3.2　纺织原料的基本特性

本节主要介绍现代纺织技术中涉及的纺织原料的化学结构及性能和天然纺织原料的前处理加工技术。从应用化学角度出发，简要介绍纺织应用化学的基本理论，主要包括高分子化合物、碳水化合物、氨基酸和蛋白质以及表面化学等。然后从纺织原料的理化性能及提高纺纱性能的前处理方法入手，介绍前处理加工的化学原理、方法及要求等，主要包括天然纤维和化学纤维的理化性能，麻类纤维、羊毛及蚕丝的前处理加工，以及前处理加工所涉及的表面活性剂、浆料等。

3.2.1　基本概念

3.2.1.1　高分子化合物

分子量巨大，分子呈现多分散性的物质称为高分子化合物，也称高聚物。高分子化合物与低分子化合物相比，具有以下特点：一般在低分子化合物中，每一个分子中只有几个到几十个原子，分子量一般从几十到几百，就是比较复杂的有机化合物分子也不过含有二三百个原子。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达到几万到几十万，甚至几百万，分子量一般在104～106之间，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，这是高分子化合物与低分子化合物的主要区别。

由于分子量特别大，所以高分子化合物的分子在结构上也比低分子化合物要复杂得多，性质上也有所差异。

高分子化合物是由千百个原子彼此以共价键连接的大分子化合物。现在以常见的聚氯乙烯为例：

简写为

从聚氯乙烯的分子可以看出，高分子化合物的分子是由特定结构的基本单元多次重复组成，其中特定结构的基本单元（重复结构单元）称为链节。链节重复的次数称为聚合度，用n表示。如聚氯乙烯分子中的链节为，聚合度为n。因此，高分子化合物又称高聚物。表3-2列出了常见纤维的链节结构。

若高分子化合物的分子量为M，而高分子中的链节的分子量为m，链节的数目为n，则有下面的关系。

（1）按高分子化合物的结构分类　根据高分子化合物的主链结构可以分为：

①碳链高分子化合物。高分子化合物的主链全由碳原子构成，如聚氯乙烯：

②杂链高分子化合物。主链中除碳原子外，还夹杂有氧、硫、氮等原子，如聚己内酰胺：

又如聚砜：

③元素高分子化合物。主链不一定是碳原子，而是由硅、氧、钛、硼等原子组成，如二甲基硅氧烷（甲基硅油）：

（2）按分子的几何形状分类　一般可分为线型高分子化合物（包括带支链的）和体型高分子化合物。

（3）按性能﹑用途分类　传统的分类有塑料、橡胶、纤维三大类，随着化学合成工业的发展，又出现了树脂、涂料、黏合剂、合成浆料等。

（4）按合成方法分类　有加成聚合物、缩合聚合物。

（5）按对热的性质分类　有热塑性的聚合物、热固性的聚合物。

3.2.1.2　高分子化合物的结构

（1）分子结构

①线型结构。高分子化合物的分子结构可以分为线型和体型两种。纤维大分子属于线型结构，它是由许多链节连成一个长链，链的直径与长度之比可达1比几万（相当于直径为1cm而长达几百米的绳子），这样长的链通常都是呈卷曲不规则的线团，如图3-4（a）所示。但有些高分子化合物链上带有一些支链，这种支链也是线型结构，如图3-4（b）所示。

②体型结构。如果高分子化合物大分子之间有许多支链彼此交联起来，就成为体型结构如图3-4（c）所示。如常见的酚醛塑料为体型结构。

线型分子与体型分子之间没有严格的界限，如支链多的线型分子的高分子化合物的性质就接近体型的性质。另外线型高分子化合物的分子，如果链节中含有互相可以起作用的基团或分子间通过某种低分子物质而相互作用，在一定的条件下发生化学反应，使分子链与分子链交联起来，也可以成为体型结构，所以常把带支链的大分子看作是一种过渡形态。

由于高分子化合物的分子结构不同，因而表现在性质上有较大的差别，从表3-3中可以明显地看出。

（2）二级结构　高分子主链中常有单键，如C—C，单键的旋转使高分子链的构象发生变化，当完全伸展时为锯齿状，也可以是无规则缠结的柔软线团、折叠链或螺旋状链等。这种单个分子链的构象结构称为二级结构，如图3-5所示。

（3）三级结构　高分子链之间堆聚在一起可以有许多形式，可以是完全无规则的无定形结构，也可以是有规则的结晶，甚至二重螺旋结构，更多的为半结晶结构。这种高分子的聚集态结构称为三级结构，如图3-5所示。

3.2.1.3　高分子化合物的溶解性

一般线型高分子化合物在一定的溶剂中具有可溶性。如有机玻璃可溶在二氯乙烷等溶剂中，硝化棉可溶于丙酮等溶剂。

高分子化合物的溶解过程，比一般低分子物质复杂。它一般有三个阶段：

（1）溶剂化过程　溶剂分子（小分子）与溶质分子（大分子）之间有一定的作用力，这种力称为亲和力。由于亲和力的作用，小分子首先润湿大分子的表面，这个过程称为溶剂化。它的特点是大分子此时体积与形状均不变化。

（2）溶胀过程　溶剂分子继续与大分子作用，钻入大分子内部，削弱了大分子之间的作用力 ，从而将一些链段互相推开，使链段之间的空隙扩大，引起高分子化合物的体积膨胀。

（3）溶解过程　溶剂分子进一步作用大分子，使大分子间的引力完全失去，大分子彼此之间完全分离而分散在溶剂之中，完成最后的溶解过程。

在高分子化合物的溶解过程中，必须考虑三种作用：溶质与溶质分子间的力、溶剂与溶剂分子间的力、溶质与溶剂分子间的力。前两种都有阻止溶解过程发生的作用，而后一种则是起促进溶解发生的作用。对于不同的高分子化合物和不同的溶剂，它们之间的这三种作用相对大小不同，因而产生了不同的溶解情况，有些高分子化合物就不能完成溶解的全过程，而只能进行到溶剂化或溶胀阶段。另外，在一般情况下，线型高分子化合物在适当的混合溶剂中的溶解度较在单一溶剂中的大。这种现象对含有极性基团的高分子化合物更为显著。表3-4介绍几种常用的溶剂。

3.2.2　旋光性和对映异构

3.2.2.1　偏振光

光是一种电磁波，它是振动前进的，其振动方向垂直于光波前进的方向，普通光是由各种波长在垂直于前进方向的各个平面内振动的光波组成的。如图3-6中，光波的振动平面可以是A、B、C、D…无数垂直于前进方向的平面。

如果使普通光通过一个特制的称为尼可尔棱镜（冰晶石制成）的晶体时，由于这种晶体只能使振动平面和棱镜的晶轴平行的光通过，所以通过尼可尔棱镜的光，其光波振动平面就只有一个和棱镜晶轴平行的平面，这种通过尼可尔棱镜后仅在某一平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光，如图3-7所示。

3.2.2.2　旋光性

将两个尼可尔棱镜平行放置时，通过第一个棱镜后的偏振光，仍能通过第二个棱镜，这样，第二个棱镜后面可以见到最大强度的光。

如果在镜轴平行的两个尼可尔棱镜之间，放一支盛液管，在盛液管中分别放入各种有机物的溶液，然后用一光源由第一个棱镜（起偏镜）向第二个棱镜（检偏镜）的方向照射，在第二个棱镜后面观察，可以发现：当盛液管中放有乙醇、乙酸等物质时，仍能见到最大强度的光亮；而当盛液管中放有乳酸、糖、酒石酸等的溶液时，见到的光的亮度就有所减弱，但如将第二个棱镜向左或向右转动一定角度以后，又能见到最大强度的光亮。这种现象必然是由于这些有机物将偏振光的振动平面旋转了一定的角度所致。这种能使偏振光的振动平面旋转的物质，称为旋光性物质，又称光学活性物质。光学活性物质能使偏振光的振动平面旋转的性质称为旋光性，光学活性物质使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度。使偏振光振动平面向右旋转（顺时针方向）的物质叫右旋物质，用（+）号表示，如（+）-葡萄糖，表示右旋葡萄糖。向左旋转（逆时针方向）的物质叫左旋物质，用（-）号表示，如（-）-果糖，表示左旋果糖。

3.2.2.3　旋光仪和比旋光度

（1）旋光仪　用来测定物质旋光度的仪器称为旋光仪，如图3-8所示。

在旋光仪中，起偏镜b是一个固定不动的尼可尔棱镜，其作用是使由光源a射来的光变成偏振光。检偏镜c是能转动的尼可尔棱镜，用来测定物质使偏振光振动平面旋转的角度和方向，其数值可在刻度盘e上读出。

当检偏镜和起偏镜平行，并且盛液管d是空着或放有无光学活性物质的溶液时，用光源照射，则由目镜可以见到最大强度的光亮，这时，刻度盘指在0°。当盛液管中放有光学活性物质的溶液时，则由起偏镜射来的光的振动平面被它向左或向右旋转了一定角度，因此，到达目镜的光的强度就被减弱，这样，转动检偏镜至光的亮度最强时为止，由刻度盘上就可读出左旋或右旋的度数。

（2）比旋光度　物质的旋光度随测定时所用的溶液的浓度、盛液管的长度、温度、光波的波长以及溶剂的性质而改变。但在一定条件下，不同旋光活性物质的旋光度各为一常数，通常用比旋光度[ɑ]表示。比旋光度可以根据测得的旋光度，测定时溶液的浓度和盛液管的长度，按以下公式计算：

式中　a——由旋光仪测得的旋光度；

λ——所用光源的波长，一般采用钠光，用D表示；

t——测定时的温度，一般取室温20℃；

c——被测溶液的质量浓度，g/mL；

l——盛液管的长度，dm。

当c和l都等于1时，则[a]=a0，因此，比旋光度的物理意义是：在一定波长的光源和一定温度下，某光学活性物质以1mL中含有1g溶质的溶液，放在1dm长的盛液管中测出的旋光度。

测定旋光度时，多用钠光灯作光源，波长是589.3nm，通常以D表示。例如，天然葡萄糖水溶液是右旋的，在20℃时，以钠光灯作光源，测得的比旋光度是52.5°，则应写为

又如天然果糖是左旋的，比旋光度为：