列方向一般平行于受力方向，纤维在外力作用下发生断裂可能是分子链的断裂和分子链间的相对滑脱所引起的。 纤维的实际强度之所以小于理论强度，是因为纤维的结构不是均匀的理想的，其存在许多薄弱环节，如微细的裂缝、空洞、气泡等，当受到外力作用时，纤维的断裂首先从这些薄弱环节开始。同时纤维的取向也不是理想的取向，此时纤维中的大分子也不可能均匀承受外力，而是先使未取向的分子链段间的H间或范德华引力破坏，应力逐渐向其他部位扩展，集中到少数取向的分子链上，对于聚合度、结晶度、取向度高的纤维，由于其分子间的作用力大，导致了分子链的断裂而使纤维破坏；而对于聚合度、结晶度、取向度低的材料，由于其分子间的作用力小，导致了分子链间或其结构单元间的滑移而使纤维破坏。

8、我们日常生活中经常会对毛料服装进行熨烫，这是利用羊毛的什么性质？对其进行简要分析。 利用了羊毛的可塑性，羊毛在湿热条件下，可使其内应力迅速衰减，并可按外力作用改变现有形态，再经冷却或烘干使形态保持下来的性能；服装熨烫，在湿热和外力作用下，使得服装变得平整无皱，形成的褶裥也可保持较长时间。

9、棉纤维的耐碱性如何？生产中常对棉纤维进行丝光加工，分析浓碱作用下棉纤维发生剧烈膨胀？处理后其聚集态结构发生了变化？棉纤维经酸和氧化作用的相似及相异之处。

棉纤 维耐碱性较好；

棉纤维经浓烧碱溶液处理后，纤维即发生膨化，其直径增大而长度缩短，纤维从原来扁平状变成平滑柱形，同时棉纤维所特有的胞腔及天然捻度也消失，处理时若及时加以张力，纤维表面小皱纹消失，则纤维就显现出似丝一样的光泽。

棉纤维和浓烧碱溶液作用后，纤维发生膨化，生成一种新的化合物，称碱纤维素。关于碱纤维的组成有以下两种可能：一种认为碱与纤维素作用后生成分子化合物，另一种认为碱与纤维素作用后生成醇金属化合物。以上两类化合物都是不稳定的，清水洗去碱后发生水解，经水解后的碱纤维素，称为水化纤维素或丝光纤维素。丝光纤维素与未丝光纤维素化学组成相同，结晶结构不同，称结构变体。纤维素结构变体后，性能上有以下变化：

a）棉纤维经丝光后，结晶区减少，无定形区增加，改善了吸附能力，吸湿性、上染力提高。

b）棉纤维膨化后，形态改变，由原来腰圆形变为圆形，对光的反射效果增加，使织物产生柔和的光泽。

c）氢键的破坏与重组，能改善织物尺寸稳定性。

相同点：都在漂白及染色等染整过程中进行，且均使纤维的聚合度下降，最终生成羧基或羧基化合物，还原性加强。 相异点：酸对纤维素的水解作用使14-gan键水解，在断裂处与分子结合形成-oH、醛基。纤维强度下降明显。 氧化剂对纤维素的氧化作用主要发生在葡萄糖基环C2,C3,C4位的三个自由羟基和大分子末端的潜在醛基上，根据不同的条件相应生成醛基，酮基和羧基，形成潜在损伤，聚合度下降但强度变化不明显（其铜氨溶液粘度下降，），碱性环境中容易发生贝塔-分裂

10、简述纤维素的化学性质？

答：纤维素纤维具有耐碱性，但含碱棉纤维能与空气中氧气发生强烈的氧化作用； 液氮对纤维素纤维有溶胀作用；铜氨氢氧化物对纤维素有溶解作用；耐酸性差，易发生水解降解；对氧化剂不稳定，能被一些氧化剂氧化；抗热性较好，光照作用有光解作用和光敏作用等。

11、名词解释：

第一章

聚合度：n代表重复单元的数目，成为聚合度。

结构单元：聚合物口号内的化学结构称为结构单元。

重复单元：口号内的结构也可称为重复单元或链节

链节：同上。

链式聚合： 逐步聚合 加聚反应：不饱和乙烯类单体及环状化合物，通过自身的加成聚合反应而生成高聚物，称为。。

缩聚反应：含有两个或两个以上官能团，通过缩合聚合反应，消除小分子副产物而生成高聚物，称为缩聚反应。

第二章

一次结构：一个大分子内一个结构单元或几个结构单元间的化学结构和立体化学结构。

二次结构：整个分子的大小和在空间的形态，即构象。

三次结构：由微观的结构向宏观结构过渡，成为晶态结构，非晶态结构，取向态结构，也晶态结构，描述高分子聚集体中分子之间如何堆砌的。

高次结构：不同高分子之间或高分子与添加剂分子之间的排列或堆砌结构，称为高次结构。

聚集态结构：指具有一定构象的高分子链通过范德华力或氢键的作用，聚集成一定规则排列的情况。

超分子结构：如果高分子本身是嵌段，接枝共聚，或采用两种或两种以上高分子共混，已经通过掺入添加剂或其他填料等对共聚物改性，这样所形成的不同高分子的多相复合体系，其相与相之间的结构称为之态结构，由于它们的结构尺寸已经超过高分子自身的尺寸，所以也称为超分子结构。

构型：取代基围绕特定原子在空间的排列规律。

构象：由于单键内旋转所形成的分子内各原子在空间的几何排列和分布称为构象。 柔顺性：高分子的形状不但是弯弯曲曲或卷曲成无规则线团状，而且是瞬息万变的。

内旋转势垒：分子从一种内旋转异构体转到另一种内旋异构体所需要的活化能。

链段：大分子链上任何一个单键在进行内旋转时，由于分子链很长，受到牵连的部分可视作主链上能独立运动的最小单元，称为链段。

末端距：大分子卷曲时分子两端的距离，称为末端距。

高斯链：凡符合h0^2=Zb^2式子的大分子链是一种典型的柔性连，称为高斯链。

第三章

特克斯：俗称号数，是指纤维在公定回潮率下，1000m长度所具有的质量（g）。

旦尼尔：是指纤维在公定回潮率下，9000m长度所具有的质量（g）。

绝对湿度：绝对湿度H是指单位体积空气中所含水的质量，单位为g/m^3,它与水蒸气分压E的关系为：E=﹛22.4×101.3×（273+t）·H﹜／﹙18×273﹚

相对湿度：相对湿度RH是指绝对湿度H与同温度下饱和状态的绝对湿度Hs之比。RH=H／Hs×100％

标准大气：标准大气亦称大气的标准状态，用3个基本参数表征：温度，相对湿度和大气压力，国际标准规定，温度为20℃﹙热带可为27℃﹚，相对湿度（RH）为65%，大气压力在86~106kPa。

回潮率：回潮率系指纺织纤维内水分质量与绝对干燥纤维质量之比的百分数。

吸湿平衡：放置于某一温度和湿度下的纤维，其回潮率逐渐趋于一个稳定值，这种现象称为吸湿平衡。

吸湿滞后：吸湿性好的天然纤维和黏胶纤维等，在相对湿度为0~100﹪，脱湿等温线始终高于吸湿等温线，两者不重合，称为吸湿滞后。

溶胀：纤维在吸湿的同时伴随体积的增大，称为溶胀。

模量：产生单位张应变所需的张应力称为弹性模量。

拉伸强度：材料产生最大均匀塑性形变所产生的应力值。

断裂伸长：纤维的一端固定，另一端向下悬垂并不断伸长，由于其自身质量而断裂时的长度。

屈服点：产生屈服现象的最小应力值。

屈服应力：应力-应变曲线上屈服点所对应的应力。

第四章

初生胞壁：简称P层，也称初生层，在表皮层里侧，由网状原纤组成，初生胞壁的厚度仅为0.1~0.2um，质量占纤维总质量的2.5~2.7%，其中的纤维素称原纤螺旋状结构，与纤维轴称70°~90°，纤维梢部倾角比基部大。

次生胞壁：次生胞壁简称S层，也称此生层，在初生胞壁的界面，它是纤维的主体，占纤维总质量的90%以上，主要由纤维素组成，是由纤维素在初生胞壁内沉淀而成的原纤网状结构。

苷键：由半缩醛羟基和C4上的醇羟基之间缩水形成的。苷键是苷类分子特有的化学键，具有缩醛性质，易被化学或生物方法裂解，苷键裂解常用的方法有酸，碱催化水解法，乙酰解酶催化水解法，氧化开裂法等。

铜氨溶液：氢氧化铜与氨或胺的配位化合物。

可及度：是指化学试剂可以到达并其反应的部分占全体的百分率。

Γ值：是指每100个葡萄糖剩基中其反应的羟基数目。最大为300，最小为0.

铜值：是指100g干燥纤维素能使二价铜还原成一价铜的克数。 Cell-CHO+2CuSO4+2H2O=Cell-COOH+Cu2O+2H2SO4

碘值：是指1g干燥纤维素能还原c(1/2I2)=0.1mol/l的碘溶液的毫升数。 Cell-CHO+I2+2NaOH=Cell-COOH+2NaI+H2O

Β-分裂：当强吸电子基的α-碳原子上的醚键变得不稳定，在碱的作用下容易发生断裂。

潜在损伤：某种条件下，如果纤维素只发生基团的氧化和葡萄糖剩基的破裂，并未发生分子链的二断裂，只是纤维的强度不大，而纤维素铜氨溶液的黏度却明显下降。

酸性氧化纤维素：氧化产物中羧基含量高，具有较强的酸性。

还原性纤维素： 氧化性纤维素： 铜氨纤维： 醋酯纤维： Lyocell:

第五章

等电点：当调节溶液pH值，使蛋白质分子的正负离子数目相等，此时溶液的pH值即为该蛋白质的等电点。