棉纖維的形成結(jié)構(gòu)和性能棉纖維的性能

clsrich — Tue, 19 Oct 2021 06:32:25 +0000

纖維的性能是由纖維的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決策的。纖維的性能和結(jié)構(gòu)是同一事物的兩個(gè)方面,纖維的結(jié)構(gòu)決策其性能,而纖維的性能又是其結(jié)構(gòu)對(duì)外界的反應(yīng)。棉纖維是一種面料原材料,其性能包含物理性能、機(jī)械性能、化學(xué)性能等諸多方面,它們是決策棉纖維質(zhì)量和布料價(jià)值的重要因素。
(一)棉纖維的物理機(jī)械性能
棉纖維的物理性能主要包含吸濕性能、完學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能、密度等性能。
棉纖維的機(jī)械性能是指棉纖維在外力作用下呈現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力和變形的關(guān)系。主要表現(xiàn)為拉伸特性、抗彎抗扭性、摩擦和耐磨以及相應(yīng)表現(xiàn)的強(qiáng)力、變形、彈性、耐勞累性、剛性等。
1.強(qiáng)伸度
棉纖維的強(qiáng)度,指拉伸一根或一束纖維在馬上斷裂時(shí)所能承受的大負(fù)荷。是棉纖維的強(qiáng)力和細(xì)度的綜合值。通常以斷裂強(qiáng)度表示。
棉纖維的伸長(zhǎng),是指棉纖維在外力作用下的變形能力,它通常以斷裂伸長(zhǎng)率表示,其數(shù)值越大,棉纖維的變形能力越好。
由于纖維類別、品種、成熟程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有所不同,棉纖維在力學(xué)性能上也有明顯差異。細(xì)絨棉單纖維強(qiáng)力為3１5～4１5cN,斷裂長(zhǎng)度為21～25km,長(zhǎng)絨棉的單纖維強(qiáng)力一般為4１0～6１0cN,斷裂長(zhǎng)度在30km以上。同一品種棉纖維的單纖維強(qiáng)力隨成熟度的增加而增加。
棉纖維在干態(tài)和濕態(tài)時(shí)的強(qiáng)伸度不同,一般棉纖維濕干強(qiáng)度比為110%～130%,濕干斷裂伸長(zhǎng)比為110%。
2.摩擦力和抱合力
棉纖維在初整理、紡紗和織造過(guò)程中,會(huì)受到相互之間或和機(jī)械部件之間的摩擦,產(chǎn)生阻力。
古典的摩擦理論認(rèn)為,材料在肯定正壓力作用下相對(duì)滑動(dòng)時(shí)有切向阻力,這個(gè)阻力稱為摩擦力。摩擦力和接觸處的正壓力成正比,其比例常數(shù)稱為摩擦系數(shù)。近代摩擦理論指出,材料的切向阻力并不和正壓力成穩(wěn)定的正比關(guān)系。對(duì)纖維來(lái)說(shuō),即使正壓力等于零,相互滑動(dòng)仍有切向阻力。
正壓力等于零時(shí)的切向阻力稱抱合力。由于抱合力的作用,棉纖維集合體中的纖維互相糾纏、粘貼、鉤掛而抱成一團(tuán),不易松散。實(shí)際上,纖維之間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的切向阻力包含抱合力和摩擦力。這兩部分阻力的總和稱為總切向阻力。總切向阻力和正壓力的比值稱為總切向阻抗系數(shù),其可以表示纖維的表面摩擦性能。它和纖維卷曲、轉(zhuǎn)曲、長(zhǎng)度、纖維表面完滑或粗糙程度以及外界壓力、溫濕度等因素有關(guān)。一般棉纖維相互之間的總切向阻抗系數(shù)為0１22～0.29。
3.剛性
棉纖維是細(xì)長(zhǎng)柔軟的物體,但具有肯定的剛性。通常以初始模量反映纖維的剛性。初始模量是指纖維在小負(fù)荷作用下抵抗拉伸變形的能力,它的大小表達(dá)了纖維在小負(fù)荷作用下變形的難易程度。纖維初始模量大,不易變形,剛性好,織物挺括;反之,纖維簡(jiǎn)單變形,剛性差,織物較柔軟。棉纖維的初始模量在面料纖維中是比較高的,即棉纖維的剛性較好。
4.吸濕性
棉纖維是一種多孔性物質(zhì),并且纖維素大分子上存在很多親水性基團(tuán)(羥基),所以棉纖維能從空氣中汲取水分和放出水分,這種現(xiàn)象稱為棉纖維的吸濕性。棉纖維的吸濕性能很好。棉纖維的吸濕性和纖維的成熟度、表面狀態(tài)以及環(huán)境溫濕度等因素有關(guān)。
棉纖維的吸濕性對(duì)纖維本身性能有影響。吸濕大時(shí),纖維膨脹,密度減小。纖維干燥時(shí),電阻大,隨著吸濕程度的增加,纖維的電阻減小,導(dǎo)電性能增加。吸濕性對(duì)纖維機(jī)械性能方面的影響更顯著,對(duì)纖維強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)、剛性等都有肯定程度的影響。
5.完學(xué)性能
棉纖維的完學(xué)性能,包含反射和折射、雙折射和耐完性等,它們和纖維的組織和結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密。它既是研究纖維分子結(jié)構(gòu)的一種重要手段,又可作為鑒別纖維品質(zhì)的一種方法和條件。棉纖維的色澤是纖維完學(xué)性能的另一方面,是纖維對(duì)完線汲取、反射和放射的結(jié)果。完線照耀到纖維上,在纖維和空氣的界面上產(chǎn)生反射和折射。折射完進(jìn)入纖維內(nèi)部后,一部分完被纖維汲取轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?一部分完又在另一界面上產(chǎn)生反射和折射。后,一部分完仍從纖維表面反射出來(lái),一部分完則從纖維另一面透射出去。反射完或透射完的量,主要和纖維的層狀結(jié)構(gòu)、縱面形態(tài)和截面形狀有關(guān)。
由于纖維素大分子沿棉纖維軸向有不同程度的取向排列,使棉纖維的完學(xué)性質(zhì)和其他物理性質(zhì)一樣呈現(xiàn)各向異性。當(dāng)平面偏振完通過(guò)纖維時(shí),電場(chǎng)振動(dòng)方向平行纖維軸的折射率和垂直纖維軸的折射率不同,平行纖維軸的折射率較大(n _∥ =1.573～1.581),垂直纖維軸的折射率較小(n _⊥ =1.524～1.534),兩者之差(n _∥ -n _⊥ )稱為纖維的雙折射率或雙折射差度,其表示纖維的雙折射能力。棉纖維的雙折射率為0.041～0.051,折射率的大小和纖維素大分子的取向度有關(guān)。
棉纖維的耐完性能比較好,日曬940h,棉纖維的強(qiáng)力損失50%。但長(zhǎng)時(shí)間在日完和大氣的作用下,纖維素大分子主鏈上的苷鍵易發(fā)生氧化裂解,生成氧化學(xué)纖維維素使纖維強(qiáng)力損失。
6.電學(xué)性能
棉纖維的電學(xué)性能,主要指介電系數(shù)、電阻和靜電等性能。這些性能是相互聯(lián)系的,靜電積存的量和電阻的大小有關(guān),電阻的大小又和介電系數(shù)有關(guān)。
物體在電場(chǎng)作用中呈現(xiàn)的電容特性,稱為該物體的介電性能,常用介電系數(shù)來(lái)表示。棉纖維的介電系數(shù)為3～6,空氣的介電系數(shù)接近1,水的介電系數(shù)約為80。利用棉纖維的介電性能,可間接測(cè)得其回潮率及棉纖維的條干均勻度。
干燥的棉纖維具有很大的電阻和電擊穿強(qiáng)度。由于棉纖維含有親水性基團(tuán),且有較多的孔隙,在空氣中能夠保持肯定的吸濕平衡,吸濕后的棉纖維電阻減弱,導(dǎo)電性增強(qiáng),在相互摩擦?xí)r,不易積存靜電,能使布料整理過(guò)程順利進(jìn)行。
7.熱學(xué)性能
棉纖維的熱學(xué)性能,主要包含比熱容、導(dǎo)熱性、耐熱性和吸濕放熱等,它和面料整理和服用有緊密關(guān)系。
質(zhì)量為1g的棉纖維在溫度變化1℃時(shí)所汲取或放出的熱量,稱為棉纖維的比熱容,我國(guó)的法定計(jì)量單位是J/(g ℃)[焦耳/(克?度)],cal/(g ℃)[卡/(克?度)]是非定計(jì)量單位。
在室溫20℃,干棉纖維的比熱容為1１213～1１339J/(g ℃)。水的比熱容等于4１184J/(g ℃),約為棉纖維的3倍。因此,棉纖維吸濕后其比熱容相應(yīng)增大。
由于棉纖維及其集合體的多孔性,纖維內(nèi)部和纖維之間有很多孔隙。這些孔隙內(nèi)充滿空氣,在空氣不流動(dòng)的狀態(tài)下,棉纖維是熱的不良導(dǎo)體,其導(dǎo)熱性能差。在室溫為26℃時(shí),測(cè)得棉纖維的導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)為0.071～0.073W/(m ℃),空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026W/(m ℃),水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.599W/(m ℃)。因此,隨著棉纖維含濕量的增加,其導(dǎo)熱系數(shù)增大,保暖性下降。在高溫或低溫下,棉纖維的理化等性能會(huì)產(chǎn)生變化。
8.密度
3
纖維的密度是指單位體積纖維的重量,以g/cm 表示。棉纖維的密度一般為1.50～1.58g/3
cm 。
(二)棉纖維的化學(xué)性能
棉纖維的化學(xué)性能取決于纖維素大分子中的官能團(tuán),即連接氧六環(huán)的苷鍵以及每個(gè)氧六環(huán)上的三個(gè)羥基。大分子中雖有少量其他基的存在,但不會(huì)對(duì)棉纖維的化學(xué)性質(zhì)有重大的影響。
主要化學(xué)性能包含以下幾個(gè)方面。
1.水和染料的作用
棉纖維雖然具有大量的親水性基團(tuán),但它并不溶于水,僅能有限度地膨化。這主要是由于纖維素大分子間存在著較強(qiáng)的氫鍵和范德華力。棉纖維被水濕潤(rùn)膨化時(shí),水可以進(jìn)入纖維內(nèi)部的無(wú)定形區(qū)。此時(shí),其橫截面積可增大45%～50%,但其長(zhǎng)度方向僅增長(zhǎng)1%～2%,呈各向異性。長(zhǎng)時(shí)間的蒸汽作用會(huì)使纖維強(qiáng)度變?nèi)?并且蒸汽中存在的氧氣,會(huì)使纖維素氧化。
對(duì)棉纖維上色時(shí),常用染料的水溶液。其中的水分除作染料的溶劑外,還是纖維的優(yōu)良膨化劑。纖維被水膨化,染料分子才能很好地進(jìn)入大分子間的空隙,和大分子結(jié)合,使棉纖維著色。棉纖維的上色性能很好,一般染料均可使其上色,成熟的棉纖維上色性好,不成熟的棉纖維上色性差。
2.酸和堿的作用
纖維素大分子中有苷鍵存在,苷鍵對(duì)酸特別敏感,但對(duì)堿的作用相當(dāng)穩(wěn)定,所以棉纖維耐堿而不耐酸。
棉纖維在酸的水溶液中或高溫水作用下可水解,水解過(guò)程中形成很多中間產(chǎn)物,稱為中間纖維素。強(qiáng)無(wú)機(jī)酸,如硫酸、鹽酸、硝酸等,對(duì)纖維素的作用非常強(qiáng)烈,磷酸較弱。有機(jī)酸,如甲酸、乙酸等對(duì)棉纖維作用較弱。一些酸性鹽類,如硫酸鋁,它的水溶液呈酸性反應(yīng),也能引起棉纖維素水解而切斷分子長(zhǎng)鏈,呈現(xiàn)脆損。酸對(duì)棉纖維的作用,隨著溫度、濃度和時(shí)間的增加,破壞程度也加快。
常溫下,用濃度為9%以下的堿液處理棉纖維時(shí),對(duì)棉纖維不會(huì)發(fā)生破壞作用。若用17%～18%的堿溶液處理30～90s,可引起棉纖維橫向膨化,呈現(xiàn)絲樣的完澤,將堿液洗去后,仍舊保持完澤,化學(xué)組成基本不變。可利用這種特性對(duì)棉花紡織織品進(jìn)行絲完后整理。但在高溫濃堿溶液下,非常是有空氣存在時(shí),堿則表現(xiàn)為一種催化劑,加速空氣中氧對(duì)纖維素的氧化反應(yīng),使棉纖維受到破壞。
3.耐溶劑性和耐氧化劑作用
棉纖維不溶于一般的有機(jī)溶劑,如乙醇、乙醚、苯、丙酮、汽油、四氯乙烯等。在氧化劑的作用下,棉簡(jiǎn)單氧化。在練漂過(guò)程中,次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、亞氯酸鈉等漂白劑都是氧化劑。
纖維素的氧化主要發(fā)生在大分子氧六環(huán)的三個(gè)羥基上,但也可以發(fā)生在纖維素大分子末端的潛在醛基上。不同的氧化劑對(duì)纖維素的氧化也不同。如亞氯酸鈉具有選擇性,它只氧化學(xué)纖維維素大分子末端的潛在醛基,不影響大分子的苷鍵,不會(huì)降低纖維的強(qiáng)力;而次氯酸鈉和過(guò)氧化氫是非選擇性的,對(duì)纖維素的氧化很復(fù)雜, 處理不好會(huì)破壞大分子鏈以至使化學(xué)鍵斷裂。
4.熱和完的作用
棉纖維和合成纖維不同,沒(méi)有明顯的熱塑性,如沒(méi)有明顯的軟化點(diǎn)、熔點(diǎn)等。熱對(duì)棉纖維的作用有兩種情況:一種是熱裂解溫度以上的熱裂解,即隨著溫度的升高,纖維大分子在弱的鍵上發(fā)生裂解,通常是熱裂解和化學(xué)裂解(氧化、水解等)同時(shí)發(fā)生;另一種是熱裂解溫度以下的熱作用,此時(shí)用耐熱性和熱穩(wěn)定性來(lái)表示纖維承受熱作用的程度。耐熱性指隨溫度升高纖維強(qiáng)度降低的程度。熱穩(wěn)定性指在肯定溫度下,纖維強(qiáng)度隨時(shí)間而降低的程度。
一般耐熱性好的纖維,熱穩(wěn)定性并不肯定好。在天然纖維中,棉纖維的耐熱性比較好,但其熱穩(wěn)定性比較差。
棉纖維比較耐完。但在強(qiáng)完作用或長(zhǎng)時(shí)間完照下,纖維素大分子會(huì)受損傷。這一方面是因?yàn)橥昃€中短波長(zhǎng)的紫外線能量大,能破壞纖維素大分子的苷鍵,另一方面是完、氧氣和水分子一起作用,使纖維素產(chǎn)生完氧化。
5.微生物的作用
棉纖維吸濕性較強(qiáng),在潮濕的情況下簡(jiǎn)單滋生微生物,分泌出纖維素酶和酸,使纖維變色、發(fā)霉、變質(zhì)。因此,棉花貯藏以保持較低的含水率和干燥的環(huán)境為宜。

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