3.2　紡織原料的基本特性

本節主要介紹現代紡織技術中涉及的紡織原料的化學結構及性能和天然紡織原料的前處理加工技術。從應用化學角度出發，簡要介紹紡織應用化學的基本理論，主要包括高分子化合物、碳水化合物、氨基酸和蛋白質以及表面化學等。然后從紡織原料的理化性能及提高紡紗性能的前處理方法入手，介紹前處理加工的化學原理、方法及要求等，主要包括天然纖維和化學纖維的理化性能，麻類纖維、羊毛及蠶絲的前處理加工，以及前處理加工所涉及的表面活性劑、漿料等。

3.2.1　基本概念

3.2.1.1　高分子化合物

分子量巨大，分子呈現多分散性的物質稱為高分子化合物，也稱高聚物。高分子化合物與低分子化合物相比，具有以下特點：一般在低分子化合物中，每一個分子中只有幾個到幾十個原子，分子量一般從幾十到幾百，就是比較復雜的有機化合物分子也不過含有二三百個原子。如三硬脂酸甘油酯（C57H110O6）分子量也在1000以下。

但高分子化合物的分子量可以達到幾萬到幾十萬，甚至幾百萬，分子量一般在104～106之間，某些高分子化合物的分子量如表3-1所示。所以，“高分子”就是指高分子量，這是高分子化合物與低分子化合物的主要區別。

由于分子量特別大，所以高分子化合物的分子在結構上也比低分子化合物要復雜得多，性質上也有所差異。

高分子化合物是由千百個原子彼此以共價鍵連接的大分子化合物。現在以常見的聚氯乙烯為例：

簡寫為

從聚氯乙烯的分子可以看出，高分子化合物的分子是由特定結構的基本單元多次重復組成，其中特定結構的基本單元（重復結構單元）稱為鏈節。鏈節重復的次數稱為聚合度，用n表示。如聚氯乙烯分子中的鏈節為，聚合度為n。因此，高分子化合物又稱高聚物。表3-2列出了常見纖維的鏈節結構。

若高分子化合物的分子量為M，而高分子中的鏈節的分子量為m，鏈節的數目為n，則有下面的關系。

（1）按高分子化合物的結構分類　根據高分子化合物的主鏈結構可以分為：

①碳鏈高分子化合物。高分子化合物的主鏈全由碳原子構成，如聚氯乙烯：

②雜鏈高分子化合物。主鏈中除碳原子外，還夾雜有氧、硫、氮等原子，如聚己內酰胺：

又如聚砜：

③元素高分子化合物。主鏈不一定是碳原子，而是由硅、氧、鈦、硼等原子組成，如二甲基硅氧烷（甲基硅油）：

（2）按分子的幾何形狀分類　一般可分為線型高分子化合物（包括帶支鏈的）和體型高分子化合物。

（3）按性能﹑用途分類　傳統的分類有塑料、橡膠、纖維三大類，隨著化學合成工業的發展，又出現了樹脂、涂料、黏合劑、合成漿料等。

（4）按合成方法分類　有加成聚合物、縮合聚合物。

（5）按對熱的性質分類　有熱塑性的聚合物、熱固性的聚合物。

3.2.1.2　高分子化合物的結構

（1）分子結構

①線型結構。高分子化合物的分子結構可以分為線型和體型兩種。纖維大分子屬于線型結構，它是由許多鏈節連成一個長鏈，鏈的直徑與長度之比可達1比幾萬（相當于直徑為1cm而長達幾百米的繩子），這樣長的鏈通常都是呈卷曲不規則的線團，如圖3-4（a）所示。但有些高分子化合物鏈上帶有一些支鏈，這種支鏈也是線型結構，如圖3-4（b）所示。

②體型結構。如果高分子化合物大分子之間有許多支鏈彼此交聯起來，就成為體型結構如圖3-4（c）所示。如常見的酚醛塑料為體型結構。

線型分子與體型分子之間沒有嚴格的界限，如支鏈多的線型分子的高分子化合物的性質就接近體型的性質。另外線型高分子化合物的分子，如果鏈節中含有互相可以起作用的基團或分子間通過某種低分子物質而相互作用，在一定的條件下發生化學反應，使分子鏈與分子鏈交聯起來，也可以成為體型結構，所以常把帶支鏈的大分子看作是一種過渡形態。

由于高分子化合物的分子結構不同，因而表現在性質上有較大的差別，從表3-3中可以明顯地看出。

（2）二級結構　高分子主鏈中常有單鍵，如C—C，單鍵的旋轉使高分子鏈的構象發生變化，當完全伸展時為鋸齒狀，也可以是無規則纏結的柔軟線團、折疊鏈或螺旋狀鏈等。這種單個分子鏈的構象結構稱為二級結構，如圖3-5所示。

（3）三級結構　高分子鏈之間堆聚在一起可以有許多形式，可以是完全無規則的無定形結構，也可以是有規則的結晶，甚至二重螺旋結構，更多的為半結晶結構。這種高分子的聚集態結構稱為三級結構，如圖3-5所示。

3.2.1.3　高分子化合物的溶解性

一般線型高分子化合物在一定的溶劑中具有可溶性。如有機玻璃可溶在二氯乙烷等溶劑中，硝化棉可溶于丙酮等溶劑。

高分子化合物的溶解過程，比一般低分子物質復雜。它一般有三個階段：

（1）溶劑化過程　溶劑分子（小分子）與溶質分子（大分子）之間有一定的作用力，這種力稱為親和力。由于親和力的作用，小分子首先潤濕大分子的表面，這個過程稱為溶劑化。它的特點是大分子此時體積與形狀均不變化。

（2）溶脹過程　溶劑分子繼續與大分子作用，鉆入大分子內部，削弱了大分子之間的作用力 ，從而將一些鏈段互相推開，使鏈段之間的空隙擴大，引起高分子化合物的體積膨脹。

（3）溶解過程　溶劑分子進一步作用大分子，使大分子間的引力完全失去，大分子彼此之間完全分離而分散在溶劑之中，完成最后的溶解過程。

在高分子化合物的溶解過程中，必須考慮三種作用：溶質與溶質分子間的力、溶劑與溶劑分子間的力、溶質與溶劑分子間的力。前兩種都有阻止溶解過程發生的作用，而后一種則是起促進溶解發生的作用。對于不同的高分子化合物和不同的溶劑，它們之間的這三種作用相對大小不同，因而產生了不同的溶解情況，有些高分子化合物就不能完成溶解的全過程，而只能進行到溶劑化或溶脹階段。另外，在一般情況下，線型高分子化合物在適當的混合溶劑中的溶解度較在單一溶劑中的大。這種現象對含有極性基團的高分子化合物更為顯著。表3-4介紹幾種常用的溶劑。

3.2.2　旋光性和對映異構

3.2.2.1　偏振光

光是一種電磁波，它是振動前進的，其振動方向垂直于光波前進的方向，普通光是由各種波長在垂直于前進方向的各個平面內振動的光波組成的。如圖3-6中，光波的振動平面可以是A、B、C、D…無數垂直于前進方向的平面。

如果使普通光通過一個特制的稱為尼可爾棱鏡（冰晶石制成）的晶體時，由于這種晶體只能使振動平面和棱鏡的晶軸平行的光通過，所以通過尼可爾棱鏡的光，其光波振動平面就只有一個和棱鏡晶軸平行的平面，這種通過尼可爾棱鏡后僅在某一平面上振動的光，稱為平面偏振光，簡稱偏振光，如圖3-7所示。

3.2.2.2　旋光性

將兩個尼可爾棱鏡平行放置時，通過第一個棱鏡后的偏振光，仍能通過第二個棱鏡，這樣，第二個棱鏡后面可以見到最大強度的光。

如果在鏡軸平行的兩個尼可爾棱鏡之間，放一支盛液管，在盛液管中分別放入各種有機物的溶液，然后用一光源由第一個棱鏡（起偏鏡）向第二個棱鏡（檢偏鏡）的方向照射，在第二個棱鏡后面觀察，可以發現：當盛液管中放有乙醇、乙酸等物質時，仍能見到最大強度的光亮；而當盛液管中放有乳酸、糖、酒石酸等的溶液時，見到的光的亮度就有所減弱，但如將第二個棱鏡向左或向右轉動一定角度以后，又能見到最大強度的光亮。這種現象必然是由于這些有機物將偏振光的振動平面旋轉了一定的角度所致。這種能使偏振光的振動平面旋轉的物質，稱為旋光性物質，又稱光學活性物質。光學活性物質能使偏振光的振動平面旋轉的性質稱為旋光性，光學活性物質使偏振光振動平面旋轉的角度稱為旋光度。使偏振光振動平面向右旋轉（順時針方向）的物質叫右旋物質，用（+）號表示，如（+）-葡萄糖，表示右旋葡萄糖。向左旋轉（逆時針方向）的物質叫左旋物質，用（-）號表示，如（-）-果糖，表示左旋果糖。

3.2.2.3　旋光儀和比旋光度

（1）旋光儀　用來測定物質旋光度的儀器稱為旋光儀，如圖3-8所示。

在旋光儀中，起偏鏡b是一個固定不動的尼可爾棱鏡，其作用是使由光源a射來的光變成偏振光。檢偏鏡c是能轉動的尼可爾棱鏡，用來測定物質使偏振光振動平面旋轉的角度和方向，其數值可在刻度盤e上讀出。

當檢偏鏡和起偏鏡平行，并且盛液管d是空著或放有無光學活性物質的溶液時，用光源照射，則由目鏡可以見到最大強度的光亮，這時，刻度盤指在0°。當盛液管中放有光學活性物質的溶液時，則由起偏鏡射來的光的振動平面被它向左或向右旋轉了一定角度，因此，到達目鏡的光的強度就被減弱，這樣，轉動檢偏鏡至光的亮度最強時為止，由刻度盤上就可讀出左旋或右旋的度數。

（2）比旋光度　物質的旋光度隨測定時所用的溶液的濃度、盛液管的長度、溫度、光波的波長以及溶劑的性質而改變。但在一定條件下，不同旋光活性物質的旋光度各為一常數，通常用比旋光度[ɑ]表示。比旋光度可以根據測得的旋光度，測定時溶液的濃度和盛液管的長度，按以下公式計算：

式中　a——由旋光儀測得的旋光度；

λ——所用光源的波長，一般采用鈉光，用D表示；

t——測定時的溫度，一般取室溫20℃；

c——被測溶液的質量濃度，g/mL；

l——盛液管的長度，dm。

當c和l都等于1時，則[a]=a0，因此，比旋光度的物理意義是：在一定波長的光源和一定溫度下，某光學活性物質以1mL中含有1g溶質的溶液，放在1dm長的盛液管中測出的旋光度。

測定旋光度時，多用鈉光燈作光源，波長是589.3nm，通常以D表示。例如，天然葡萄糖水溶液是右旋的，在20℃時，以鈉光燈作光源，測得的比旋光度是52.5°，則應寫為

又如天然果糖是左旋的，比旋光度為：