纤维的溶胀与膨化

溶胀的机理与表现

**溶胀是怎么发生的**：

—— 溶剂分子（水、碱液等）**进入无定形区**

—— 与分子链上的**极性基团**结合（氢键、水合）

—— 把原本靠得很近的分子链**撑开** → 无定形区空隙变大

—— 宏观：纤维**变粗、变短**（因为横向被撑开，纵向的链被"拉回"）

**各向异性**：

—— **横向（直径）溶胀大**：20%～25%

—— **纵向（长度）溶胀小**：1%～2%

—— 原因：分子链沿轴向排列，横向的分子间力弱（容易被撑开），轴向是共价键（撑不开）

—— 表现：棉布**下水后变厚、变窄、变短**（缩水的来源之一！）

**结晶区不溶胀**：

—— 结晶区结构致密、分子间力强 → 溶剂进不去

—— 所以：**结晶度高的纤维，溶胀小**

—— 溶胀主要发生在**无定形区**

**溶胀的"度"很关键**：

—— **有限溶胀（intermicellar）**：只在无定形区，纤维保持固态 → 棉在水中

—— **无限溶胀（溶解）**：溶剂把分子链完全分开 → 纤维溶解

—— 例：铜氨溶液/CS₂ 可以**溶解纤维素**（这是铜氨纤维、粘胶纤维的纺丝原理）

—— 例：浓碱（特定浓度 + 低温）可以**溶解纤维素**（这是 Lyocell/NMMO 溶剂法的原理之一）

水的溶胀与棉的缩水

• **棉纤维吸水后的变化**：
• —— 横向溶胀 **20%～25%**（很显著！）
• —— 纵向溶胀 **1%～2%**
• —— 结果：纱线**变粗** → 织物中纱线的**弯曲程度增大** → 织物**收缩**
• —— 这就是棉布**第一次下水会缩水**的重要原因（除了加工应力的释放）
• **"织缩"与缩水**：
• —— 织物中，经纬纱是**互相绕着走**的（纱线是弯曲的）
• —— 纱线吸水变粗 → 弯曲更厉害 → 为了"绕过去"需要更长的纱 → 织物**收缩**
• —— 这是**不可逆**的（干燥后纱线恢复，但织物结构已经变了，除非外力拉回）
• —— 所以：**预缩（sanforizing）**就是**提前让布吸水 + 机械压缩**，把缩率预先释放掉
• **防缩的其他方法**：
• —— **树脂整理（免烫）**：交联把纤维"锁住" → 减少溶胀 → 减少缩水
• —— 这也是免烫整理兼有**防缩效果**的原因
• —— **液氨整理**：改变纤维结构，减少溶胀
• —— **丝光**：丝光后纤维溶胀性**降低**（结构重排、结晶度变化）→ 缩水率改善
• **吸湿膨胀的其他影响**：
• —— **布变厚、变硬**（湿态）
• —— **透气性下降**
• —— **尺寸变化** → 成衣洗涤后尺寸不符
• —— 这也是**缩水率测试**必不可少的理由

碱的溶胀：丝光的原理

• **棉在浓碱中的特殊行为**：
• —— 碱液浓度 **< 8%**：轻微溶胀
• —— 碱液浓度 **8%～12%**：溶胀增大
• —— 碱液浓度 **> 12%（尤其 14%～18%）**：**剧烈溶胀**
• —— 纤维截面从"腰子形"变成**接近圆形**
• —— 天然扭曲（convolution）**消失**
• —— 纤维**变粗、变短、变圆**
• —— 这是**丝光**的基础
• **丝光的结构变化**：
• —— 晶型变化：**纤维素 I → 纤维素 II**
• —— 结晶度**下降**（70% → 50%～60%）
• —— 取向度**下降**
• —— 无定形区**增多**
• **丝光的宏观效果**：
• ① **光泽提高**（截面变圆 → 镜面反射增多）
• ② **强力提高**（结构均匀化，应力分布改善）
• ③ **得色量提高 30%～50%**（无定形区增多，染料更容易进入）→ **省染料**
• ④ **尺寸稳定性提高**（溶胀性降低、内应力释放）
• ⑤ **化学反应性提高**（更容易做树脂整理等）
• ⑥ **手感变化**（更挺、更滑）
• **丝光的工艺控制**：
• —— **碱浓**：一般 **240～280 g/L（约 22%～26%）**
• —— **温度**：低温（15～25 ℃）有利于溶胀（但太慢）
• —— **时间**：浸碱 **40～60 s**（保证渗透）
• —— **张力**：**关键！** 施加张力防止收缩 → 光泽和强力提高
• —— 无张力丝光：得色量提高更多，但光泽差
• —— **去碱**：充分水洗 → 最后**酸中和**

合成纤维的溶胀：载体的作用

• **涤纶几乎不溶胀于水**：
• —— 涤纶疏水、结晶度高 → 水进不去 → **常温染不上**
• —— 必须：高温（130 ℃）让链段运动 + 染料扩散
• **载体（carrier）的作用**：
• —— 载体是**有机化合物**（如冬青油酸甲酯、甲基萘、邻苯基苯酚）
• —— 作用机理：
• ① **溶胀纤维**（进入无定形区，撑开分子链）
• ② **增塑**（削弱分子间力 → 相当于降低 Tg）
• ③ **溶解染料**（作为染料的"溶剂"，帮助染料进入）
• —— 效果：**常压 100 ℃ 即可染涤纶**
• —— **缺点**：
• —— **毒性大、气味重**（很多载体是致癌或有刺激性的）
• —— **环保不达标** → 基本被淘汰
• —— 残留载体会**降低日晒牢度**
• —— 现状：只在**不能高温的设备**（如常压染机）或**特殊品种**（如毛涤混纺，羊毛怕高温）中使用
• **替代方案**：
• —— **高温高压染色**（130 ℃）→ 主流
• —— **热熔染色**（200 ℃ 干热）→ 连续轧染
• —— **超临界 CO₂ 染色**：CO₂ 在超临界状态下**溶胀涤纶**并溶解分散染料 → **无水染色**（前沿技术）
• **溶剂预处理**：
• —— 用某些溶剂（如二甲基甲酰胺 DMF、二氯甲烷）预处理涤纶 → 改变表面结构 → 提高染色性
• —— 工业应用少（成本、环保）
• **碱减量也是一种"溶胀-水解"**：
• —— 碱液进入涤纶表面 → **水解酯键** → 纤维表面被"啃"掉一层
• —— 纤维变细 → 仿真丝效果

相关词条

• 丝光（mercerizing）
• 玻璃化温度（term-glass-transition）
• 结晶度与取向度（term-crystallinity）
• 缩水率（shrinkage）
• 载体与载体染色（aux-carrier）