纤维素纤维 纤维化学与物理82页PPT

第一节 纤维素的化学结构及生物合成
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从能源的观点看：
太阳能是无限的，而植物经过叶绿素与水和二氧 化碳进行光合作用，产生大量纤维素也是无限的。 所以可以说纤维素是自然界中取之不尽，可以再生 的有机资源。
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一．纤维素的化学结构
研究方法：纤维素是天然高分子化合物，其化学 结构式的确定，就是将纤维素水解成纤维素叁糖、纤 维素贰糖，最后一个产物是葡萄糖。
Wi
=
--------∑wi
=
-----------∑ni Mi
∴
Mη=
(
-
-
-
-∑-n- -i
-M--i -
+1
--
)1/
∑ni Mi
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当α= -1时
Mη=
- - - - ∑- -n-i -M- -i ∑ni
=
Mn
当α = 1时
Mη=
-
-
-
-
-
-∑-n--i
M --
i
2
=
∑ni Mi
2．质均分子量Mw
Mi2
wi
---M--w = ∑--------- Mi =
∑wi
∑ni ------∑ni Mi
Pi Pw
=
----M--w-----162
=
∑ - -w- -i - - - - - ∑wi
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3.黏均分子量Mη
Mη= ( ∑Wi Mi )1/
∵
wi
ni Mi
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2．溶解分级及沉淀分级的原理 C1 / C2 = e-Pε/ k t

(3) 纤维素中的羟基:
含有三个游离醇羟基，其中在C6上的羟基为伯羟基，而
C2、C3上的羟基为仲羟基。
.
6
(4) 纤维素大分子中的末端基 一端为还原性末端基； 另一端为非还原性末端基。
还原性末端基
非还原性末端基
.
7
二、 纤维素的物理结构
1、纤维素结晶变体 纤维素——一种同质多晶物质 五种结晶体形态：纤维素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、X
纤维素链分子很长，在5000~10000 × 10-10 m之间；
➢结晶区的长度大约为2000 × 10-10 m； ➢ 无定形区的的长度约为300~400 × 10-10 m； ➢ 纤维素链可以重复穿过结晶区和无定形区。
.
17
① 缨状微胞结构理论 纤维素纤维是由晶区和非晶区构成，同一大分子可以连
纤维素 Ⅰ平 行链结构
纤维素 Ⅱ 反平 行链、相似的氢 键链片结构
.
12
（4）纤维素Ⅳ晶 纤维素Ⅳ晶——由纤维素Ⅰ、纤维素Ⅱ或纤维素Ⅲ在极性液
体中加以高温处理而生成的，故有“高温纤维素”之称。
纤维素Ⅲ Ⅰ
260℃甘油中热处理
纤维素Ⅳ Ⅰ
纤维素Ⅱ或 Ⅲ Ⅱ
水或甘油中热处理
纤维素Ⅳ Ⅱ
.
13
纤维素Ⅳ Ⅰ和纤维素Ⅳ Ⅱ 区别 ①单位晶胞参数相同
②分子链极性和堆砌不相同
纤维素Ⅳ Ⅰ
平行链结构
纤维素Ⅳ Ⅱ
反平行链结构
.
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（5）纤维素Ⅹ 纤维素Ⅹ是纤维素新的结晶变体。它是用浓HCl（重
量百分数38 ~ 40.3 %）作用于纤维素而发现的。 特征： ①纤维素Ⅹ的聚合度很低； ②纤维素Ⅹ单位晶胞大小与纤维素Ⅳ几乎相等； ③纤维素Ⅹ晶胞形式：单斜晶胞或正交晶胞；

➢亚麻的单纤维由果胶等杂质紧密粘结，不 能直接纺纱，先脱胶制成精洗麻，再除去 表皮和木质素制成打成麻，才能进行纺纱。 单纤维短，不能单纤维纺纱，只能先粘结 成纤维束进行工艺纤维纺纱。服用或装饰 用。
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1.1.2 纤维素大分子的分子结构
一、化学结构式 二、大分子结构特点
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棉纤维的加工过程
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3、棉纤维形态结构
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3、棉纤维形态结构
棉纤维的横截面
➢ 腰子形或耳状 ➢ 较薄的初生胞壁 ➢ 较厚的次生胞壁
（纤维素主体） ➢ 中空的胞腔
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3、棉纤维形态结构
棉纤维的纵向形态
➢ 扁平带状 ➢ 有天然扭曲
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
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1.1.1纤维素纤维的形态结构
一、棉纤维形态结构 二、麻纤维形态结构
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一、棉纤维形态结构
1、棉纤维的生长
➢ 棉纤维是种籽纤维，它是由棉籽表皮细胞突起生 长而形成的，每根棉纤维就是一个细胞。棉纤维 的生长可分为三个阶段：
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棉纤维生长的三个阶段
延长阶段
胞壁增厚、胞腔 缩小、原生质转 变为纤维素

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2.2.3 麻纤维
优点：纤维长，强度高，浸水后拉伸强度更高，耐腐蚀，吸收和散发水分 快，散热快，具有绝缘性。
缺点：弹性差，伸度小，太刚硬，染色性差，色牢度差。
一、麻纤维的成分
1 纤维素：70—75%，其结晶度为90%以上，取向度在90%以上，强度高伸度 小。麻纤维中纤维素在无机酸的作用下，β1-4-甙键会发生水解，由于麻纤 维外表有层胶质，起保护作用。碱处理可以使麻纤维变得富有弹性和光泽， 低聚合度部分发生溶解，改善了纤维的机械性质。
OH n
OH
木糖
OH
戊
糖
O
O
H2 OC
O H
+n H2O
n
HO H2C
O H
O H
O H n
阿拉伯糖 O H
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多缩甘露糖
CH2OH O
OH OH
+ nH2O
O
n
多缩半乳糖
CH2OH O
O
OH
+ nH2O
多缩葡萄糖
OH
n
CH2OH
O
n OH OH
OH
OH
己
CH2OH
OH
OH
糖
O
n OH
OH
OH
+ nH2O
CH2OH OH
O
n OH
OH
OH n
精选PPT -D-葡萄糖
OH
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2.2.1 纤维素的基础知识
4 纤维素的聚集态结构
纤维素纤维是由许多纤维素分子组成的，是半结晶的。纤维 素的结构是由许多纤维素大分子形成的连续结构在大分子分 布最紧密的地方它们平行排列，取向度良好，构成了纤维的 定向部分，大分子间的结合力随着分子间距离的缩小而增大， 在这些距离最小的地方大分子间的结合力最大。当大分子的 密度较小时，大分子之间的结合程度也减弱，有较多的空隙， 大分子的分布不平行，较为混乱，这就形成了纤维素的非结 晶部分或无定形部分。由于纤维素在长度方向具有连续的结 构，因此，一个单独大分子的一部分可能处于纤维素的结晶 区域，另一部分则可能处于纤维素的无定形区域，或者穿过 无定形区进入其他的结晶区域 。表示纤维素大分子结晶区 含量大小的指标—结晶度。

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1.4纤维素晶须和纳米微晶制备
天然植物纤维素具有复杂的多级结构， 一根纤维素由若干纤维素微纤维组成的， 一根纤维素微纤维有由若干根纤维素分子 组成的。纤维素中农分布着纳米级的晶须 和无定型的部分，依靠分子内及分子间数 量众多的氢键和范德华力维持着自组装的 大分子结构和原纤的形态。用强酸，碱或 者酶处理天然纤维，即纤维被拆分为更细 小的微纤维。
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2.5NaOH/尿素体系
• 纤维素在室温下不能完全溶解在NaOH/尿素水溶液中，但是将NaOH/尿 素水溶液预冷至-12~-10 ℃却可以快速溶解纤维素。 NaOH/尿素水溶液在低 温下形成了高度稳定的氢键网络结构，创建了新的复合物，通常在NaOH水 溶液中，OH-和Na+离子分别以你［OH(H2O) n］-和［ Na(H2O) m ］+形式存 在。在室温时，水和缔合物之间的快速交换使［OH(H2O) n］-和［ Na(H2O) m ］+难以形成和保持新络合物结构，而在低温条件下，慢的交换使缔合离 子则容易保持它们的结构。因此，在-12 ℃时［OH(H2O) n］-更容于与纤维 素链结合形成新的氢键缔合物，导致纤维素分子内和分子间氢键破坏，使纤 维素溶解。
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2.4离子液体体系
• 离子液体是由有机阳离子与无机阴离子构成的离子化合物，在室 温或者室温附近温度下呈现液体状态，又称低温熔融盐。在加热条件 下，离子液体中的离子对发生解离，形成游离的阳离子，和阴离子Cl-， 阴离子Cl-与纤维素大分子链中羰基上的氢原子形成氢键，而游离的阳 离子与纤维素大分子链中的羟基上的氧原子作用，从而破坏了纤维素 中原有的氢键，导致纤维素在离子液体中的溶解。
离子液体体系

丝光：棉纤维在一定浓度的氢氧化钠溶液或液氨中处理 后，纤维横向膨化，从而截面变圆，天然转曲消失，使 纤维呈现丝一般的光泽。如果膨化的同时再给予拉伸， 则在一定程度上可改变纤维内部结构，从而可提高纤维 强力。
五、 棉纤维的分类
1.按品种分：细绒棉（陆地棉）/长绒棉（海岛棉）/粗绒棉 （亚洲棉）/草棉（非洲棉）； 2.按棉花色泽分:白棉、黄棉和灰棉。 3.按初加工方法分:锯齿棉和皮辊棉。
2.线密度(细度)
（1）我国棉纤维的线密度检验现采用中段称重法和气流 测定法。
由于气流测定法快速、简便、代表性强，故已广泛 应用于国产细绒棉。长绒棉和部分外棉则尚用中段称 重法。
(2) 影响棉纤维线密度的因素
棉纤维的线密度主要取决于棉花品种、生长条件等。 一般长绒棉较细，为1.11~1.43dtex（9000—7000公 支），细绒棉较粗，约1.43—2.22dtex（7000—4500 公支）。
轧花： 原棉（皮棉）： 衣分率：
锯齿棉 对纤维作用 外观形态 主体长度及整齐度 除杂设备 轧工疵点 适宜加工 产量 剧烈，纤维损伤较大 松散
皮辊棉 缓和，纤维损伤小 薄片状
主体长度短，整齐度较高 长，低、短绒没法去除 有排杂、排僵设备 多，如棉结、索丝等 细绒棉 高 无排杂设备 少，有黄根 长绒棉 低
(3)棉纤维的线密度（细度）与纺纱工艺及成纱质 量关系
在成熟正常的情况下，棉纤维的线密度小，有利于 成纱强力和条干均匀度，可纺线密度低的纱。
3.吸湿性
（1）我国原棉的回潮率一般在8%—13% （2）我国规定原棉的标准含水率为10% （3）回潮率与纺纱工艺的关系

原棉含水的多少会影响重量、用棉量的计算及以后 的纺纱工艺。回潮率太高的原棉不易开松除杂，影响 开清棉工序的顺利进行，还容易扭结成“萝卜丝”。 回潮率太低则会产生静电现象，造成绕罗拉、绕皮辊、 纱条中纤维紊乱、纱的条干不均匀等

图7-7 β-烷氧消除反应
◆取代基在每个葡萄糖单元上的取代分布，即在3个 羟基上的取代分布。这一分布的均一性影响到（a）产 品的溶解度；（b）溶液的稳定性；（c）产品的溶解 性质。
纤维素纤维的反应性
经历如下反应过程： （1）表面过程：在原纤表面上的反应； （2）大不均匀过程（macro heterogeneous process）：反
CC H Ｏ·
Ⅴ
+HO·
OH OH OHOH
C C· + H
Ⅱ
CC H OH
Ⅵ
OH OH
C C +HO· HH
Ⅰ
HO·+ HO·
OH OH C C· +H2O HＯ
Ⅱ
H2O
羰基形成
OH OOH CC H ＯH
Ⅵ
OH OH C C +H2O H ＯＯ
Ⅶ
图7-6 碱纤维素游离基自动氧化机理
温度对碱纤维素的自动氧化降解有极大的影响，
◆ 摩尔取代度（Molar Degree of Substitution, MS） 当纤维素醚生成侧向分支的醚时，平均每个失水葡萄糖 单元上所结合的取代醚基总量。MS的大小与侧链形成的 程度有关，理论上，MS的值可以是无限的，对纤维素烷 基、羧烷基衍生物，DS与MS是相同的，对纤维素羟烷基 衍生物，当一个羟烷基被引入纤维素分子链时，就形成了
（5）整条纤维素链上不同失水葡萄糖单元与反应试剂间 的反应；
（6）每个失水葡萄糖单元上三个不同羟基与反应试剂的 反应。
纤维素纤维有复杂的结构和超分子超分子结构，使纤维素与 化学反应试剂的反应存在不同层次的不均匀性。
（a）
CH2OR
H
O

• 目前在世界上有美国、英国、日本、德国、意大利等国家 生产铜氨纤维产品。日本旭化Байду номын сангаас工业开发的一种铜氨纤维 ，该纤维素的铜氨络合物含均匀分散的电气石的铜氨纤维 经葡萄糖处理而制成。该纤维增大活性电子的放出量，由 身体细胞给予高活化作用。
小结
纤维素纤维具有良好的皮肤接触性、穿着舒适性 、生理安全性、吸湿性和易整理性以及其制品易 生物分解等一系列合成纤维所无法完全具备的特 性，因而以纤维素纤维为原料的非织造布在医疗 、护理、卫生用品、化妆用品以及其它工业领域 有着独特的用途。在欧、美、日发达国家，纤维 素纤维已作为一种重要的非织造布原料，得到广 泛应用。生物可降解的纤维素纤维有棉纤维、粘
醋酸纤维
• 制备：是将纤维素醋酸酯溶于有机溶剂， 通过精制后由干法纺丝制备得到一种纤维 素纤维。醋酸纤维是一种无定形聚合物。
• 性能特点：一般不耐受碱，但对一般的盐 耐受性好，耐日光性良好，醋酸纤维的特 性在化纤中最接近真丝。
• 应用：主要用于绒织物、装饰用绸、高档 里子料、时装及高级时装面料等方面。
• 陆地棉是一种用途很广的天然纺织纤维，又称细绒棉或高 原棉。纤维色泽洁白，带有丝光，长度23~33mm。陆地 棉因最早在美洲大陆种植而得名，是世界上四大棉花栽培 种中重要的品种。
• 亚洲棉栽培种植物种籽上被覆的纤维，因纤维粗短又称粗 绒棉，是中国利用较早的天然纺织纤维。亚洲棉是古老的 栽培种，因最早在亚洲种植而得名。
棉纤维的截面：
由许多同心圆组成，目前可区分出初生层、 次生层和中腔三个部分，共计六个层次。
棉纤维的品种和色泽分类分类：
• 细绒棉：又称陆地棉。纤维线密度和长度中等， 一般长度为25~35mm，色泽洁白或乳白色，有 丝光。我国目前种植的棉花大多属于此类。

图3－12棉花纤维的结晶区与无定形区结构的STM图像(隧道电流 0.31nA ， 偏压508mV， 扫描范围40nm×40nm )
图3－13 棉花纤维的分叉结构的STM图道电流0.31nA ， 偏压 506mV，扫描范围40nm×40nm
O
H
H
OH
H
O
OH
H
CH2OH
H H
O OH
OH
H
H
H
OH
H
H
H
O
CH2OH
O
OH
H
H
H
OH
❖ 纤维素分子中的葡萄糖剩基（不包括两端） 上有三个自由存在的羟基，2、3位上是两个 仲羟基，6位上是一个伯羟基，它们具有一般 醇的特性；
❖ 右端的剩基中含有一个潜在的醛基，使纤维 素具有还原性。
第三节 纤维素纤维的超分子结构
棉纤维是从棉籽表皮上 细胞突起生长而成的。 每根棉纤维就是一个细 胞。
成熟棉纤维的外形可描 述为：上端尖而封闭， 下端粗而敞口，整根纤 维为细长的扁平带子状， 有螺旋状扭曲，纤维截 面呈腰子形，中间有干 瘪的空腔，成熟棉纤维 的形态如图3－1所示。
图3－1 成熟棉纤维的形态结构
❖ 一、棉纤维的形态结构
第三章 纤维素纤维的结构和性能
本章主要内容
❖ 第一节 纤维素纤维的形态结构 ❖ 第二节 纤维素大分子的分子结构 ❖ 第三节 纤维素纤维的超分子结构 ❖ 第四节 纤维素纤维的主要物理—机械性能 ❖ 第五节 纤维素纤维的主要化学性质 ❖ 第六节 纤维素共生物 ❖ 第七节 黏胶纤维、铜氨纤维和醋酯纤维的基本特性 ❖ 第八节 亚麻纤维结构和特性 ❖ 第九节 新型纤维素纤维 ❖ 第十节 天然彩色棉