纤维素纤维的主要物理机械性能
第三章 纤维素纤维
第一节 纤维素纤维的形态结构
纤维素纤维包括天然纤维素纤维和再生纤维 素纤维
天然纤维素纤维：棉、麻 再生纤维素纤维：
常规：黏胶纤维、铜氨纤维、醋酯纤维 新型：Lyocell纤维 、竹浆纤维 、Modal 纤维
本节主要内容
一、棉纤维的形态结构 二、麻纤维的形态结构
一、棉纤维的形态结构
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Байду номын сангаас干 瘪的空腔，成熟棉纤维 的形态如图3－1所示。
图3-8天然纤维素单元晶格及其投影
一、X射线研究 射线研究
（二）棉纤维中纤维素的单元晶格
(2) 投影图 图3-8天然纤维素单元晶格及其投影
0.79nm
一、X射线研究 射线研究
（三）纤维的结晶度与取向度
棉纤维的结晶度约为70%，麻纤维约为90%，无张力 丝光棉纤维约为50%，黏胶纤维约为40%。 棉纤维次生胞壁外层的螺旋角在30°～35°，麻纤维 的螺旋角为6°左右。
二、电子显微镜和扫描隧道显微镜(STM )研 电子显微镜和扫描隧道显微镜 研 究
（一）棉纤维的扫描隧道显微镜(STM )图 (STM )
用扫描电镜(SEM)可以直接观察到棉纤维中的原纤组 织（图3－9）。 电子显微镜的分辨率较低，现在可用更为先进的扫描 隧道显微镜(STM )对微晶纤维素的超显微结构进行直 接观察（图3－10和图3－11）。
第二节 纤维素大分子的分子结构
棉、麻和黏胶纤维的基本组成物质都是纤维 素。纤维素是一种多糖物质，其大分子主要 是由很多葡萄糖剩基联结起来的， 分子式可 写成（C6H10O5）n。 纤维素是一个复杂同系物的混合物，棉的聚 合度为2500～10000，麻的聚合度为10000～ 15000，黏胶的聚合度为250～500 。
第四章_纤维素纤维
第三节
纤维素纤维主要的物理性质
一、纤维素纤维的吸湿性
很强：标准回潮率－－棉7%，粘胶13～14%。 原因：分子上大量的－OH，可和水分子形成H键。 吸附水种类
结合水：－OH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。
纤维吸湿后性质的变化
棉：湿强度＞干强度
纤维素大分子：β-D-葡萄糖剩基彼此以1,4-苷键联结 而成，葡萄糖单元呈椅式扭转，每个单元C2、C3及C6 位的－OH均处于水平位臵。可见P164图4－5。
改错
三、纤维素的聚集态结构
（一）概述
晶区和非晶区共存，晶区到非晶区逐步过渡，无明 显界限，一个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无 定形区。
粘胶：湿强度＜干强度
导电性：绝对干燥时是良好的绝缘体，吸湿后导电 性增加。
二、纤维素纤维的溶胀与溶解
1.溶胀 （1）有限溶胀
结晶区间溶胀
现象：溶胀剂只能到达无定形区和晶区表面。
特点：X射线衍射图不发生变化。
结晶区内溶胀
现象：溶胀剂占领整个无定形区和晶区。
特点：形成溶胀化合物，产生新的结晶格子（晶 胞），原来的X射线衍射图消失，出现新的X射线衍 射图。多余的溶胀剂不能进入新的结晶格子，只发生 有限溶胀。
≥200℃
3.纤维素纤维的结晶度和取向度
结晶度：棉纤维70%，麻纤维90%。丝光棉纤维约 50%。粘胶纤维40%。 取向度：以晶体长轴与纤维轴的夹角即螺旋角表示， 螺旋角越小，取向度越高。 纤维 麻 棉 粘胶 螺旋角/° 6～8 20～35 34
三种纤维素纤维的情况：
麻：聚合度、结晶度、取向度高。
（2）胞壁（细胞）增厚阶段
生长期：第30～50天
第三章 纤维素纤维的结构和性能
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（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。
纤维素纤维
纤维素纤维1. 纤维素纤维的概述纤维素纤维是一种重要的纤维素类纤维，广泛应用于纺织、制浆造纸、建筑材料等领域。
它具有良好的物理性能和化学性能，广泛存在于植物细胞壁中。
纤维素纤维在纺织行业中常用于制造纺织品，其特点包括耐磨损、透气性好、吸湿性强等。
2. 纤维素纤维的原料纤维素纤维的原料主要来自植物纤维，如棉、麻、竹等。
其中，棉纤维是最常用的原料之一。
棉纤维以其柔软、吸湿性强、透气性好等特点，成为许多纺织品的首选原料。
除了棉纤维，麻纤维也具有相似的优点，常用于制作高级纺织品和服装。
3. 纤维素纤维的制备方法纤维素纤维的制备方法根据不同的原料和应用需求有所不同。
其中最常见的方法是将纤维素纤维从植物中提取出来，经过去杂质、粉碎、漂白等工艺处理后，最终形成纤维素纤维。
具体的制备步骤包括：3.1 提取纤维素通过破碎植物细胞壁和溶解其他非纤维素组分，使纤维素纤维能够得到充分的提取。
提取方法包括机械法、生物法、化学法等。
3.2 去杂质将纤维素中的杂质去除，以保证最终纤维素纤维的纯度和质量。
去杂质可以通过筛选、洗涤、除尘等方式实现。
3.3 粉碎将提取的纤维素进行机械粉碎，使其颗粒大小达到所需的要求。
粉碎方法包括研磨、切割等。
3.4 漂白漂白是为了提高纤维素纤维的白度和纯度。
通常使用过氧化氢、次氯酸钠等化学物质进行漂白处理。
4. 纤维素纤维的应用领域纤维素纤维在各个领域都有广泛的应用，以下为几个主要的应用领域：4.1 纺织行业纤维素纤维在纺织行业中应用广泛，主要用于制造纺织品，如棉织品、麻织品等。
其柔软度、透气性和吸湿性优异，使得纺织品具有良好的舒适性和穿着感。
4.2 制浆造纸纤维素纤维是制浆造纸行业的重要原料之一。
通过纤维素的提取和加工，可以生产出高质量的纸浆，用于制造各种纸张和纸制品。
4.3 建筑材料纤维素纤维在建筑材料领域中有着广泛的应用。
例如，与水泥和矿渣粉等材料混合后，可以制成纤维素纤维增强水泥复合材料，增加其强度和耐久性。
纤维素纤维的主要物理机械性能
分子链及单元结构的相对滑移
弹性性质 (一）弹性特性 高分子物理和纺织上概念的差异
普弹形变包括键长和键角的变化，形变瞬间完成（与时间无 关），形变量很小。
高弹形变（T≥Tg）是当纤维被拉伸时，无定形区分子内旋转、 伸直，甚至分子链段滑移；放松后，拉直的分子链可通过内旋 转而回复。高弹形变是时间的指数函数，形变量很大。
棉纤维的湿强力>干强力 水有润滑作用，能缓和应力不匀，部分消除弱点 分子间建立交联，强度下降。 纤维的形变回复度与形变的关系 弱环定理——弱点断裂机理 定理：强力决定于纤维上最弱的一环。 纤维素纤维弹性差的原因 棉、麻纤维： 由图中可以看出： 形变小时锦纶、羊毛弹性最好； 氢键太多，分子间氢键进一步限制了内旋转，低形变时，可产生普弹形变； 2、应力应变曲线 以相对负荷（通常以牛/特表示）为纵坐标，伸长率为横坐标得到的曲线。 织物的机械性能 由断裂强度、断裂延伸度、弹性、耐磨性、撕破强力表示。 弹性性质: 是指纤维从形变中回复原状的能力。 与纤维的断裂强度、纤维的断裂延伸度、纤维的弹性都有很大关系。 1、负荷伸长曲线 以负荷为纵坐标，伸长为横坐标的拉伸过程图。 弱环定理——弱点断裂机理 定理：强力决定于纤维上最弱的一环。 织物的机械性能 由断裂强度、断裂延伸度、弹性、耐磨性、撕破强力表示。 高弹形变（T≥Tg）是当纤维被拉伸时，无定形区分子内旋转、伸直，甚至分子链段滑移； (一)纤维素纤维断裂机理
（1大、二断分）裂拉子点伸的图共指上标价的有键关指断标裂： 机理 2弹分、性初子性始质链模: 量是断：指纤纤裂维维原材从料形因拉变伸中：曲回∑线复的氢原起状键始的较能>直力∑部。共分伸价直键延长，线上分的子应力间与应滑变移之比所。 需的力>分子链断裂所需的力。 适分棉用纤子于维弱链实环际断断强裂力裂机比理条其的理纤件想维强：有力：纤小天得然维多纤的维素聚纤维合（度麻、高棉）、，取这一向事实度可、由以结下得晶以度证明高：，即分子间作用力小。
纤维素的物理与物理化学性质
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② 游离水
——物理吸附
纤维物料吸湿达到纤维饱和点以后，水分子继续进 入纤维的细胞腔和各孔隙中，形成多层吸附水。称 为游离水或毛细管水，与纤维素无化学键连接。
吸附游离水无热效应及润胀。
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3、棉纤维素的吸着等温曲线
吸湿后纤维发生润胀，但 不改变其结晶结构，X射 线衍射图不发生变化
吸着水只在无定形区，结 晶区没有吸着水分子。
解吸过程中，分子间氢键重新形成，游离羟基 与水分子间的氢键未完全可逆的打开，致使部 分水分子留着在纤维素上。
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绝干纤维吸着水分会产生热量，此热量称为吸着热或 润湿热。 微分吸着热：纤维素吸收1g液态水时所放出的热量。
1.2-1.26kJ/mol，与氢键键能相同 ——氢键被破坏所释放出的能量。 表明：结合水是以氢键结合的。
能很好结合。需加入矾土作电解质，降低Zeta电位， 施胶料与纤维结合，达到施胶效果。 2、在使用酸性染料对纸张进行染色时，同样需要 改变Zeta电位，使染料被纤维吸附，达染色目的。
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四、纤维素的热降解
热降解：指聚合物在单纯热的作用下发生的降解反应。
推测纤维素受热过程中可能会发生的物理化学反应：
游离水和结合水的去除 氢键受到破坏
第三节 纤维素的物理及物理化学性质
纤维、纤维素、纤维素纤维
纤维：人工合成或天然存在的细丝状物质。 植物纤维是植物细胞中一种两头尖、长比宽大几十倍的 纺锤状永久厚壁细胞，已经死亡的植物细胞。 纤维基本形态：细长锐端永久细胞。 纤维素：常温下不溶于水、稀酸、稀碱的D-吡喃葡萄糖 基以β-1,4苷键联接起来的链状高分子化合物 纤维素纤维：一般指纸浆纤维（不含或含少量木素）
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Lyocell纤维的性能及用途解析
Lyocell纤维的性能及用途Lyocell纤维是纤维素纤维的新生代，采用干喷湿法纺丝，生产周期短，溶剂循环使用，生产过程无污染，是典型的绿色环保纤维。
Lyocell兼具天然、合成纤维两者优点，其物理机械性能优良，尤其是湿强与湿模量接近与合成纤维，同时具有棉纤维的舒适性、粘胶纤维的悬垂性和色彩鲜艳性、真丝的柔软手感和优雅光泽。
Lyocell纤维还具有原纤化效应，可生产常规纤维不能得到的类似桃皮绒的表面效果。
Lyocell纤维以高干强和湿强而著称。
在湿态下Lyocell的断裂强度损伤仅6%，伸长几乎没有变化。
它的耐高温性好，在 190℃、30s内短纤的强力损伤为7%。
Lyocell纤维的性能Lyocell纤维是一种环保型纤维素纤维，生产过程无污染，有良好的生物降解性和吸湿性、柔软性、穿着舒适性。
它与普通的粘胶纤维不同，是将纤维浆粕(木浆或棉浆)直接溶解在一种有机溶剂中，溶液经过滤、脱泡等工序后挤压纺丝、凝固而成纤维。
这种纤维性能非常优越：有纤维素纤维的所有天然性能，包括吸湿性好，穿着舒适，光泽好，极好的染色性和生物降解性，可在较短的时间内完全生物降解；干、湿强和湿模量较高；织物的缩水率很低，其织物尺寸稳定性较好，具有洗可穿性；纤维的截面呈圆形，表面光滑，其织物具有丝绸般的光泽。
Lyocell纤维的主要组成与棉或粘胶一样是纤维素。
其分子量和结晶度均介于棉和粘胶之间Lyocell纤维、棉和粘胶纤维的聚合度、结晶度纤维棉 Lyocell纤维粘胶聚合度 10000 500-550 250-300结晶度（%） 70 50 30正因为Lyocell纤维独特的聚合度和结晶度，才使得它具备了三大特性，即高强，其强度接近涤纶；快速吸水，其吸水速度接近棉的两倍，它的回潮率也比棉好和自身原纤化产生桃皮绒效果。
原纤化原理：容易原纤化是普通Lyocell纤维的特性之一，原纤化是指纤维表面分裂出细小的微纤维（直径1-4um）。
新型再生纤维素纤维的性能对比与鉴别
新型再生纤维素纤维的性能对比与鉴别00摘要:介绍了再生纤维素纤维的发展历程。
对传统型与新型再生纤维素纤维的结构、性能进行了对比分析。
对常用再生纤维素纤维的鉴别方法进行了试验研究，再生纤维素纤维最有效的鉴别方法为溶解法，显微镜观察法与药品着色法也各有一定优势，常用的燃烧法较难发挥作用。
进入新世纪，资源与环境问题引起了人们越来越多的关注。
在这一背景下，天然纤维素再次得到了重视。
自然界纤维素年产量约1000亿吨，大约只有2.5%是通过再生途径制作成纤维等加以利用的。
纤维素资源十分丰富，纤维素是可再生的自然资源，具有可持续性;纤维素具有环保性，可参与自然界的生态循环。
作为纺织纤维，纤维素纤维具有优良的吸湿性、穿着舒适性，一直是纺织品和卫生用品的重要原料。
所以纤维素纤维是新世纪最理想、最有前途的纺织原料之一。
近年来，出现丁Modal、Tencel等新一代再生纤维素纤维，随着新型再生纤维素纤维在生产中的大量应用，需要对其性能特点有进一步的认识，以便更好地用于生产，开发新产品。
1.再生纤维素纤维的发展在再生纤维素纤维之中，粘胶纤维是仅迟于纤维素硝酸酯纤维的最古老的化学纤维品种之一。
1891年，克罗斯(Cross)、贝文(Bevan)和比德尔(Beadle)等首先制成纤维素黄酸钠溶液，由于这种溶液的粘度很大，因而命名为"粘胶"。
粘胶遇酸后，纤维素又重新析出。
根据这个原理，在1893年发展成为一种制备化学纤维的方法，这种纤维被命名为粘胶纤维。
到1905年，米勒尔(Muller)等发明了一种稀硫酸和硫酸盐组成的凝固浴，实现了粘胶纤维的工业化生产。
一个世纪以来，粘胶纤维生产不断发展和完善。
在20世纪30年代末期，出现丁强力粘胶纤维;50年代初期，高湿模量类粘胶纤维实现工业化;到了60年代初期，粘胶纤维的发展达到了高峰，其产量占化学纤维总产量的80%以上。
从60年代中期起，粘胶纤维的发展趋于平缓。
普通粘胶短纤维虽具有优良的服用性能和广泛的适用范围，但也存在一些严重缺点，主要是在湿态时剧烈溶胀，使纤维的断裂强度显著下降，在较小的负荷下就容易伸长即湿模量很低。
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纤维的断裂延伸度及应力—应变曲线 纤维的断裂延伸度反映了纤维的柔韧性
拉伸曲线 1、负荷伸长曲线
以负荷为纵坐标， 伸长为横坐标的拉 伸过程图。（如图） 2、应力应变曲线 以相对负荷（通常 以牛/特表示）为纵 坐标，伸长率为横 坐标得到的曲线。
（二）拉伸图上的有关指标： 1、断裂点的指标 2、初始模量：纤维材料拉伸曲线的起始较直部分伸直延长线上 的应力与应变之比。
纤维的形变回复度与应力的关系
相同应力下， 锦纶的弹性 最好；麻、 棉的弹性中 等；粘胶的 弹性差
纤维的形变回复度与形变的关系
由图中可以看出： 形变小时锦纶、羊毛弹性最好；棉、粘胶弹性中等；麻弹性最差 形变大时；锦纶弹性最好；羊毛次之；纤维素纤维弹性都差
纤维素纤维弹性差的原因 棉、麻纤维： •主链是糖环，比较僵硬，内旋转困难，难产生高弹形变， 一般产生普弹形变。 •氢键太多，分子间氢键进一步限制了内旋转，低形变时， 可产生普弹形变； •高应力时，氢键可被拆散，产生分子链段的移动，形变较 大。当分子链段移动到新的位置后，可产生新的氢键，将 形变固定 ——“应变硬化”现象。
3、屈服点
拉伸曲线由伸 长较小部分转向伸长较大部分 的转折点
对棉、麻和粘胶纤维的以下几个参数进行比较:
强度 延伸度 屈服点 初杨氏 模量 评价
麻 高 低 无
棉 中 低 无
粘胶 低 高 有
高
硬脆
中
硬强
低
软弱
(一)纤维素纤维断裂机理 纤维断裂的可能情况有两种： •分子链断裂 •分子链滑移。 大分子共价键断裂机理 分子链断裂原因：∑氢键>∑共价键，分子间滑移所需的力>分子链断裂所需的力。 分子链断裂条件：纤维的聚合度高、取向度、结晶度高，即分子间作用力小。END来自分子链及单元结构的相对滑移
弹性性质 (一）弹性特性 高分子物理和纺织上概念的差异
普弹形变包括键长和键角的变化，形变瞬间完成（与时间无 关），形变量很小。 高弹形变（T≥Tg）是当纤维被拉伸时，无定形区分子内旋转、 伸直，甚至分子链段滑移；放松后，拉直的分子链可通过内旋 转而回复。高弹形变是时间的指数函数，形变量很大。 强迫高弹形变（T ＜Tg）不能通过内旋转回复 塑性形变：大分子间的相对滑移，是不能回复的形变。
弱环定理——弱点断裂机理 定理：强力决定于纤维上最弱的一环。 其断裂机理是由于大分子排列的不整齐性，纤维上存在薄弱 环节，当纤维受力时，会在此处首先断裂，然后缺口逐渐扩展， 直至纤维断裂。适用于弱环断裂机理的纤维有：天然纤维素纤 维（麻、棉），这一事实可由以下得以证明： 棉纤维实际强力比其理想强力小得多 棉纤维的湿强力>干强力 水有润滑作用，能缓和应力不匀，部分消除弱点 分子间建立交联，强度下降。
织物的机械性能 由断裂强度、断裂延伸度、弹性、耐磨性、撕破强力表示。 断裂强度。 断裂延伸度 反映了纤维的柔韧性。 弹性性质: 是指纤维从形变中回复原状的能力。 织物的耐用性： •与纤维的断裂强度、纤维的断裂延伸度、纤维的弹性都有很 大关系。 •织物的柔韧性可用纤维的模量、纤维的强度、纤维的断裂延 伸度来表示。 •织物的防皱性、平挺性则取决于纤维的弹性等性质。