各种各样的“纤维”

刘志峰

(河北省雄安新区雄安容和第一高级中学)

《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)主张开展“素养为本”的化学教学,要求“教师在教学中重视创设真实且富有价值的问题情境”。《中国高考评价体系说明》中明确提出,在命题时应坚持理论联系实际的原则,使用贴近时代、贴近社会、贴近生活的素材,选取日常生活、工业生产、国家发展、社会进步中的实际问题,让学生充分感受到课堂所学内容中蕴含的应用价值。

真实的STSE(科学·技术·社会·环境)问题都是有价值的情境素材,在教学中,教师应重视STSE内容主题的选择和组织,紧密联系生产、生活实际,使学生认识到化学能够创造更多物质财富满足人们日益增长的美好生活需要。

纵观近几年的高考化学试题,有关STSE素材类型丰富,涉及生产生活中的各个领域。其中有关“纤维”的话题尤其常见。高中化学教材中从必修到选择性必修,多个章节介绍了各种各样的纤维。生活中衣、食、住、行都涉及纤维。各种各样的“纤维”彼此之间有相似之处,又有很大的区别,导致有些学生不能很好地掌握,本文旨在对纤维进行详细的分类,并对每一类纤维的结构、特点、用途做介绍。

一、纤维的分类

纤维是指长度比直径大千倍以上且具有一定柔韧性和强力的线条状或丝状的物质的统称。

它可分为天然纤维和化学纤维,天然纤维是自然界存在的、可以直接取得的纤维,化学纤维是指经化学或物理方法改性的天然高分子或以合成的聚合物为原料制成的纤维,具体分类如图:

二、各类纤维结构、用途介绍

(一)天然纤维

1.植物纤维是由植物的茎、皮、种、果、叶等处得到的纤维。其主要组成物质都是纤维素。纤维素是由葡萄糖单元共价连接的长链所组成的结构多糖,是植物细胞壁的主要组成成分。

需要注意区别纤维和纤维素这两个概念,纤维是从外形特点定义的,而纤维素是从内在结构定义的,纤维素的外形为线条状,所以属于纤维的一种。

2.动物纤维是由动物的毛或昆虫的腺体分泌物中得到的纤维。典型代表有羊毛、蚕丝等。其主要组成物质都是蛋白质。

3.矿物纤维是从纤维状结构的矿物岩石中获得的纤维,主要组成物质为各种氧化物,如二氧化硅、氧化铝、氧化镁等,其主要来源为各类石棉。

(二)化学纤维

1.再生纤维

再生纤维是指受了蚕吐丝的启发,以天然高分子化合物为原料,经化学加工制成高分子浓溶液,再经纺丝制得的纤维。又可根据原料的不同,分为再生纤维素纤维和再生蛋白质纤维。

再生纤维素纤维是以天然纤维素(棉短绒、木材、竹子、麻、甘蔗渣、芦苇等)为原料,不改变它的化学组成,仅改变物理结构,从而制造出来性能更好的再生纤维素纤维。其结构组成与棉相似,吸湿性与透气性比棉纤维好,被誉为“会呼吸的面料”。另外它还具有柔软、光滑、易染色、悬垂性好和蚕丝般的光泽等优点。我们常听说的粘胶纤维(黏胶纤维)、莱赛尔(Lyocell)纤维、莫代尔(Modal)纤维、竹纤维都属于这一类。

再生蛋白质纤维是指以天然蛋白质为原料,经过化学助剂将其再生和固化而制得的纤维。其中,大豆纤维是我国获得的唯一完全知识产权的纤维发明。大豆纤维是以榨掉油脂的大豆豆粕为原料,经过浸泡将其所含的蛋白质溶解,再经过特殊溶液的处理得到的,其主要成分为蛋白质。

2.合成纤维

合成纤维是指以化学原料合成的聚合物为原料制成的化学纤维。目前已经实现工业化生产的合成纤维有很多种,但产量较大、需求较多的有涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶,俗称合成纤维六大纶。

1.2.2 检测方法 采用烟台普罗吉生物科技发展有限公司生产的血浆Hsp90α酶联免疫吸附试验(enzyme-linked immunosorbent assay， ELISA)检测试剂盒测定待检者血浆Hsp90α水平。选用罗氏Elecsys2010电化学发光仪与原装配套试剂测定血清CEA、CA125及CYFRA21-1。操作步骤严格按仪器及试剂盒说明书进行。

(2)锦纶是聚酰胺纤维的商品名称,又称尼龙、耐纶。因为锦州化纤厂是我国首家合成尼龙的工厂,所以把它定名为“锦纶”。

由于酰胺基的存在,大分子形成氢键,使分子间作用力增大。该类纤维具有耐磨性好,弹性好,耐疲劳度和断裂强度高,容易染色及与橡胶的附着力好等突出性能。多用于衣料和轮胎帘子线,还有渔网、运输带、绳索、滤布、降落伞、牙刷等。

芳纶的主要品种有两种,即Kevlar(凯夫拉)纤维和Nomex(诺梅克斯)纤维。两者的结构如下:

Kevlar(凯夫拉)

Nomex(诺梅克斯)

Kevlar(凯夫拉)的原料都是苯环的1和4位取代产物,因此又称为芳纶1414。它的拉伸强度与碳纤维相当,冲击强度比碳纤维高几倍,密度比碳纤维还要小,又被称为“梦的纤维”。芳纶复合材料广泛用于航空航天和军事领域,如飞机壳体、导弹壳体、火箭壳体、航空加压服装、防弹衣、头盔、降落伞、网球拍、风筝线等。

Nomex(诺梅克斯)的原料都是苯环的1和3位取代产物,因此又称为芳纶1313。它最大的特点是耐热性更好,适合做消防服、F1赛车服等等。

腈纶外观蓬松,手感柔软,具有良好的耐光性、耐气候性,其弹性和保暖性可以和羊毛媲美,所以又被称为“合成羊毛” “人造羊毛”。故可纯纺或与羊毛混纺成毛线,织成毛毯、地毯等。腈纶的耐光性非常好,所以适宜作室外织物,如幕布、帐篷、军用帆布、苫布等。其缺点是耐磨性不如羊毛,电阻率大,摩擦易起静电,易起球。

(4)维纶是聚乙烯醇缩甲醛纤维的商品名称,维纶纤维的外观和手感似棉花,所以有“人造棉花”之雅称。但其弹性不佳,变形性大,染色性不够好,不太适合作衣服,主要用于工业用途,如滤布、土工布等。

通过以上的介绍发现,很多合成纤维和塑料的成分相同,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯是涤纶的原料,它可以做成饮料瓶;聚丙烯既是丙纶的原料,也是PP塑料的原料;聚氯乙烯既是氯纶的原料,也是PVC塑料的原料。其实几乎所有的合成纤维的高分子原料都可以做成塑料,但反过来不一定成立,因为高分子要有成纤性才能纺丝。成纤条件包括:a.线性分子,而不能是支化高的分子。b.适宜的分子量,聚合度至少100左右,分子量太小影响强度,太大黏度增大纺丝困难。c.有可溶性或熔融性。

3.无机纤维

无机纤维是以无机物为原料制成的化学纤维。主要品种有玻璃纤维、金属纤维和碳纤维。

(2)碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,其中的含碳量高于90%,属于无机非金属材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。

碳纤维的密度不到钢的四分之一,拉伸强度是钢的7～9倍,它是所有纤维中比强度(即材料的强度与其密度之比)最好的,在碳纤维中几乎每一根高分子链都在链的方向上采取一维钻石的结构,再使这些分子平行排列成纤维。

碳纤维的主要用途包括体育器材(高尔夫球杆、鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、赛艇等)、航空航天及国防领域(飞机、火箭、导弹、卫星、雷达等)、其他工业领域(压力容器、建筑加固、风力发电、汽车、医疗器械等)。

本文为河北省邢台市“十三五”规划课题“高中化学同步教材微课设计及应用研究”[课题编号:2001187]研究成果。