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杂说古今衣食住行(4)天然纤维的重生 精选

已有 3567 次阅读 2023-1-30 08:18 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

杂说古今衣食住行(4)天然纤维的重生

千百年来,人们用以解决御寒和体面问题即用以制“衣”的材料主要是天然纤维,对于我国的最广大老百姓,主要是植物纤维。含有纤维素的植物,在上古最主要的是麻,在明清以来则主要是棉花。

自然界含有纤维素的植物许许多多,可以说,绝大多数植物都含有丰富的纤维素。但是很遗憾,这些植物中含有的纤维素,并不像棉花那样纯净,容易纺成纱,所以不能直接用来织布制衣。如果我们可以利用其他植物中的纤维素来纺纱、织布,那无疑大大扩展了可利用植物纤维的范围。化学工业的发展为解决这个问题开辟了广阔的新途径。

早在19世纪中叶,欧洲的化学家就把纤维素硝化,制得了纤维素的硝酸酯,即硝化纤维素。我们在中学化学中就知道了,醇(即化合物中的羟基)和酸可以发生酯化反应生成酯。纤维素是由葡萄糖聚合起来的,其中有大量的羟基,它们与硝酸反应生成纤维素硝酸酯。

从那时候起,欧洲的许多科学家都开始了再生纤维素纤维的研制工作。例如,法国化学家夏尔多内把硝酸纤维素溶解在醇和醚的混合溶剂中,把溶液经细玻璃毛细管挤出,并使之在热空气中凝固 ,得到了漂亮的细丝,称之为“人造丝”,并在1884年取得了专利。又如,1890年,德国人布伦内和弗雷梅利用在铜氨溶液中溶解纤维素的方法,制成了一种再生纤维素纤维,即铜氨纤维。

直到如今都有很大实用意义的发明产生于在19世纪末,那时人们把纤维素溶解在氢氧化钠和二硫化碳溶液中,由于这种溶液的粘度很大,因而称之为“粘胶”。粘胶遇酸后,纤维素就又会重新析出。这种纤维就叫做“粘胶纤维”。在20世纪初,人们实现了粘胶纤维的工业化生产。实际上,制造黏胶纤维的纤维素原料,可以是一些无法纺纱的短棉绒、树木、灌木、芦苇、麻杆、甘蔗渣等等。这样,就能把这些含有纤维素而无法直接纺纱的物质中的纤维素提取出来了,变成了可以纺织的纤维,用它来纺纱织布。这些黏胶纤维被人们称为人造棉、人造丝或人造毛。

由于这种黏胶纤维就是再生的纤维素纤维,所以,其性能与棉纤维最为接近。它的最大好处是与棉纤维一样,有良好的吸水性,穿着舒适,而且容易染色。但由于其分子经溶解、多次化学反应,再生的纤维素分子也会有一些变化。例如纤维素与碱和二硫化碳反应,分子中的羟基被黄化即生成-CSSNa基团(这个基团与羧基相似,只是把羧基中的氧原子换成了硫原子),又要与酸反应消去这个“黄化”,这些反应会引起部分纤维素分子的聚合度降低,分子之间的距离增大,排列也会产生一些混乱等。这样的处理,引起了黏胶纤维与棉纤维相比,缺点是强度、耐磨性、弹性、耐碱性等均比棉纤维略差,而织物的缩水则增大。

我国虽然在1940年代由外国人设立了两家黏胶纤维的小工厂,但是由于战争等原因,基本上没有怎么生产。到了1960年代中期之后,黏胶纤维产品逐渐走向了我国老百姓的生活。到了70年代中期以后,绚丽多彩的各式被称为人造棉的布匹,与由人造棉制作服装,在布店和服装店畅销。服装特别是女装的色彩开始靓丽多彩。

由于黏胶纤维也是天然的纤维素纤维,所以它与许多纤维都能够混纺。例如,这些黏胶纤维切成的长丝可以与蚕丝混纺,织成混纺绸缎。它与棉纤维混纺制成的许多产品,例如当时的线绨被面,在那时就非常畅销。

黏胶纤维的很多优缺点正好与合成纤维相反,所以它们的混纺正好可以使其长处互补。这样,当年有合成纤维的织物中,基本上都有黏胶纤维混纺在其中。

直到今天,黏胶纤维仍然是再生纤维素纤维及其他所谓人造纤维中产量最多的品类。

上面所说的人造纤维,就是再生天然纤维。它是化学纤维(化纤)的两大类型之一,另一个品类就是上一篇所说的合成纤维。

有人说,难道合成纤维不是人造的吗?语言是一种约定俗成,并不一定合乎逻辑,并不是所有人造的纤维都称之人造纤维。现在中文的“人造纤维”这个名称就是专指“以天然聚合物为原料,经过化学处理与机械加工而制得的化学纤维”,也就是指再生的天然纤维。

与大多数合成纤维、塑料、合成橡胶等由石化产品中的小分子合成的高聚物不同,人造纤维都具有生物降解性,所以在这个意义上,人造纤维比合成纤维对环境更友好一点。这是因为在亿万年的进化过程中,自然界出现了能够分解这些天然纤维的微生物。而合成纤维、塑料等都是百年以来新形成的化合物,微生物的进化还没有这样快,并不是不可能存在这样的微生物。如果我们加以人工干涉,培养出更多能够快速降解合成纤维、塑料等石化产品的微生物,那么合成纤维、塑料等也能对环境更友好一点。

自从1990年代特别是2000年以来,我国市场上出现的新的人造纤维品种很多。它们所用的天然聚合物原料各式各样,处理这些聚合物的化学物质也多种多样,但是其总的原理都相似,都是通过天然聚合物再生的方式,把原来不适合纺纱织布的物质,改造成可以纺织的原料。

例如,莱赛尔(Lyocell)纤维是以木浆特别是针叶林木浆为原料制造的,它以N-甲基氧化吗琳水溶液为溶剂(这种溶剂基本上可以回收使用),代替了容易产生环境污染的氢氧化钠和二硫化碳溶剂,这样,它对于环境就比黏胶纤维好得多。莱赛尔纤维织物的性能一般也好于黏胶纤维。它的另一商品名是Tencel,在我国音译为天丝。这是新一代的再生纤维素纤维。

同样属于这一代的人造纤维产品还有莫代尔纤维。莫代尔(Modal)的原料也是木材(往往是榉木)。当然,它们所用的往往是灌木,而不是成材的木材。它还是一种所谓“细旦纤维”,其纤维比棉纤维和蚕丝纤维都细。用莫代尔纤维制成的服装穿着舒适,适合做内衣。它们的共同缺点之一都是容易弄皱,我想大概这是纤维素分子的性质所决定的。

我国每年进口大量化学木浆以应用于制造人造纤维。根据海关统计,2021年中国化学木浆进口数量达3.45百万吨,价值32.6亿美元。

竹纤维是我国开发的再生天然纤维素纤维。其原料是在我国南方普遍生长竹子,原料来源多,质量好。竹纤维织物的性能与其他再生纤维素纤维都相似。

甲壳素纤维也是一种再生天然纤维。甲壳素是一种多糖,广泛存在于虾、昆虫等节肢动物的外壳中,也存在于菌类、藻类的细胞壁中。粘胶基甲壳素纤维是以甲壳素、壳聚糖与纤维素混合通过湿纺工艺制成的纤维。采用甲壳素纤维与棉混纺的织物往往具有除臭等特殊功能,也有着广阔的发展前景。

醋脂纤维是由纤维素与醋酐发生反应,生成纤维素醋酸酯,经纺丝而成的纤维。醋酐即乙酸酐,是由两个乙酸缩掉一分子水形成的有机物,它能够与羟基反应生成乙酸酯。由于纤维素中的羟基已经大部分或全部与乙酸酐反应生成了乙酸酯,这种纤维的分子已经不是原来的天然纤维素,而是纤维素乙酸酯。在这个意义上,醋酐纤维并不是单纯的再生纤维素纤维,而是一种“半合成纤维材料”了,不过一般仍然被归于人造纤维一类。

可再生的天然纤维当然不仅仅是纤维素、甲壳素等多糖类物质,也还包括蛋白质类物质。例如,我国就制成了大豆蛋白纤维。它以大豆蛋白粉(豆粕)为原料,提取出蛋白大豆中的球蛋白,然后添加功能性助剂,与腈基、羟基等高聚物接枝、共聚、共混,制成蛋白质纺丝液,改变蛋白质空间结构,经湿法纺丝而成。 据说它有着羊绒般的柔软手感,蚕丝般的柔和光泽。如今市场上已经有一些大豆纤维制品。

从化学上说,这样的蛋白质纤维也不仅仅是天然纤维的简单再生,在很大程度上已经有合成纤维的“味道”了,至少是天然物质的改性。

总之,用化学方式改变天然纤维的存在方式,或者变废为宝或者改变其性能、增加其价值,使得我们的衣着和其他纤维织物更加丰富多彩,仍然是一项非常有意义的工作。

 




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