棉纖維的形成結構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在結構決策的。纖維的性能和結構是同一事物的兩個方面,纖維的結構決策其性能,而纖維的性能又是其結構對外界的反應。棉纖維是一種面料原材料,其性能包含物理性能、機械性能、化學性能等諸多方面,它們是決策棉纖維質量和布料價值的重要因素。
(一)棉纖維的物理機械性能
棉纖維的物理性能主要包含吸濕性能、完學性能、電學性能、熱學性能、密度等性能。
棉纖維的機械性能是指棉纖維在外力作用下呈現的內應力和變形的關系。主要表現為拉伸特性、抗彎抗扭性、摩擦和耐磨以及相應表現的強力、變形、彈性、耐勞累性、剛性等。
1.強伸度
棉纖維的強度,指拉伸一根或一束纖維在馬上斷裂時所能承受的大負荷。是棉纖維的強力和細度的綜合值。通常以斷裂強度表示。
棉纖維的伸長,是指棉纖維在外力作用下的變形能力,它通常以斷裂伸長率表示,其數值越大,棉纖維的變形能力越好。
由于纖維類別、品種、成熟程度和內部結構等有所不同,棉纖維在力學性能上也有明顯差異。細絨棉單纖維強力為3１5～4１5cN,斷裂長度為21～25km,長絨棉的單纖維強力一般為4１0～6１0cN,斷裂長度在30km以上。同一品種棉纖維的單纖維強力隨成熟度的增加而增加。
棉纖維在干態(tài)和濕態(tài)時的強伸度不同,一般棉纖維濕干強度比為110%～130%,濕干斷裂伸長比為110%。
2.摩擦力和抱合力
棉纖維在初整理、紡紗和織造過程中,會受到相互之間或和機械部件之間的摩擦,產生阻力。
古典的摩擦理論認為,材料在肯定正壓力作用下相對滑動時有切向阻力,這個阻力稱為摩擦力。摩擦力和接觸處的正壓力成正比,其比例常數稱為摩擦系數。近代摩擦理論指出,材料的切向阻力并不和正壓力成穩(wěn)定的正比關系。對纖維來說,即使正壓力等于零,相互滑動仍有切向阻力。
正壓力等于零時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,不易松散。實際上,纖維之間相對滑動時產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,其可以表示纖維的表面摩擦性能。它和纖維卷曲、轉曲、長度、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。一般棉纖維相互之間的總切向阻抗系數為0１22～0.29。
3.剛性
棉纖維是細長柔軟的物體,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荷作用下抵抗拉伸變形的能力,它的大小表達了纖維在小負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,并且纖維素大分子上存在很多親水性基團(羥基),所以棉纖維能從空氣中汲取水分和放出水分,這種現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。
棉纖維的吸濕性對纖維本身性能有影響。吸濕大時,纖維膨脹,密度減小。纖維干燥時,電阻大,隨著吸濕程度的增加,纖維的電阻減小,導電性能增加。吸濕性對纖維機械性能方面的影響更顯著,對纖維強力、斷裂伸長、剛性等都有肯定程度的影響。
5.完學性能
棉纖維的完學性能,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構關系緊密。它既是研究纖維分子結構的一種重要手段,又可作為鑒別纖維品質的一種方法和條件。棉纖維的色澤是纖維完學性能的另一方面,是纖維對完線汲取、反射和放射的結果。完線照耀到纖維上,在纖維和空氣的界面上產生反射和折射。折射完進入纖維內部后,一部分完被纖維汲取轉變?yōu)槠渌问降哪?一部分完又在另一界面上產生反射和折射。后,一部分完仍從纖維表面反射出來,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構、縱面形態(tài)和截面形狀有關。
由于纖維素大分子沿棉纖維軸向有不同程度的取向排列,使棉纖維的完學性質和其他物理性質一樣呈現各向異性。當平面偏振完通過纖維時,電場振動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。
棉纖維的耐完性能比較好,日曬940h,棉纖維的強力損失50%。但長時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,生成氧化學纖維維素使纖維強力損失。
6.電學性能
棉纖維的電學性能,主要指介電系數、電阻和靜電等性能。這些性能是相互聯系的,靜電積存的量和電阻的大小有關,電阻的大小又和介電系數有關。
物體在電場作用中呈現的電容特性,稱為該物體的介電性能,常用介電系數來表示。棉纖維的介電系數為3～6,空氣的介電系數接近1,水的介電系數約為80。利用棉纖維的介電性能,可間接測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度。由于棉纖維含有親水性基團,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,導電性增強,在相互摩擦時,不易積存靜電,能使布料整理過程順利進行。
7.熱學性能
棉纖維的熱學性能,主要包含比熱容、導熱性、耐熱性和吸濕放熱等,它和面料整理和服用有緊密關系。
質量為1g的棉纖維在溫度變化1℃時所汲取或放出的熱量,稱為棉纖維的比熱容,我國的法定計量單位是J/(g ℃)[焦耳/(克?度)],cal/(g ℃)[卡/(克?度)]是非定計量單位。
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增大。
由于棉纖維及其集合體的多孔性,纖維內部和纖維之間有很多孔隙。這些孔隙內充滿空氣,在空氣不流動的狀態(tài)下,棉纖維是熱的不良導體,其導熱性能差。在室溫為26℃時,測得棉纖維的導熱系數(熱導率)為0.071～0.073W/(m ℃),空氣的導熱系數為0.026W/(m ℃),水的導熱系數為0.599W/(m ℃)。因此,隨著棉纖維含濕量的增加,其導熱系數增大,保暖性下降。在高溫或低溫下,棉纖維的理化等性能會產生變化。
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)棉纖維的化學性能
棉纖維的化學性能取決于纖維素大分子中的官能團,即連接氧六環(huán)的苷鍵以及每個氧六環(huán)上的三個羥基。大分子中雖有少量其他基的存在,但不會對棉纖維的化學性質有重大的影響。
主要化學性能包含以下幾個方面。
1.水和染料的作用
棉纖維雖然具有大量的親水性基團,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的氫鍵和范德華力。棉纖維被水濕潤膨化時,水可以進入纖維內部的無定形區(qū)。此時,其橫截面積可增大45%～50%,但其長度方向僅增長1%～2%,呈各向異性。長時間的蒸汽作用會使纖維強度變弱,并且蒸汽中存在的氧氣,會使纖維素氧化。
對棉纖維上色時,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入大分子間的空隙,和大分子結合,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,苷鍵對酸特別敏感,但對堿的作用相當穩(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,水解過程中形成很多中間產物,稱為中間纖維素。強無機酸,如硫酸、鹽酸、硝酸等,對纖維素的作用非常強烈,磷酸較弱。有機酸,如甲酸、乙酸等對棉纖維作用較弱。一些酸性鹽類,如硫酸鋁,它的水溶液呈酸性反應,也能引起棉纖維素水解而切斷分子長鏈,呈現脆損。酸對棉纖維的作用,隨著溫度、濃度和時間的增加,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,對棉纖維不會發(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,呈現絲樣的完澤,將堿液洗去后,仍舊保持完澤,化學組成基本不變?？衫眠@種特性對棉花紡織織品進行絲完后整理。但在高溫濃堿溶液下,非常是有空氣存在時,堿則表現為一種催化劑,加速空氣中氧對纖維素的氧化反應,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,棉簡單氧化。在練漂過程中,次氯酸鈉、過氧化氫、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。不同的氧化劑對纖維素的氧化也不同。如亞氯酸鈉具有選擇性,它只氧化學纖維維素大分子末端的潛在醛基,不影響大分子的苷鍵,不會降低纖維的強力;而次氯酸鈉和過氧化氫是非選擇性的,對纖維素的氧化很復雜, 處理不好會破壞大分子鏈以至使化學鍵斷裂。
4.熱和完的作用
棉纖維和合成纖維不同,沒有明顯的熱塑性,如沒有明顯的軟化點、熔點等。熱對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裂解(氧化、水解等)同時發(fā)生;另一種是熱裂解溫度以下的熱作用,此時用耐熱性和熱穩(wěn)定性來表示纖維承受熱作用的程度。耐熱性指隨溫度升高纖維強度降低的程度。熱穩(wěn)定性指在肯定溫度下,纖維強度隨時間而降低的程度。
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。但在強完作用或長時間完照下,纖維素大分子會受損傷。這一方面是因為完線中短波長的紫外線能量大,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,使纖維素產生完氧化。
5.微生物的作用
棉纖維吸濕性較強,在潮濕的情況下簡單滋生微生物,分泌出纖維素酶和酸,使纖維變色、發(fā)霉、變質。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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