棉纤维的形成结构和性能 棉纤维的性能

纤维的性能是由纤维的内在结构决策的。纤维的性能和结构是同一事物的两个方面,纤维的结构决策其性能,而纤维的性能又是其结构对外界的反应。棉纤维是一种面料原材料,其性能包含物理性能、机械性能、化学性能等诸多方面,它们是决策棉纤维质量和布料价值的重要因素。
(一)棉纤维的物理机械性能
棉纤维的物理性能主要包含吸湿性能、完学性能、电学性能、热学性能、密度等性能。
棉纤维的机械性能是指棉纤维在外力作用下呈现的内应力和变形的关系。主要表现为拉伸特性、抗弯抗扭性、摩擦和耐磨以及相应表现的强力、变形、弹性、耐劳累性、刚性等。
1.强伸度
棉纤维的强度,指拉伸一根或一束纤维在马上断裂时所能承受的大负荷。是棉纤维的强力和细度的综合值。通常以断裂强度表示。
棉纤维的伸长,是指棉纤维在外力作用下的变形能力,它通常以断裂伸长率表示,其数值越大,棉纤维的变形能力越好。
由于纤维类别、品种、成熟程度和内部结构等有所不同,棉纤维在力学性能上也有明显差异。细绒棉单纤维强力为3１5～4１5cN,断裂长度为21～25km,长绒棉的单纤维强力一般为4１0～6１0cN,断裂长度在30km以上。同一品种棉纤维的单纤维强力随成熟度的增加而增加。
棉纤维在干态和湿态时的强伸度不同,一般棉纤维湿干强度比为110%～130%,湿干断裂伸长比为110%。
2.摩擦力和抱合力
棉纤维在初整理、纺纱和织造过程中,会受到相互之间或和机械部件之间的摩擦,产生阻力。
古典的摩擦理论认为,材料在肯定正压力作用下相对滑动时有切向阻力,这个阻力称为摩擦力。摩擦力和接触处的正压力成正比,其比例常数称为摩擦系数。近代摩擦理论指出,材料的切向阻力并不和正压力成稳定的正比关系。对纤维来说,即使正压力等于零,相互滑动仍有切向阻力。
正压力等于零时的切向阻力称抱合力。由于抱合力的作用,棉纤维集合体中的纤维互相纠缠、粘贴、钩挂而抱成一团,不易松散。实际上,纤维之间相对滑动时产生的切向阻力包含抱合力和摩擦力。这两部分阻力的总和称为总切向阻力。总切向阻力和正压力的比值称为总切向阻抗系数,其可以表示纤维的表面摩擦性能。它和纤维卷曲、转曲、长度、纤维表面完滑或粗糙程度以及外界压力、温湿度等因素有关。一般棉纤维相互之间的总切向阻抗系数为0１22～0.29。
3.刚性
棉纤维是细长柔软的物体,但具有肯定的刚性。通常以初始模量反映纤维的刚性。初始模量是指纤维在小负荷作用下抵抗拉伸变形的能力,它的大小表达了纤维在小负荷作用下变形的难易程度。纤维初始模量大,不易变形,刚性好,织物挺括;反之,纤维简单变形,刚性差,织物较柔软。棉纤维的初始模量在面料纤维中是比较高的,即棉纤维的刚性较好。
4.吸湿性
棉纤维是一种多孔性物质,并且纤维素大分子上存在很多亲水性基团(羟基),所以棉纤维能从空气中汲取水分和放出水分,这种现象称为棉纤维的吸湿性。棉纤维的吸湿性能很好。棉纤维的吸湿性和纤维的成熟度、表面状态以及环境温湿度等因素有关。
棉纤维的吸湿性对纤维本身性能有影响。吸湿大时,纤维膨胀,密度减小。纤维干燥时,电阻大,随着吸湿程度的增加,纤维的电阻减小,导电性能增加。吸湿性对纤维机械性能方面的影响更显著,对纤维强力、断裂伸长、刚性等都有肯定程度的影响。
5.完学性能
棉纤维的完学性能,包含反射和折射、双折射和耐完性等,它们和纤维的组织和结构关系紧密。它既是研究纤维分子结构的一种重要手段,又可作为鉴别纤维品质的一种方法和条件。棉纤维的色泽是纤维完学性能的另一方面,是纤维对完线汲取、反射和放射的结果。完线照耀到纤维上,在纤维和空气的界面上产生反射和折射。折射完进入纤维内部后,一部分完被纤维汲取转变为其他形式的能,一部分完又在另一界面上产生反射和折射。后,一部分完仍从纤维表面反射出来,一部分完则从纤维另一面透射出去。反射完或透射完的量,主要和纤维的层状结构、纵面形态和截面形状有关。
由于纤维素大分子沿棉纤维轴向有不同程度的取向排列,使棉纤维的完学性质和其他物理性质一样呈现各向异性。当平面偏振完通过纤维时,电场振动方向平行纤维轴的折射率和垂直纤维轴的折射率不同,平行纤维轴的折射率较大(n _∥ =1.573～1.581),垂直纤维轴的折射率较小(n _⊥ =1.524～1.534),两者之差(n _∥ -n _⊥ )称为纤维的双折射率或双折射差度,其表示纤维的双折射能力。棉纤维的双折射率为0.041～0.051,折射率的大小和纤维素大分子的取向度有关。
棉纤维的耐完性能比较好,日晒940h,棉纤维的强力损失50%。但长时间在日完和大气的作用下,纤维素大分子主链上的苷键易发生氧化裂解,生成氧化学纤维维素使纤维强力损失。
6.电学性能
棉纤维的电学性能,主要指介电系数、电阻和静电等性能。这些性能是相互联系的,静电积存的量和电阻的大小有关,电阻的大小又和介电系数有关。
物体在电场作用中呈现的电容特性,称为该物体的介电性能,常用介电系数来表示。棉纤维的介电系数为3～6,空气的介电系数接近1,水的介电系数约为80。利用棉纤维的介电性能,可间接测得其回潮率及棉纤维的条干均匀度。
干燥的棉纤维具有很大的电阻和电击穿强度。由于棉纤维含有亲水性基团,且有较多的孔隙,在空气中能够保持肯定的吸湿平衡,吸湿后的棉纤维电阻减弱,导电性增强,在相互摩擦时,不易积存静电,能使布料整理过程顺利进行。
7.热学性能
棉纤维的热学性能,主要包含比热容、导热性、耐热性和吸湿放热等,它和面料整理和服用有紧密关系。
质量为1g的棉纤维在温度变化1℃时所汲取或放出的热量,称为棉纤维的比热容,我国的法定计量单位是J/(g ℃)[焦耳/(克?度)],cal/(g ℃)[卡/(克?度)]是非定计量单位。
在室温20℃,干棉纤维的比热容为1１213～1１339J/(g ℃)。水的比热容等于4１184J/(g ℃),约为棉纤维的3倍。因此,棉纤维吸湿后其比热容相应增大。
由于棉纤维及其集合体的多孔性,纤维内部和纤维之间有很多孔隙。这些孔隙内充满空气,在空气不流动的状态下,棉纤维是热的不良导体,其导热性能差。在室温为26℃时,测得棉纤维的导热系数(热导率)为0.071～0.073W/(m ℃),空气的导热系数为0.026W/(m ℃),水的导热系数为0.599W/(m ℃)。因此,随着棉纤维含湿量的增加,其导热系数增大,保暖性下降。在高温或低温下,棉纤维的理化等性能会产生变化。
8.密度
3
纤维的密度是指单位体积纤维的重量,以g/cm 表示。棉纤维的密度一般为1.50～1.58g/3
cm 。
(二)棉纤维的化学性能
棉纤维的化学性能取决于纤维素大分子中的官能团,即连接氧六环的苷键以及每个氧六环上的三个羟基。大分子中虽有少量其他基的存在,但不会对棉纤维的化学性质有重大的影响。
主要化学性能包含以下几个方面。
1.水和染料的作用
棉纤维虽然具有大量的亲水性基团,但它并不溶于水,仅能有限度地膨化。这主要是由于纤维素大分子间存在着较强的氢键和范德华力。棉纤维被水湿润膨化时,水可以进入纤维内部的无定形区。此时,其横截面积可增大45%～50%,但其长度方向仅增长1%～2%,呈各向异性。长时间的蒸汽作用会使纤维强度变弱,并且蒸汽中存在的氧气,会使纤维素氧化。
对棉纤维上色时,常用染料的水溶液。其中的水分除作染料的溶剂外,还是纤维的优良膨化剂。纤维被水膨化,染料分子才能很好地进入大分子间的空隙,和大分子结合,使棉纤维着色。棉纤维的上色性能很好,一般染料均可使其上色,成熟的棉纤维上色性好,不成熟的棉纤维上色性差。
2.酸和碱的作用
纤维素大分子中有苷键存在,苷键对酸特别敏感,但对碱的作用相当稳定,所以棉纤维耐碱而不耐酸。
棉纤维在酸的水溶液中或高温水作用下可水解,水解过程中形成很多中间产物,称为中间纤维素。强无机酸,如硫酸、盐酸、硝酸等,对纤维素的作用非常强烈,磷酸较弱。有机酸,如甲酸、乙酸等对棉纤维作用较弱。一些酸性盐类,如硫酸铝,它的水溶液呈酸性反应,也能引起棉纤维素水解而切断分子长链,呈现脆损。酸对棉纤维的作用,随着温度、浓度和时间的增加,破坏程度也加快。
常温下,用浓度为9%以下的碱液处理棉纤维时,对棉纤维不会发生破坏作用。若用17%～18%的碱溶液处理30～90s,可引起棉纤维横向膨化,呈现丝样的完泽,将碱液洗去后,仍旧保持完泽,化学组成基本不变。可利用这种特性对棉花纺织织品进行丝完后整理。但在高温浓碱溶液下,非常是有空气存在时,碱则表现为一种催化剂,加速空气中氧对纤维素的氧化反应,使棉纤维受到破坏。
3.耐溶剂性和耐氧化剂作用
棉纤维不溶于一般的有机溶剂,如乙醇、乙醚、苯、丙酮、汽油、四氯乙烯等。在氧化剂的作用下,棉简单氧化。在练漂过程中,次氯酸钠、过氧化氢、亚氯酸钠等漂白剂都是氧化剂。
纤维素的氧化主要发生在大分子氧六环的三个羟基上,但也可以发生在纤维素大分子末端的潜在醛基上。不同的氧化剂对纤维素的氧化也不同。如亚氯酸钠具有选择性,它只氧化学纤维维素大分子末端的潜在醛基,不影响大分子的苷键,不会降低纤维的强力;而次氯酸钠和过氧化氢是非选择性的,对纤维素的氧化很复杂, 处理不好会破坏大分子链以至使化学键断裂。
4.热和完的作用
棉纤维和合成纤维不同,没有明显的热塑性,如没有明显的软化点、熔点等。热对棉纤维的作用有两种情况:一种是热裂解温度以上的热裂解,即随着温度的升高,纤维大分子在弱的键上发生裂解,通常是热裂解和化学裂解(氧化、水解等)同时发生;另一种是热裂解温度以下的热作用,此时用耐热性和热稳定性来表示纤维承受热作用的程度。耐热性指随温度升高纤维强度降低的程度。热稳定性指在肯定温度下,纤维强度随时间而降低的程度。
一般耐热性好的纤维,热稳定性并不肯定好。在天然纤维中,棉纤维的耐热性比较好,但其热稳定性比较差。
棉纤维比较耐完。但在强完作用或长时间完照下,纤维素大分子会受损伤。这一方面是因为完线中短波长的紫外线能量大,能破坏纤维素大分子的苷键,另一方面是完、氧气和水分子一起作用,使纤维素产生完氧化。
5.微生物的作用
棉纤维吸湿性较强,在潮湿的情况下简单滋生微生物,分泌出纤维素酶和酸,使纤维变色、发霉、变质。因此,棉花贮藏以保持较低的含水率和干燥的环境为宜。

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