纤维素纤维的主要应用

背景及概述^[1]

纤维素纤维是某些植物的杆与韧皮经加工后制得的纤维。通常用针叶树、阔叶树作原料。纤维直径为20～120μm，长度为0.5～5mm，抗拉强度为300～800MPa，弹性模量为10～30GPa，有一定的抗碱性，并对水泥粒子有较好的吸附性，但湿胀性较大。可用以代替石棉制成适用于建筑物内部的纤维增强水泥板材。若与钙质材料(石灰、水泥等)、硅质材料(石英砂、硅藻土等)相混合并经压蒸养护则可制成无石棉硅钙板，有较好的防火性与尺寸稳定性，可作为建筑物的内、外墙板与船用隔仓墙板等。

应用^[2]

纤维素作为一种可再生的天然高分子材料，具有可生物降解、价格低廉等优点，而且分子链中具有大量的羟基，能与许多的小分子化合物发生反应，对其进行改性，可以生成不同的具有抗菌性的纤维素产品．绒毛浆既可以作为纤维素纤维基功能材料，又可作为吸水性材料，目前广泛应用于卫生巾、纸尿裤的生产．如将绒毛浆进行抗菌改性，做成抗菌性产品，则可以有效地减少细菌对人体的侵害，这样不仅可以提高产品的质量，拓展其功能，还可以提高绒毛浆的附加值。

改性^[3]

近年来，国内同行围绕提高活性染料的利用率做了大量的研究工作。结果表明，单就染料分子结构本身的改造是难以达到很高的利用率的，因为活性基团的水解无法克服。但可以从纤维素纤维的改性和提高染料与纤维的反应活性来改善活性染料与纤维素纤维的上染问题。本文从反应性染色的角度，对纤维素纤维用化学方法改性和交联染色进行综述和讨论。

1. 纤维素纤维的胺化改性

活性染料染棉纤维的亲电中心在染料上，亲核中心氧负离子在纤维上。新近出现的纤维改性染色，将亲电中心赋予改性后的棉纤维上，而亲核中心则在染料分子上；纤维素纤维经季铵化改性后对阴离子染料的吸附性大为增强，其对纤维素纤维的上染率甚至可接近85%～98%以上，以至于活性染料也可以在中性或无盐条件下对织物上染。

1）纤维素纤维的氨基或氨烷基改性

纤维素纤维接上氨烷基后，不仅与活性染料的反应性大大增强，而且在酸性介质中质子化后，形成季铵正离子，可以定位吸附染料阴离子。这类反应的典型例子是用2—氨基硫酸乙酯，130℃，反应时间15min，处理制得2—氨乙基纤维素醚cell-o-CH2CH2NH2。进行胺化较多的是通过卤代烷基胺与纤维素反应。例如，用氯乙基二乙胺的盐酸盐与纤维素纤维反应，可生成二乙胺基乙基纤维素：cell-o -CH2CH2N(C2H5)2。这种改性纤维对活性染料的反应性很强。因为它可以发生自身催化作用，加速固色反应：

2）纤维素纤维的季铵基改性

将反应性季铵化合物对纤维素进行活化改性，可将季铵基接上纤维，促使纤维的染色性能大大改变。其典型的例子是用环氧基三甲胺的季铵化合物(国外商品名称为GlytacA)处理棉纤维，可大大提高纤维与活性染料的反应速度，还可进行中性和无盐染色。它和纤维素纤维的反应表示如下：

用它改性后的棉纤维，对酸性、直接和活性染料都有很高的直接性。活性染料染色可在中性无盐条件下固色(100℃)。当改性剂用量高到一定程度后，改性纤维可以将染液中的染料吸尽，上染率几乎可达到100%。

3）纤维素纤维的氮杂环基改性

这种改性的典型例子是在纤维素分子链接上烟酸取代基。其反应如下：

反应时pH值为8，200℃焙烘，通过酯基接上烟酸基。在反应过程中，也会发生水解，有烟酸放出。不过烟酸的存在，可加速活性染料与纤维的固色反应，因为它可作为亲核反应的催化剂。这种改性纤维在染色过程中，与前述的叔胺基改性纤维一样，在染色过程中可起自身催化作用，加快固色速度。因此，可在无盐、中性条件下固色。事实上，即使是在弱酸性(pH=3)，于80℃时它也有很高的固色牢度，水洗牢度也好。

4）纤维素纤维的羟甲基丙烯酰胺及胺化改性

用含有羟甲基丙烯酰胺基的化合物羟甲基丙烯酰胺(NMA)处理纤维素后，可制得活性纤维：cell-o-CH2NHCOCH=CH2。NMA活性棉可以与含烷氨基磺酸染料反应构成化学键结合。烷氨基磺酸染料可以由ProcionH型染料制得。例如与乙二胺反应：

5）纤维素纤维的含氮交联剂改性

纤维素纤维织物的交联剂或树脂大多数都含有氮原子或胺基。它们的存在和上述对纤维素纤维胺化一样，也可增进染色性能。用三羟甲基三聚氰胺处理棉织物后，即使在酸性浴中对直接染料也有很高的上染率。这都和它们分子中的氨烷基有关。如果在树脂焙烘时加入一定量的胺类化合物，整理后的织物用阴离子染料染色，固色率或上染率均很高。例如棉织物用常见的DMDHEU树脂与羟基乙胺处理后，在催化剂存在下于150℃焙烘3min，其染色性将大大增强。即使在酸性浴(pH=3.0～3.5)中，阴离子染料也有很高的上染率。

2. 纤维素纤维的氨基聚合物改性

甲壳质经部分脱酰后化学结构为聚(N-乙酰基-D葡萄糖胺)。用壳糖处理棉后，可以改善直接染料染色的遮盖性，增加上染率和颜色深度。然而，用它处理后反而使湿牢度和摩擦牢度降低。其原因在于壳糖处理时，它只能包附在纤维表面。在酸性介质氨基质子化成阳离子后，通过库仑引力虽然可大量吸附阴离子染料，改善遮盖性能，提高上染率，但是它阻止了染料向纤维内部扩散，所以牢度很差。特别是当pH值增高，氨基失去质子后更为明显。Sandene8425是一阳离子聚合物。用它处理纤维素纤维后(在碱性条件下)，可增强阴离子染料的直接性。它应用方便，但必须在染色前处理。它的缺点也是会降低某些偶氮染料的耐晒牢度，并使色泽萎暗。纤维素纤维用反应性聚酰胺环氧化合物(Hercosett125)处理后，可改善活性染料的上染率和固色率，可在中性无盐条件下固色。它是通过己二酸和二乙烯三胺缩合后再用环氧氯丙烷部分交联制得的。可采用轧—烘—焙(3min，100℃工艺处理棉纤维。主要组成是3-羟基氮杂环丁烷氯化物(Herosett125主要含3-羟基氮杂环丁烷基、环氧丙基和氯代醇基反应基，比例约为3∶1∶1)

3. 纤维素纤维的活化改性

上述纤维素纤维改性是提高它对活性染料的亲核反应性，或形成季铵基后增强对阴离子染料的吸附能力。纤维素纤维改性也可引入活泼的反应性基团，使它可以和一些亲核性的染料(非活性染料)反应，形成共价键结合。亲核性的染料可以选用一些含强亲核性基团的染料，也可以通过活性染料接上一些强亲核性的基团来制得。强亲核性基团中以氨或胺基最有代表性。活性染料染色的缺点之一，是在固色的同时会发生水解。特别在碱性条件下固色，水解速度很快。为此，有人将活性染料和多胺化合物反应，制成含核性强的氨基或胺基染料(非活性染料)。另一方面对纤维素纤维改性，引入活泼基团，可以和含氨基或胺基的亲核性基团的染料反应，形成共价键结合。用2，4-二氯-6-2(2-吡啶乙胺)-均三嗪(DCPEAT)化合物来对纤维素纤维改性。二氯均三嗪的一个氯原子被纤维素的羟基取代，另一个氯原子则被染料的氨基取代，染料和纤维间通过共价键结合。由于吡啶阳离子的正电荷可与染料磺酸基的负电荷作用，所以上染率和固色率均较高。DCPEAT与纤维素的反应可表示如下：

主要参考资料

[1] 中国土木建筑百科辞典·工程材料·下

[2] 抗菌纤维素／纤维素纤维的研究进展

[3] 纤维素纤维的化学改性与反应性染色