如何提高纤维素纤维染色速率与强度？

（一）棉纤维

1.棉纤维的形态结构

在显微镜下观察，成熟棉纤维的外形为：上端尖而封闭，下端粗而敞口，整根纤维为细长的扁平带子状，有螺旋形天然扭曲，一般扭曲数为60～120个/cm，纤维成熟度越高，天然扭曲数越多。纤维截面呈腰子形，中间有干瘪的空腔。成熟棉纤维的形态如图1-1所示。

将棉纤维经过适当的溶胀处理后，在显微镜下进一步观察，发现棉纤维从外到里又分成三层，最外层称为初生胞壁，中间为次生胞壁，内部为胞腔。图1-2为棉纤维的形态结构模型示意图。

图1-1　成熟棉纤维的形态

图1-2　棉纤维的形态结构模型示意图
1—初生胞壁　2—次生胞壁的外层　3—次生胞壁的中心区域　4—次生胞壁内层　5—带有原生质残渣的胞腔

（1）初生胞壁。棉纤维初生胞壁的厚度为0.1～0.2μm，约为纤维直径的1%左右，占纤维总质量的2.5%～2.7%，纤维素含量比较低，纤维素共生物特别是果胶物质、蜡状物质的含量较高，如表1-1所示。

表1-1　棉纤维的主要成分

初生胞壁决定了棉纤维的表面性质。初生胞壁具有拒水性，这对自然生长中的棉纤维有保护作用，在染整加工中会阻碍化学品向纤维内部扩散，影响化学反应进行，造成织物渗透性差，染色不匀等疵病，再加上纤维素含量较少，聚合度也较低，故强度不高，在染整加工的初期将其破坏并去除。初生胞壁不是结构均一的物质，它可分为三层：外层基本是由果胶物质和蜡状物质组成的皮层，第二、第三层含有相当多的纤维素，这些纤维素大分子排列成很不整齐的小纤维束，呈绕纤维轴旋转的网状结构，沿纤维轴向的取向度很低，对纤维内部的溶胀有束缚作用。

（2）次生胞壁。次生胞壁是纤维素淀积最厚的一层（约4μm），是棉纤维的主体，质量约占整个纤维的90%以上。由表1-1可知，次生胞壁的纤维素含量很高，共生物含量减少。次生胞壁的组成与结构决定了棉纤维的主要性质。

次生胞壁大体上也分为三层，每层中又有很多同心圆结构，称为日轮。同心圆结构都是由纤维素大分子组成的原纤沉积而成，厚约0.1～0.4μm，这三个同心圆层组成次生胞壁的外层、中层和内层，每层原纤的走向与邻层不同，绕纤维轴呈20°～30°的螺旋式排列。若外层原纤走向为S形螺旋，中层则为Z形，而内层又为S形，各层中原纤沿纤维长度方向的走向经常改变。

（3）胞腔。胞腔是棉纤维的中空部分，约占纤维截面的1/10，含有蛋白质及色素，其颜色决定了棉纤维的颜色。胞腔是纤维内最大的空隙，是棉纤维染色和化学处理的重要通道，若将胞腔的敞口部分完全封闭后进行染色，则染色速率会大大降低。

2.纤维素的化学结构

（1）纤维素的化学结构。纤维素大分子是由β-D-葡萄糖剩基彼此以1，4-苷键联结而成的，分子式可以写成（C6H10O5）n，结构式如下：

（2）纤维素大分子的结构特点。纤维素大分子的两个末端葡萄糖剩基，其一端有四个自由羟基，另一端有三个自由羟基和一个半缩醛羟基（称为潜在醛基），半缩醛羟基可显示醛基性质，见下式：

因此，纤维素大分子具有还原性，但大分子链较长，端基还原性不明显。随着纤维素大分子的降解，相对分子质量变小，半缩醛羟基增多，还原性就会增强。因此可利用纤维素中醛基含量的变化来测定其经酸处理后平均聚合度的变化。

纤维素大分子链中间每环上有三个自由羟基，其中两个为仲羟基（C2、C3），一个为伯羟基（C6），它们具有一般醇羟基的性质，能起酯化、醚化等反应，活泼性以后者较强。纤维素大分子链中的很多羟基可在分子间和分子内形成氢键。由于分子间和分子内的氢键作用，使纤维素大分子链挺直而有刚性，分子链间强烈吸引，排列更加紧密，因此纤维素纤维强度高，不易变形。

纤维素大分子链中的苷键对碱的稳定性较高，在酸中易发生水解，使大分子链聚合度降低，分子间力减弱，纤维强度降低。

3.棉纤维的超分子结构

棉纤维的超分子结构主要指棉纤维次生胞壁中纤维素大分子的聚集态结构，或者说纤维素大分子的排列状态、排列方向、聚集紧密程度等，它们与棉纤维的性能有重要关系。要了解棉纤维的超分子结构，需要借助X射线衍射仪及电子显微镜等手段。

（1）棉纤维的结晶度和取向度。棉纤维具有两相结构，既有结晶区又有无定形区，棉纤维的结晶度为结晶部分在整体纤维中的含量，约为70%，麻纤维约为90%，丝光棉纤维约为50%，黏胶纤维约为40%。纤维的结晶度与纤维的物理性质、化学性质、力学性质均有密切关系。纤维中的晶体在自然生长过程中成一定的取向性，晶体的长轴与纤维轴的夹角称为螺旋角，螺旋角愈小，取向度愈高。螺旋角为0时，取向度为1，是理想的取向情况，无取向时，取向度为0。棉纤维次生胞壁外层的螺旋角在30°～35°，麻的螺旋角平均为6°左右。

（2）棉纤维的超分子结构模型——缨状原纤模型。纤维素大分子通过整齐排列组成微原纤，微原纤整齐排列形成原纤。原纤中也有少数大分子分支出去与其他分支合并组成其他的原纤。原纤之间通过非整齐排列的分子联结起来形成无定形区，这就是缨状原纤模型，如图1-3所示。

图1-3　缨状原纤模型（画成格子处为结晶部分）

（3）纤维素纤维强度与纤维超分子结构的关系。影响纤维强度的超分子结构因素很多，这里就结晶度和取向度的影响作一分析。

①结晶度对纤维素纤维强度的影响。纤维素纤维内部有许多羟基，它们在结晶部位以氢键结合，形成立体密集而规整的排列，具有很高的分子间力。晶区还使分子链间交联起来，对容易自由运动的分子链起到约束作用，可防止分子链的滑移。反之，非结晶部位分子的羟基大部分处于游离状态，较少形成氢键，分子链间较松散，结构密度较低，容易屈服于外力，强度较弱。因此，纤维的结晶度愈高，纤维强度必然高。纤维素纤维中麻的结晶度最高，约90%，它的强度也最高；棉纤维的结晶度约70%，强度比较高；黏胶纤维结晶度在40%以下，强度最低。

②取向度对纤维素纤维强度的影响。纤维的取向度是指纤维内大分子、分子链段或晶体长轴沿纤维轴向有序排列的程度。取向度高的纤维其强度高，这有两方面的原因：一是分子、分子链段、晶区的取向使分子链顺应排列，次价力增高，这是影响纤维强度的重要因素；另一方面，取向度高会改善纤维内的受力状况。受外力作用的纤维主要是经向拉伸，高取向的纤维，大分子能均匀承受外力，减少因局部大分子应力集中所造成的分子链断裂，因此取向度高的纤维具有更高的强度。例如，棉纤维经过丝光，取向度提高了，尽管结晶度有所降低，但纤维的强度还是有所提高。在黏胶纤维制造中，对黏胶丝的拉伸就是为了提高取向度和结晶度，以提高黏胶丝的强度。

（4）纤维素纤维的结晶度对染色的影响。纤维素纤维在染色时，一般是将染料溶于水或分散于水中进行，染液只能渗透到纤维的无定形区和晶区边缘。若纤维结晶度高，无定形区少，则结构紧密，染料不易进入，染料的平衡吸附量也少，得色较浅淡。结晶度低的纤维，相应的无定形区多，纤维结构松散，染料易于进入纤维，平衡吸附量高，纤维得色深浓。棉纤维在丝光前结晶度较高，丝光后部分结晶区被打开成为无定形区，在同样染色条件下，丝光的棉纤维能得到较深的颜色。若要染成同样的颜色深度，未丝光棉纤维就要提高染料浓度、染色温度或延长染色时间。

4.纤维素纤维的化学性质

纤维素纤维的化学性质取决于纤维素的化学结构。纤维素大分子链中存在着苷键，并含有大量的自由羟基。苷键对不同的化学试剂稳定性不同，葡萄糖剩基上的三个羟基活泼性相差很大，其中C₆上的伯羟基比C₂、C₃上的仲羟基活泼得多。纤维素纤维的化学性质还受到纤维超分子结构的影响。

（1）纤维素与碱的作用。纤维素大分子中的苷键对碱的作用比较稳定，在常温下，氢氧化钠溶液对纤维素不起作用，高温沸煮也仅有一部分溶解。但在高温有空气存在时，纤维素苷键对较稀的碱液也十分敏感，引起聚合度的下降。

①浓碱对天然纤维素纤维的作用。常温下，浓的氢氧化钠溶液会使天然纤维素纤维发生不可逆的各向异性溶胀，纤维纵向收缩而直径增大，若施加一定的张力防止其收缩，并及时洗碱，可使纤维获得丝一样的光泽，这就是丝光。在显微镜下观察可发现，溶胀了的纤维的横截面，原有胞腔几乎完全消失，长度方向缩短，并由原来扭曲的扁平带状变为平滑的圆柱状。棉纤维若在无张力下与浓碱作用，结果得不到丝光效果，却得到另一种有实用价值的碱缩效果，尤其是棉针织物经浓碱处理，纱线膨胀，织物的线圈组织密度和弹性增加，织物发生皱缩。

②碱与纤维素的作用机理。纤维素是一种弱酸，可与碱发生类似的中和反应，生成醇钠化合物：

碱也能与纤维素的羟基以分子间力，特别是氢键结合，形成分子化合物：

碱与纤维素作用后的产物称为碱纤维素，是一种不稳定的化合物，经水洗后恢复成原来的纤维素分子结构，但纤维的微结构发生了不可逆的变化，结晶度降低，无定形区增加。天然棉纤维的结晶度达70%，经浓碱处理后的丝光棉纤维，结晶度降至50%～60%，说明浓碱液破坏了部分结晶区。这种作用很有实用意义，是棉纤维染整加工中的重要环节。

（2）纤维素与酸的作用。纤维素纤维遇酸后，手感变硬，强度严重降低，这是由于酸对纤维素大分子中苷键的水解起了催化作用，使大分子的聚合度降低，纤维受到损伤：

影响纤维素纤维水解的主要因素是酸的性质、水解反应的温度和作用时间。实际生产中，如果用酸工艺适当，就不会使织物损伤严重。

酸与纤维素作用的一般规律是酸性越强，水解速率越快。强无机酸如盐酸、硫酸、硝酸等对纤维素纤维的催化作用特别强烈，弱酸如磷酸、硼酸的催化作用较弱，有机酸则更缓和。酸的浓度愈大，水解速率愈快。温度对纤维素的水解影响很大，温度越高水解速率越快，当酸的浓度恒定时，温度每升高10℃，纤维素水解速率增加2～3倍。在其他条件相同的情况下，纤维素水解的程度与时间成正比，作用时间越长，水解越严重。此外，纤维素水解的速率还与纤维素的种类有关，麻、棉、丝光棉、黏胶纤维等的水解速率依次递增，这主要是它们的纤维结构中无定形部分依次增加。实际生产中一般只用很稀的酸处理棉织物，而且温度不能超过50℃，处理后还必须彻底洗净，尤其要避免带酸情况下干燥。

酸对纤维素纤维虽有危害性，但只要控制得当，也有可利用的一面。如含氯漂白剂漂白后用稀酸处理，可进一步加强漂白作用，用酸中和织物上过剩的碱，棉织物用酸处理生产蝉翼纱、涤/棉织物的烂花等均有应用。

（3）纤维素与氧化剂的作用。纤维素一般不受还原剂的影响，而易受氧化剂的作用生成氧化纤维素，使纤维变性、受损。纤维素对空气中的氧是很稳定的，但在碱存在下易氧化脆损，所以高温碱煮时应尽量避免与空气接触。在用次氯酸钠、亚氯酸钠、过氧化氢等氧化剂漂白时，必须严格控制工艺条件，以保证织物或纱线应有的强度。

纤维素的氧化作用主要发生在葡萄糖剩基的三个醇羟基和大分子末端的潜在醛基上，其中伯羟基被氧化成醛基，进一步氧化成羧基；仲羟基被氧化成酮基，进一步氧化成开环的醛基和羧基；大分子末端的潜在醛基被氧化成羧基。

纤维素在不同条件下氧化，可得到含有大量醛基或羰基的还原型氧化纤维素或含有大量羧基的酸型氧化纤维素。还原型氧化纤维素虽然未发生纤维素大分子链的断裂，但存在潜在损伤，在碱性条件下，会使纤维素大分子链断裂，聚合度下降，纤维强度降低。

5.纤维素共生物

棉纤维在生长过程中，纤维素的含量随着棉成熟度的增加而增加，此外还有一定量的在棉纤维生长中起保护性作用的物质，以及生物代谢过程中生成的杂质，与纤维素共生共长，这些物质称为纤维素共生物。纤维素共生物主要有果胶物质、含氮物质、蜡状物质、天然色素等，此外还有在剥取棉纤维时夹带的棉籽壳。共生物所占的比例随棉纤维成熟度的提高而减少。

共生物在棉织物染整加工中影响纤维的吸水、染色、白度等性能，因此，在染整加工的前处理中需要除去，以满足染整加工与服用的需要。

（1）果胶物质。棉和麻纤维中都含有果胶，以苎麻中含量较高。棉纤维中的果胶物质主要存在于初生胞壁中，也有少量存在于次生胞壁中。果胶的主要成分是果胶酸钙、果胶酸镁、果胶酸甲酯和多糖类。果胶酸钙、果胶酸镁和果胶酸甲酯的亲水性比纤维素低，用热水也难以洗除，若采用适当浓度的烧碱在一定温度下处理，可使酯水解成羧基，并转变成钠盐，这样果胶在水中的溶解度可大大提高而易于除尽。

（2）含氮物质。棉纤维中的含氮物质主要以蛋白质和简单的含氮无机盐（如硝酸盐、亚硝酸盐）存在于纤维的胞腔中，也有一部分存在于初生胞壁和次生胞壁中。含氮无机盐可溶于60℃温水或常温弱酸、弱碱溶液中，蛋白质即使在氢氧化钠溶液中长时间沸煮也不能完全除净。次氯酸钠可使蛋白质大分子中的酰胺键断裂，生成一系列可溶于水的氯氨基酸钠盐而除去。

（3）蜡状物质。棉纤维中不溶于水但能被有机溶剂萃取的物质称为蜡状物质，主要存在于初生胞壁中。棉纤维中的蜡状物质是一混合物，含有既不溶于水又不溶于碱的脂肪族高级一元醇、游离脂肪酸、脂肪酸的钠盐、高级一元醇的酯和固体、液体的碳氢化合物。在棉织物的染整加工中，蜡状物质的去除是借助于皂化和乳化作用实现的。脂肪酸（酯）类物质在煮练中与碱发生皂化作用而除去，高级醇和碳氢化合物可利用皂化产物或加入的乳化剂，通过乳化作用而去除。

（4）灰分。棉纤维中的灰分由硅酸、碳酸、盐酸、硫酸和磷酸的钾、钠、钙、镁、锰盐以及氧化铁和氧化铝组成，其中钾盐和钠盐占灰分总量的95%。棉纤维中的灰分能溶解于酸中，可通过练漂中的酸洗来降低其含量。

（5）天然色素。棉纤维中的有色物质称为天然色素，有乳酪色、褐色、灰绿色等多种。目前，对天然色素的结构研究得还不充分。部分色素能溶于沸水。在漂白时用漂白剂可使色素破坏而被去除。

（6）棉籽壳。棉籽壳本不是棉纤维的共生物，而是棉纤维所附着的种籽皮，是剥制纤维时带入的杂质。棉籽壳的颜色很深，质地坚硬，对织物表面的光洁度和染整加工十分不利。它的组成也很复杂，主要由木质素、纤维素、单宁、多糖类以及少量蛋白质、油脂和矿物质等组成。在棉织物煮练中，在烧碱、高温、长时间处理下，木质素中的多种醚键断裂，木质素大分子降解，使棉籽壳变得松软，基本解体，再经充分挤轧、水洗而去除。在氯漂中，木质素还会发生氯化作用而溶解在碱中。(www.xing528.com)

（二）天然彩色棉

天然彩色棉是天然生长的非白色棉花，是一种古老的棉花品种。由于这种棉花存在产量低、成熟度差、纤维强度低、可纺性差、色泽不鲜艳等多种缺点，一直未受到重视。随着人们对纯天然物品需求的日益增长，彩色棉花的种植又重新受到重视。我国的彩色棉品种目前主要有棕色、绿色、褐色三种。但目前彩色棉还存在着可纺性差、色素不稳定、产量低等缺点，特别是绿棉的色素稳定性非常差，已成为商品化的重要障碍。

1.天然彩色棉的化学组成

天然彩色棉的纤维素含量较低，只有85%～90%，共生物含量较高。共生物的主要成分是棉蜡、灰分、果胶和蛋白质。果胶含量比白棉低，其他杂质含量均高于白棉，如棉蜡的含量约为白棉的5～8倍，灰分的含量为白棉的1.4～1.6倍，蛋白质的含量为白棉的1.75～2.1倍。天然彩色棉中主要共生物的含量如表1-2所示。

表1-2　天然彩色棉中主要共生物的含量

天然彩色棉的化学结构与白棉相同，都属于纤维素纤维，结晶结构也与白棉一样，为纤维素I。

2.天然彩色棉的形态结构

天然彩色棉的形态结构与白棉相似。绿棉的横截面积小于白棉，次生胞壁比白棉薄很多，胞腔远远大于白棉，呈U形。棕棉的横截面与白棉相似，呈腰圆形，次生胞壁和横截面积比绿棉丰满，但胞腔大于白棉。一般来说，成熟度好的彩色棉截面比较圆润，胞腔较小。成熟度差的天然彩色棉，截面扁平，胞腔较大。

天然彩色棉的色素主要分布在纤维的次生胞壁内，靠近胞腔部位。由于要透过次生胞壁，所以，色彩的透明度差些，色泽不十分鲜艳。

天然彩色棉的纵向与白棉一样，为细长、有不规则转曲的扁平带状，中部较粗，根部稍细于中部，梢部更细。成熟度好的纤维转曲数较多，成熟度较差的纤维转曲数很少。

3.天然彩色棉的物理性能

天然彩色棉与白棉的主要物理性能比较见表1-3。

表1-3　彩色棉和白棉的主要物理性能

由表1-3可见，天然彩色棉的长度偏短，强度偏低，马克隆值高低差异大，整齐度较差，短绒含量高，成熟度差，这些都给纺纱带来一定困难。同时天然彩棉的产量也远低于白棉。

4.天然彩色棉的颜色稳定性

天然彩色棉含有多种色素，如棕棉含有黄色和棕色色素，绿棉除含有黄绿色色素外，还含有红棕色和黄色色素。天然彩色棉的色素中含有芳环、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基和共轭双键等，化学性质不稳定，经不同温度的水、不同pH的缓冲溶液、生物酶、氧化剂、还原剂、金属盐、表面活性剂、荧光物质、光等处理，其色泽深度和色光都会发生变化，变化的程度与所用试剂的种类、用量和处理条件有关，有的颜色变浅，有的颜色变深，而且，多数情况下颜色是加深的，这可能与天然彩棉表面蜡质的去除和色素分子结构的变化有关。如用金属盐处理，可使色光改变，颜色加深，耐光牢度提高，其变化程度与金属盐的种类、用量和处理条件有关。

（三）麻纤维

麻纤维是从各种麻类植物中取得的纤维，包括韧皮纤维和叶纤维。本节简要介绍韧皮纤维中的苎麻和亚麻纤维。

1.苎麻和亚麻纤维的化学组成

麻纤维的主要成分为纤维素，并含有较多量的半纤维素、果胶和木质素。

苎麻是多年生草本植物。麻皮自茎上剥下后，先进行刮青，刮去表皮。刮青后的麻皮晒干或烘干后，成丝状或片状的原麻（也称生苎麻）。原麻在纺纱前需要脱胶，脱胶后的苎麻称为精干麻。原麻的总含胶量（除纤维素外的其他所有杂质）达25%～35%，纤维素含量较低，化学组成如表1-4所示，精干麻的残胶率控制在2%以下。原麻的脱胶方法有生物脱胶法和化学脱胶法，目前主要采用化学脱胶法。

亚麻纤维在麻茎韧皮的生长中，由30～50根单纤维集结在一起，由胶质粘连成纤维束状态存在。亚麻纤维的长度整齐度极差，不能将它脱胶成单纤维进行纺纱。为了使亚麻纤维适应和满足纺纱工艺的要求，要先用浸渍的方法，将它进行半脱胶，使纤维束适度劈细并保持一定的长度，经碎茎、打麻后制成“打成麻”。

亚麻打成麻的化学组成如表1-4所示。

表1-4　苎麻和亚麻纤维的化学组成

2.苎麻和亚麻纤维的形态结构

各种韧皮纤维都是植物单细胞，纤维细长，两端封闭，内有狭窄胞腔，胞壁厚薄随品种和成熟度不同而异。截面呈椭圆形或多角形，取向度和结晶度高于棉纤维，具有高强度和低伸长。

苎麻纤维是植物纤维中最长的，单纤维长20～250mm，最长可达600mm。横截面呈腰圆形或扁平形，有中腔，胞壁厚实均匀，两端封闭呈锤头形或有分支，整根纤维呈扁管形，没有明显转曲，纤维表面有时平滑，有时有明显条纹，常有结节，平均宽度30～40μm。

亚麻纤维表面光滑，略有裂节，为玻璃管状，两端稍细，呈纺锭形。横截面为五角形或多角形，中腔甚小，胞壁较厚。苎麻和亚麻纤维的截面形状如图1-4所示。

苎麻纤维的结晶度和取向度很高，前者约90%，后者约80%。亚麻纤维的结晶度和取向度比苎麻纤维略低，聚合度为2190～2420。

图1-4　苎麻和亚麻纤维的纵截面和横截面
1—中段　2—末段

3.苎麻和亚麻纤维的物理性能

苎麻纤维的强度和模量很高，在天然纤维中均居首位，但断裂伸长率低，纤维硬挺，刚性大，纤维之间抱合差，纺纱时不易捻合，纱线毛羽多。苎麻纤维强度虽高，但由于伸长率低，断裂功小，加之苎麻纤维的弹性回复性差，因此苎麻织物的折皱回复能力差，织物不耐磨。苎麻纤维不耐高温，在240℃以上即开始分解。

亚麻纤维的长度较短，物理性能和苎麻纤维相似。

4.麻纤维的染色性能

麻纤维结晶度、取向度高，大分子链排列整齐、紧密，孔隙小且少，溶胀困难。同时麻纤维含有一定量的木质素和半纤维素等杂质，染色性能较差，染料扩散困难，上染率低，用染纤维素纤维的染料染色，得色量低，不宜染深色，染色始终是一个比较麻烦的问题。

改善麻纤维染色性能的方法主要有两种，一种是对麻纤维进行染前处理，如丝光，降低纤维的结晶度；另一种是对麻纤维进行改性处理，如阳离子化处理，使纤维带正电荷，提高对阴离子染料的亲和力。