各種各樣的“纖維”

劉志峰

(河北省雄安新區雄安容和第一高級中學)

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)主張開展“素養為本”的化學教學,要求“教師在教學中重視創設真實且富有價值的問題情境”。《中國高考評價體系說明》中明確提出,在命題時應堅持理論聯系實際的原則,使用貼近時代、貼近社會、貼近生活的素材,選取日常生活、工業生產、國家發展、社會進步中的實際問題,讓學生充分感受到課堂所學內容中蘊含的應用價值。

真實的STSE(科學·技術·社會·環境)問題都是有價值的情境素材,在教學中,教師應重視STSE內容主題的選擇和組織,緊密聯系生產、生活實際,使學生認識到化學能夠創造更多物質財富滿足人們日益增長的美好生活需要。

縱觀近幾年的高考化學試題,有關STSE素材類型豐富,涉及生產生活中的各個領域。其中有關“纖維”的話題尤其常見。高中化學教材中從必修到選擇性必修,多個章節介紹了各種各樣的纖維。生活中衣、食、住、行都涉及纖維。各種各樣的“纖維”彼此之間有相似之處,又有很大的區別,導致有些學生不能很好地掌握,本文旨在對纖維進行詳細的分類,并對每一類纖維的結構、特點、用途做介紹。

一、纖維的分類

纖維是指長度比直徑大千倍以上且具有一定柔韌性和強力的線條狀或絲狀的物質的統稱。

它可分為天然纖維和化學纖維,天然纖維是自然界存在的、可以直接取得的纖維,化學纖維是指經化學或物理方法改性的天然高分子或以合成的聚合物為原料制成的纖維,具體分類如圖:

二、各類纖維結構、用途介紹

(一)天然纖維

1.植物纖維是由植物的莖、皮、種、果、葉等處得到的纖維。其主要組成物質都是纖維素。纖維素是由葡萄糖單元共價連接的長鏈所組成的結構多糖,是植物細胞壁的主要組成成分。

需要注意區別纖維和纖維素這兩個概念,纖維是從外形特點定義的,而纖維素是從內在結構定義的,纖維素的外形為線條狀,所以屬于纖維的一種。

2.動物纖維是由動物的毛或昆蟲的腺體分泌物中得到的纖維。典型代表有羊毛、蠶絲等。其主要組成物質都是蛋白質。

3.礦物纖維是從纖維狀結構的礦物巖石中獲得的纖維,主要組成物質為各種氧化物,如二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂等,其主要來源為各類石棉。

(二)化學纖維

1.再生纖維

再生纖維是指受了蠶吐絲的啟發,以天然高分子化合物為原料,經化學加工制成高分子濃溶液,再經紡絲制得的纖維。又可根據原料的不同,分為再生纖維素纖維和再生蛋白質纖維。

再生纖維素纖維是以天然纖維素(棉短絨、木材、竹子、麻、甘蔗渣、蘆葦等)為原料,不改變它的化學組成,僅改變物理結構,從而制造出來性能更好的再生纖維素纖維。其結構組成與棉相似,吸濕性與透氣性比棉纖維好,被譽為“會呼吸的面料”。另外它還具有柔軟、光滑、易染色、懸垂性好和蠶絲般的光澤等優點。我們常聽說的粘膠纖維(黏膠纖維)、萊賽爾(Lyocell)纖維、莫代爾(Modal)纖維、竹纖維都屬于這一類。

再生蛋白質纖維是指以天然蛋白質為原料,經過化學助劑將其再生和固化而制得的纖維。其中,大豆纖維是我國獲得的唯一完全知識產權的纖維發明。大豆纖維是以榨掉油脂的大豆豆粕為原料,經過浸泡將其所含的蛋白質溶解,再經過特殊溶液的處理得到的,其主要成分為蛋白質。

2.合成纖維

合成纖維是指以化學原料合成的聚合物為原料制成的化學纖維。目前已經實現工業化生產的合成纖維有很多種,但產量較大、需求較多的有滌綸、錦綸、腈綸、維綸、丙綸、氯綸,俗稱合成纖維六大綸。

1.2.2 檢測方法 采用煙臺普羅吉生物科技發展有限公司生產的血漿Hsp90α酶聯免疫吸附試驗(enzyme-linked immunosorbent assay， ELISA)檢測試劑盒測定待檢者血漿Hsp90α水平。選用羅氏Elecsys2010電化學發光儀與原裝配套試劑測定血清CEA、CA125及CYFRA21-1。操作步驟嚴格按儀器及試劑盒說明書進行。

(2)錦綸是聚酰胺纖維的商品名稱,又稱尼龍、耐綸。因為錦州化纖廠是我國首家合成尼龍的工廠,所以把它定名為“錦綸”。

由于酰胺基的存在,大分子形成氫鍵,使分子間作用力增大。該類纖維具有耐磨性好,彈性好,耐疲勞度和斷裂強度高,容易染色及與橡膠的附著力好等突出性能。多用于衣料和輪胎簾子線,還有漁網、運輸帶、繩索、濾布、降落傘、牙刷等。

芳綸的主要品種有兩種,即Kevlar(凱夫拉)纖維和Nomex(諾梅克斯)纖維。兩者的結構如下:

Kevlar(凱夫拉)

Nomex(諾梅克斯)

Kevlar(凱夫拉)的原料都是苯環的1和4位取代產物,因此又稱為芳綸1414。它的拉伸強度與碳纖維相當,沖擊強度比碳纖維高幾倍,密度比碳纖維還要小,又被稱為“夢的纖維”。芳綸復合材料廣泛用于航空航天和軍事領域,如飛機殼體、導彈殼體、火箭殼體、航空加壓服裝、防彈衣、頭盔、降落傘、網球拍、風箏線等。

Nomex(諾梅克斯)的原料都是苯環的1和3位取代產物,因此又稱為芳綸1313。它最大的特點是耐熱性更好,適合做消防服、F1賽車服等等。

腈綸外觀蓬松,手感柔軟,具有良好的耐光性、耐氣候性,其彈性和保暖性可以和羊毛媲美,所以又被稱為“合成羊毛” “人造羊毛”。故可純紡或與羊毛混紡成毛線,織成毛毯、地毯等。腈綸的耐光性非常好,所以適宜作室外織物,如幕布、帳篷、軍用帆布、苫布等。其缺點是耐磨性不如羊毛,電阻率大,摩擦易起靜電,易起球。

(4)維綸是聚乙烯醇縮甲醛纖維的商品名稱,維綸纖維的外觀和手感似棉花,所以有“人造棉花”之雅稱。但其彈性不佳,變形性大,染色性不夠好,不太適合作衣服,主要用于工業用途,如濾布、土工布等。

通過以上的介紹發現,很多合成纖維和塑料的成分相同,例如聚對苯二甲酸乙二醇酯是滌綸的原料,它可以做成飲料瓶;聚丙烯既是丙綸的原料,也是PP塑料的原料;聚氯乙烯既是氯綸的原料,也是PVC塑料的原料。其實幾乎所有的合成纖維的高分子原料都可以做成塑料,但反過來不一定成立,因為高分子要有成纖性才能紡絲。成纖條件包括:a.線性分子,而不能是支化高的分子。b.適宜的分子量,聚合度至少100左右,分子量太小影響強度,太大黏度增大紡絲困難。c.有可溶性或熔融性。

3.無機纖維

無機纖維是以無機物為原料制成的化學纖維。主要品種有玻璃纖維、金屬纖維和碳纖維。

(2)碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料,其中的含碳量高于90%,屬于無機非金屬材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨,是亂層石墨結構。

碳纖維的密度不到鋼的四分之一,拉伸強度是鋼的7～9倍,它是所有纖維中比強度(即材料的強度與其密度之比)最好的,在碳纖維中幾乎每一根高分子鏈都在鏈的方向上采取一維鉆石的結構,再使這些分子平行排列成纖維。

碳纖維的主要用途包括體育器材(高爾夫球桿、魚竿、網球拍、羽毛球拍、自行車、賽艇等)、航空航天及國防領域(飛機、火箭、導彈、衛星、雷達等)、其他工業領域(壓力容器、建筑加固、風力發電、汽車、醫療器械等)。

本文為河北省邢臺市“十三五”規劃課題“高中化學同步教材微課設計及應用研究”[課題編號:2001187]研究成果。