常用纺织纤维的结构和性能

常用纺织纤维的结构和性能 主讲人：宗亚宁

授课内容 • 形态结构 • 化学结构 • 聚集态结构 • 化学性质

第1节纤维素纤维

纤维素纤维分类 • 天然纤维素纤维 • 棉 • 麻 • 再生纤维素纤维 • 黏胶：普通黏胶、高湿模量黏胶 • Loycell • 醋酯纤维

1. 棉纤维

1.1 棉纤维形态结构 • 一端尖而封闭，另一端粗而敞口 • 扁平带状，不规则天然转曲，存在转曲反向 • 转曲数量与成熟度有关

棉纤维截面形态 • 正常成熟，截面呈肾形或豆形 • 成熟度过高，接近椭圆形 • 成熟度过低，呈条形或“U”字形。 • 中腔干扁截面面积约为纤维截面积的1/10。 • 干涸前，约为1/3～1/2

棉纤维截面形态 成熟纤维干扁前纤维未成熟纤维

棉纤维微观形态结构 • 棉纤维的截面由外向内 • 初生层、次生层和中腔

初生层——棉纤维微观形态结构 • 纤维表层是初生细胞壁的外侧 • 表层：极薄的蜡质与果胶层。 • 棉蜡与表面性质密切相关 • 具有润滑和防水作用 • 脱脂棉吸湿可达自重的23～24倍 • 纺纱：良好的表面性能 • 染色：煮炼破坏，保证渗透，染色均匀。

初生层——棉纤维微观形态结构 • 初生胞壁：网状原纤结构 • 纤维素呈原纤螺旋状结构，与纤维轴呈70～90°倾角 • 形成对纤维整体形态的约束和保护，是纤维吸湿膨胀复圆后，直径或周长不变的主机制

次生层——棉纤维微观形态结构 • 在初生胞壁的里侧 • 由纤维素沉积而成 • 棉纤维生长条件、成熟情况 • 质量约占纤维质量90％以上，构成纤维的主体 • 决定棉纤维主要物理性质 • 化学物质附着的主要部分 • 成熟度差的纤维，白星

日轮：每日温差的影响，纤维素逐日淀积一层，共有25~40层日轮：每日温差的影响，纤维素逐日淀积一层，共有25~40层

次生层结构 • （1）S1层厚度小于0.1μm • 由平行排列，较为紧密的微原纤组成，微原纤螺旋角为20~35° • （2）S2层厚约1~4μm，棉纤维主体 • 原纤呈平行螺旋状相互堆砌而成，微原纤螺旋角约为25°，螺旋方向会周期性换向（可达50次以上） • 明显日轮结构 • 微原纤间形成空隙，使棉纤维具有多孔性。 • （3）S3层：厚度小于0.3μm • 相邻的S1、S2、S3层间螺旋方向往往相反天然转曲

中腔——棉纤维微观形态结构 • 棉纤维生长停止后遗留下来的内部空隙：中腔内留有少量原生质和细胞核残余等。 • 对棉纤维颜色有影响：色素 • 最大空隙，染色和化学处理的重要通道

1.2 棉纤维化学结构 • 正常成熟棉纤维纤维素含量94%~95% • 棉、麻聚合度10000~15000 • 黏胶纤维聚合度250~500 β-D-葡萄糖糖剩基

纤维素结构特点 • 中间葡萄糖剩基三个自由羟基 • 两个仲羟基、一个伯羟基 • 醇羟基：酯化、醚化 • 分子间和分子内氢键：刚性、强度高

棉纤维化学结构特点 • 末端葡萄糖剩基 • 四个自由羟基 • 三个自由羟基，一个半缩醛羟基 • 判断酸处理，聚合度变化情况 • 聚合度降低，还原性增加

1.3 棉纤维聚集态结构 • 结晶度 • 棉70%，麻90%，丝光棉50%，黏胶40% • 取向度（取向因子） • 陆地棉0.62，苎麻0.97，普通黏胶0.54 缨状原纤结构模型

分子结构对力学性能的影响 • 聚合度高，强力高 • 结晶度，强力高 • 麻>棉>黏胶 • 取向度高，强力高 • 顺应排列，次价键力增高 • 改善受力情况 • 棉和丝光棉 • 化学纤维纺丝过程中的拉伸

结晶度对染色性能的影响 • 染液只能进入无定形区和晶区的边缘 • 高：染料平衡吸附量少，得色浅淡 • 低：染料平衡吸附量多，得色深浓 • 棉和丝光棉大家想一想哪个颜色深？

1.4 纤维素纤维的化学性质 • （1）碱（无氧） • 苷键稳定，常温不起作用，沸煮仅一部分溶解 • 丝光效应（有张力，氢氧化钠18%-25%） • 碱缩（无张力） • 棉针织物，皱缩，密度增加，弹性增加

丝光显微图像 • 胞壁：横向膨化，变厚 • 形状：腰圆→近椭圆形天然转曲：80％→14.5％

丝光效果 • 光泽变化：呈现丝一般光泽。 • 内部结构：纤维素I → 纤维素II • 结晶度：70% → 50~60% • 强力提高； • 染色性和吸湿性增强。 • 液氨也有同样的作用

（2）酸的作用 • 苷键水解催化 • 酸性愈强，水解愈快 • 浓度愈大，水解愈快 • 温度愈高，水解愈快 • 时间愈长，水解愈严重 • 结构愈疏松，水解愈快 • 中和：过剩的碱 • 加强漂白：含氯氧化剂 • 蝉翼纱、烂花织物

（3）氧化剂的作用 • 一般不受还原剂的影响 • 氧化纤维素 • 伯羟基 → 醛基 → 羧基 • 仲羟基 → 酮基 → 开环的醛基和羧基 • 半缩醛基 → 羧基 • 碱性条件下，大分子链断裂，聚合度下降 • 漂白时严格控制工艺条件 • 氧在碱性条件下，氧化脆损，隔绝空气

1.5 纤维素共生物 • 影响吸水、染色、白度等 • 果胶：烧碱，酯水解成羧基 → 钠盐 • 含氮物质：蛋白质和含氮无机盐 • 蜡状物质：脂肪酸（酯）类、高级醇、碳氢化合物 • 灰分：金属盐类、氧化铁、氧化铝，酸洗 • 天然色素：漂白剂 • 棉籽壳

2. 麻纤维

苎麻纤维形态特征 • 截面 • 腰圆形或跑道形，有中腔，胞壁有辐射状裂纹； • 纵向 • 表面较平滑，呈圆筒形或扁平带状，有明显的纵向条纹且有横节。

亚麻纤维形态特征 • 截面：呈不规则的多角形，有空腔 • 纵向：表面有条纹，且在某些部位有横节

麻纤维性能 • 纤维硬挺、刚性大，抱合力差，不易捻合，纱线毛羽较多，易引起刺痒——烧毛 • 强度高、变形能力小，纤维以挺爽为特征。 • 弹性差，织物易起皱、悬垂性较差。 • 吸放湿性能好 • 具有中腔，纤维表面有许多细孔与中腔相连 • 表面积大 • 吸湿性较好，回潮率为7%～8%。 • 放湿速度快 • 苎麻织物3.5h可阴干 • 大多具有抗菌性 • 亚麻水——二战消毒

麻纤维化学组成 • 原麻主要成分为纤维素，并含有较多的半纤维素、果胶和木质素 • 纺织用麻纤维素含量多少与脱胶工艺有关 • 苎麻精干麻残胶率一般控制在2%以下 • 亚麻打成麻为工艺纤维，纤维素含量在80%左右。

麻纤维染色性能 • 染色性能较差，上染率低 • 结晶度高，结构紧密，溶胀困难 • 杂质（木质素、半纤维素） • 解决办法：半丝光，阳离子改性

3. 再生纤维素纤维

3. 1 普通黏胶纤维 • 纵向平直，有沟槽 • 截面不规则锯齿状 • 皮层：结构紧密 • 芯层：结构疏松

黏胶纤维结构 • 化学组成与棉纤维相同 • 聚合度低 • 棉10000以上，黏胶250~500 • 结晶度低 • 棉70%，黏胶40% • 取向度受拉伸倍数影响 • 棉0.62 • 普通黏胶0.54，强力黏胶0.88

普通黏胶纤维性能 • 湿强低，易变形——低张力、松式加工 • 化学活泼性、酸、氧化剂敏感性大于棉 • 耐碱稳定性差，浓烧碱剧烈溶胀甚至溶解 • 化学试剂吸附量大 • 染色性能 • 皮层妨碍染料的吸附和扩散 • 芯层染料吸附量高 • 低温、短时间染色，浅、不匀 • 高温、长时间染色，深

3.2 高湿模量黏胶 • 克服普通黏胶纤维的缺点 • 湿强小，易变形，尺寸不稳定 • 不能丝光处理 • 富强纤维和Modal纤维

富强纤维特点 • 圆形或近圆形，全芯层结构 • 结晶度、取向度高，晶粒尺寸大 • 拉伸强度、弹性得到改善 • 伸长降低，耐疲劳性能差、钩强低，脆性高 • 尺寸稳定性好 • 存在原纤结构——原纤化现象 • 可耐受丝光处理 • 染色性能与棉相似

3.3 Lyocell纤维 • 截面形状近圆形或椭圆形 • 皮芯结构 • 皮层很薄，无定形结构 • 芯层，巨原纤及之间无定形区构成

Lyocell纤维性能 • 干强接近涤纶，湿强是干强的80% • 初始模量高 • 干、湿断裂伸长率小于黏胶纤维 • 湿加工保形性好 • 水中膨润各向异性明显 • 横向40%，纵向0.03% • 湿态结构紧密、僵硬 • 折痕、擦伤，毛羽

Lyocell纤维性能 • 原纤化 • 横向结合力弱 • 湿态反复摩擦 • 桃皮绒 • 影响染色、整理、织物外观 • 染色性能 • 与棉所用染料相同 • 存在差异 ▲

第2节蛋白质纤维

化学结构 • 元素组成：碳、氢、氧、氮，可能还有硫、磷等 • α-氨基酸剩基连接而成的蛋白大分子 • 羊毛纤维（角蛋白）由近20种氨基酸组成。 • 桑蚕丝素蛋白中，甘氨酸、丙氨酸（侧基小）约70%，丝氨酸和酪氨酸约20%。

蛋白质两性性质 • 端基有氨基和羧基，侧基：酸性和碱性 • 等电点：正负电荷数量相等 • 羊毛：4.2~4.8 • 桑蚕丝：3.5~3.2 • 溶胀、溶解度最低 • 纤维内部PH值和溶液PH值不相同 • 盐的存在影响纤维内PH值的变化

1. 羊毛纤维

羊毛纤维形态结构

羊毛纤维形态结构 • 表面为鳞片层，内部为皮质层，粗羊毛的中心部分为髓质层。

鳞片层 • 鳞片层由角质化的扁平状细胞通过细胞间质粘连而成，相互之间互相重叠。。 • 具有良好的化学惰性，保护羊毛内层组织，具有耐碱、氧化剂、还原剂和蛋白酶的功能 • 羊毛缩绒性

皮质层 • 决定羊毛的主要物理、机械和化学性能 • 皮质层由角朊蛋白组成，由近20种氨基酸组成，其中最为特殊的是含量高达14％以上的胱氨酸（二硫键） • 存在两种皮质细胞：正皮质和副皮质细胞 • 部分皮质层可能存在天然色素

常用纺织纤维的结构和 性能