紡織纖維的大分子結構

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一、紡織纖維大分子主鏈的化學組成及連接方式

纖維大分子主鏈是由某個結構單元（鏈節）以化學鍵的方式重復連接而成的線型長鏈分子。鏈結構主要是由碳和氫兩元素構成，還可以有氧、氮、磷、氯、硫、鋁、硅、硼等元素。這些元素是構成纖維的基礎物質，它們之間通常是以共價鍵的形式連接。按主鏈構成的化學組成，纖維大分子可以分為以下三種。

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１．均鏈大分子（ｈｏｍｏｃｈａｉｎｐｏｌｙｍｅｒ）

主鏈均由一種原子以共價鍵形式組式的大分子鏈，

且其通常是以碳— 碳鍵相連，這類大分子一般由加聚反應制得。該類纖維品種有聚丙烯纖維、聚氯乙烯纖維等。

２．雜鏈高分子（ｈｅｔｅｒｏｃｈａｉｎｐｏｌｙｍｅｒ）

主鏈是由兩種或兩種以上的原子組成的大分子鏈，且其通常由碳—氧、碳— 氮、碳— 硫等以共價鍵相聯結而成，主要通過縮聚反應或開環聚合而成。該類纖維品種有聚酰胺纖維、聚酯纖維等，其特點為大分子鏈剛性較大，力學性能和耐熱性較好，但由于主鏈中含有極性基團，所以易產生水解、醇解和酸解。

３．元素有機高分子（ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｙｍｅｒ）

大分子主鏈上含有磷、硼、鋁、硅、鈦等元素，并在其側鏈上含有有機基團。該類纖維品種有碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維等。此類纖維具有有機物的彈性和塑性，也具有無機物的高耐熱性，屬于高性能纖維。

構成纖維大分子主鏈的結構單元稱為“單基”。不同纖維大分子，其單基組成結構是不同的，如纖維素的單基為葡萄糖?；?；蛋白質單基是α- 氨基酸?；?；聚酯單基是對苯二甲酸乙二酯。

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大分子長鏈中，大分子鏈的鍵接方式可以由一種結構單元組成，稱為均聚物纖維；也可以由兩種或兩種以上的結構單元組成，稱為共聚物纖維。在均聚物纖維中，其單基可以是完全相同的（如纖維素、聚乙烯等），也可以是基本相同的（如蛋白質等）。此外，在均聚物纖維中，也會出現大分子鏈節內各原子和基團通過化學鍵所形成的空間排列及鏈節之間的排列順序不同，即大分子產生不同的“構型”，其中若只是原子和基團在順序上的改變稱為構造同分異構體；空間位置上的改變稱為立體同分異構體。不同構型所形成的大分子，雖然組成物質是相同的，但纖維的性能可能存在較大差異。

結合日常生活經驗可知，構成單基的組成特征不同，將會形成不同種類的物質形式，也就是說纖維大分子的性能具有本質的差異，即單基的結構特征是決定大分子性能的基礎，因此可以通過學習認識單基的組成基團的特征，對纖維的性能進行分析評價。

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二、側基與端基

１．側基（ｓｉｄｅｇｒｏｕｐｓ）

它是指分布在大分子主鏈兩側并通過化學鍵與大分子主鏈連接的化學基團。側基的性能、體積、極性等對大分子的柔順性和凝聚態結構具有影響，進而影響到纖維的加工工藝，也影響到纖維的熱學性質、力學性質和耐化學性質等。在生產實踐中，可采用對大分子主鏈進行接枝或組裝具有某種特性的側基基團，使纖維實現功能化。

２．端基（ｅｎｄｇｒｏｕｐｓ）

它是指大分子兩端的結構單元，且與主鏈“單基”結構有很大差別。

大分子端基的結構取決于聚合過程中鏈的引發和終止方式，其可以來自單體、引發劑、溶劑、分子質量調節劑等，并對纖維的光、熱穩定性有較大影響。通?？衫枚嘶系幕钚怨倌軋F對纖維進行改性處理（如擴鏈、嵌段等），也可通過準確測定端基結構和數量，來研究大分子的相對分子質量。

三、大分子鏈的柔性

大分子鏈的柔性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）是指其能夠改變分子構象的性質，也就是大分子鏈可以呈現出各種形態的性質。纖維的線性大分子，如果主鏈包含大量的旋轉性較好的σ鍵，并且其四周的側基分布比較均衡，也比較小，即側基之間的結合力也較弱，從而使鏈節較容易繞主鏈鍵旋轉，大分子鏈伸直和彎曲比較容易，可呈現出多種構象形態，也就是大分子鏈比較“柔軟”。反之，大分子鏈比較“僵硬”，不宜彎曲和伸直。

大分子鏈的柔性可以用末端距表示，末端距是指大分子鏈兩端之間的直線距離，末端距越小，大分子鏈的柔性越高。

大分子鏈柔性受多方面因素的影響，一般情況下，當大分子鏈的主鏈結構中含有Ｃ—Ｃ、Ｓｉ—Ｏ、Ｃ— Ｏ鍵時，其具有較好的柔性，如聚乙烯纖維；當大分子鏈的主鏈結構中含有共軛雙鍵時（— Ｃ Ｃ— Ｃ Ｃ— ），其柔性會顯著降低，如聚乙炔纖維；當大分子鏈中含有芳雜環時，其柔性較差，如聚苯硫醚纖維；當大分子鏈含有側基時，如果側基的極性和體積越大，則其越僵硬；當大分子之間形成氫鍵時，其剛性會增加，如纖維素纖維。此外，纖維所處的環境因素（溫度、濕度、應力等）和制造加工或改性處理過程中的添加劑（如增塑劑）也會對大分子鏈的柔性產生影響。

四、相對分子質量及其分布

為了保證纖維的使用性能要求，纖維中的線性大分子鏈必須具有一定的長度，通常大分子鏈的大?。ɑ蜷L短）可用單基的重復次數表示，如纖維素大分子式可表示為［Ｃ６Ｈ１０Ｏ５］ｎ，這樣就需要由ｎ個重復單元（單基）相互連接而成，從而達到一定的聚合度。所謂“聚合度”是指大分子鏈中單基的重復個數，即纖維分子式中的ｎ值，其可由大分子相對分子質量和單基相對分子質量的比值求得，且單基相對分子質量可依據單基結構式的元素構成計算求得。

大分子相對分子質量可通過化學法（端基分析法）、熱力學法（蒸氣壓法、滲透壓法、沸點升高和冰點下降法）、光學法（光散射法）、動力學法（黏度法）、凝膠滲透色譜法測量得到。需要特別強調的是，纖維大分子的相對分子質量并不是一個定值，而是呈現一個分布，因此其相對分子質量是一個統計平均值。根據不同的測試統計方式，統計平均相對分子質量有如下幾種方法。

（１）數均摩爾質量法：按分子數加權平均的相對分子質量。

（２）重均相對分子質量法：按分子質量加權平均的相對分子質量。

（３）黏均相對分子質量法：用溶液黏度法測出的平均相對分子質量。

纖維大分子相對質量的大小，對纖維的拉伸、彎曲、沖擊強度和模量、熱學及熱穩定性能、光學性能、透通性能、耐化學藥品性能等具有較大影響，同時也對纖維的加工性能具有相當大的影響。如超高分子質量的聚乙烯纖維（ＰＥ）的拉伸強度要比普通聚乙烯纖維大２～３倍。

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