纖維化學(xué)與物理練習(xí)題全集解析引言纖維化學(xué)與物理是材料科學(xué)、紡織工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，其核心在于探究纖維的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)與宏觀物理性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及變化規(guī)律。掌握這門學(xué)科，不僅需要扎實的理論基礎(chǔ)，更需要通過實踐練習(xí)來深化理解、融會貫通。本文旨在通過對一系列典型練習(xí)題的詳細解析，幫助讀者梳理核心知識點，提升分析問題與解決問題的能力。這些練習(xí)題涵蓋了纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、主要化學(xué)性質(zhì)及物理性能等關(guān)鍵內(nèi)容，希望能為您的學(xué)習(xí)提供有益的參考。第一部分：纖維化學(xué)基礎(chǔ)1.1纖維的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)例題1：簡述纖維素纖維、蛋白質(zhì)纖維和合成纖維（以聚酯纖維為例）的化學(xué)組成特征，并指出它們各自的特征官能團。參考答案：纖維素纖維（如棉、麻）的化學(xué)組成主要是纖維素，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是由β-D-葡萄糖通過1,4-糖苷鍵連接而成的線性高分子。特征官能團為羥基（-OH）。蛋白質(zhì)纖維（如羊毛、蠶絲）的化學(xué)組成是蛋白質(zhì)，其基本結(jié)構(gòu)單元是α-氨基酸，通過肽鍵（-CO-NH-）連接形成多肽鏈。特征官能團包括氨基（-NH?）、羧基（-COOH）以及側(cè)鏈上的各種官能團（如羊毛中胱氨酸的二硫鍵-S-S-）。聚酯纖維（如滌綸）的化學(xué)組成是聚對苯二甲酸乙二醇酯，其分子鏈由對苯二甲酸的苯環(huán)和乙二醇的亞乙基通過酯鍵（-COO-）連接而成。特征官能團為酯鍵（-COO-）。解析：本題考查對三大類主要纖維化學(xué)組成及特征官能團的掌握。理解纖維的化學(xué)組成是認識其化學(xué)性質(zhì)和后續(xù)加工性能的基礎(chǔ)。纖維素的羥基使其具有吸濕性和化學(xué)反應(yīng)活性；蛋白質(zhì)纖維的氨基和羧基使其在不同pH值下帶電性不同，二硫鍵對羊毛的彈性和穩(wěn)定性至關(guān)重要；聚酯纖維的酯鍵則決定了其耐酸不耐堿等化學(xué)特性。例題2：試比較棉纖維與粘膠纖維在化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)上的異同點，并簡要說明這些差異對其性能產(chǎn)生的主要影響。參考答案：相同點：兩者的化學(xué)組成均以纖維素為主，其化學(xué)結(jié)構(gòu)單元都是β-D-葡萄糖，通過1,4-糖苷鍵連接。不同點：1.聚合度：棉纖維的聚合度較高（通常在數(shù)千）；粘膠纖維的聚合度較低（通常在數(shù)百）。2.結(jié)晶度與取向度：棉纖維具有較高的結(jié)晶度和取向度；粘膠纖維在生產(chǎn)過程中經(jīng)歷了溶解和再生，其結(jié)晶度和取向度均低于棉纖維，且結(jié)晶結(jié)構(gòu)也有所不同。3.分子排列：棉纖維的纖維素分子鏈排列較為規(guī)整、緊密；粘膠纖維的分子鏈排列相對疏松、無序區(qū)域較多。對性能的影響：1.強度：棉纖維因聚合度、結(jié)晶度和取向度高，故干態(tài)強度較高；粘膠纖維因聚合度低、結(jié)晶度和取向度低，干態(tài)強度低于棉纖維。但粘膠纖維濕態(tài)時，由于水分子進入無定形區(qū)，削弱分子間作用力，強度下降明顯，而棉纖維濕態(tài)強度反而略有提高或保持。2.吸濕性與溶脹性：粘膠纖維因結(jié)晶度低、無定形區(qū)多，吸濕性優(yōu)于棉纖維，濕脹性也更大。3.光澤與手感：粘膠纖維光澤較柔和，手感更柔軟，有絲質(zhì)感；棉纖維光澤較暗淡，手感相對粗硬。解析：本題旨在考察對天然纖維素纖維與再生纖維素纖維結(jié)構(gòu)差異及其對性能影響的理解。結(jié)構(gòu)決定性能是材料科學(xué)的基本原理。聚合度影響分子鏈的長度和分子間作用力；結(jié)晶度和取向度直接關(guān)系到纖維的力學(xué)性能、吸濕性、尺寸穩(wěn)定性等。通過比較，可以更深刻地理解再生纖維素纖維在性能上與天然纖維素纖維的聯(lián)系與區(qū)別。1.2纖維的化學(xué)反應(yīng)性能例題3：為什么纖維素纖維在酸性條件下容易發(fā)生水解反應(yīng)？寫出纖維素酸性水解的化學(xué)反應(yīng)式（用通式表示），并說明該反應(yīng)對纖維素纖維性能的主要影響。參考答案：纖維素纖維的主要化學(xué)結(jié)構(gòu)是β-D-葡萄糖通過1,4-糖苷鍵連接而成的大分子鏈。糖苷鍵對酸敏感，在酸性條件下，H?離子可進攻糖苷鍵中的氧原子，使其質(zhì)子化，導(dǎo)致糖苷鍵斷裂，大分子鏈發(fā)生降解，這就是纖維素的酸性水解反應(yīng)。纖維素酸性水解的通式可表示為：(C?H??O?)?+nH?O→nC?H??O?(在酸催化和加熱條件下)（更準確地說，是大分子鏈斷裂，聚合度降低，最終產(chǎn)物為葡萄糖）對性能的主要影響：隨著水解反應(yīng)的進行，纖維素大分子鏈斷裂，聚合度降低。這將導(dǎo)致纖維的強度顯著下降，耐磨性變差，纖維變脆。同時，由于聚合度降低和無定形區(qū)增加，纖維的吸濕性可能略有增加，但力學(xué)性能的劣化是主要的。嚴重水解會使纖維喪失使用價值。解析：本題考察纖維素纖維的典型化學(xué)反應(yīng)——酸性水解。理解反應(yīng)機理（糖苷鍵斷裂）是關(guān)鍵。水解反應(yīng)的本質(zhì)是大分子鏈的降解，其直接后果是纖維力學(xué)性能的惡化。這提示我們在纖維素纖維的加工和使用過程中，應(yīng)注意避免強酸環(huán)境。例題4：簡述蛋白質(zhì)纖維（以羊毛為例）在堿性條件下可能發(fā)生哪些化學(xué)變化，并說明這些變化對羊毛纖維性能的影響。參考答案：羊毛纖維的主要化學(xué)組成是角蛋白，含有大量的肽鍵以及堿性氨基酸（如賴氨酸）的氨基、酸性氨基酸（如谷氨酸）的羧基和胱氨酸的二硫鍵等。在堿性條件下，羊毛纖維可能發(fā)生以下化學(xué)變化：1.肽鍵水解：堿性條件下，羊毛的肽鍵可能發(fā)生水解斷裂，導(dǎo)致蛋白質(zhì)大分子鏈斷裂，聚合度降低。2.二硫鍵的破壞：這是堿性條件下對羊毛影響最為顯著的反應(yīng)。二硫鍵（-S-S-）在堿作用下易發(fā)生水解或還原斷裂，生成巰基（-SH）或次磺酸基（-SOH）等，導(dǎo)致羊毛分子間和分子內(nèi)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞。3.側(cè)鏈基團反應(yīng)：堿性條件可能使某些氨基酸側(cè)鏈上的官能團發(fā)生反應(yīng)，如酰胺基的水解等。對性能的影響：1.力學(xué)性能下降：肽鍵水解和二硫鍵斷裂都會導(dǎo)致羊毛纖維的強度、延伸性和彈性等力學(xué)性能顯著下降，纖維變得脆弱。2.氈縮性變化：二硫鍵的破壞會影響羊毛的鱗片結(jié)構(gòu)和分子間作用力，可能導(dǎo)致其氈縮性發(fā)生改變，但過度處理通常是負面的。3.泛黃：某些堿性條件下的反應(yīng)可能導(dǎo)致羊毛纖維泛黃。4.手感變差：纖維結(jié)構(gòu)的破壞會使羊毛失去原有的柔軟、豐滿手感。解析：本題考察蛋白質(zhì)纖維對堿的敏感性及其后果。羊毛纖維的二硫鍵對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和獨特性能（如彈性、氈縮性）至關(guān)重要，堿性條件對二硫鍵的破壞是導(dǎo)致羊毛損傷的主要原因。這解釋了為什么羊毛洗滌通常需用中性或弱酸性洗滌劑。第二部分：纖維物理性能2.1纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)例題5：觀察纖維的橫截面和縱截面形態(tài)特征，是鑒別纖維種類的重要方法之一。請簡述以下幾種纖維的典型形態(tài)特征：（1）棉；（2）羊毛；（3）蠶絲；（4）滌綸（常規(guī)圓形截面）。參考答案：（1）棉：縱截面呈扁平帶狀，有天然轉(zhuǎn)曲；橫截面呈不規(guī)則的腰圓形，中有中腔。（2）羊毛：縱截面呈鱗片覆蓋的圓柱形，鱗片根部附著于毛干，尖端指向纖維末端；橫截面呈近似圓形或橢圓形，有些有髓腔（如粗毛）。（3）蠶絲（生絲）：縱截面光滑平直，粗細均勻或略有不勻；橫截面呈不規(guī)則的三角形或半橢圓形。（4）滌綸（常規(guī)圓形截面）：縱截面光滑平直；橫截面呈規(guī)則的圓形。解析：纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)是纖維的重要特征，主要由其生長過程或紡絲工藝決定。天然纖維的形態(tài)具有鮮明的物種特異性，是鑒別天然纖維的重要依據(jù)。合成纖維的形態(tài)則可通過紡絲噴絲孔形狀和后加工工藝進行調(diào)控，以賦予纖維特定的光澤、手感和服用性能。例如，非圓形截面的合成纖維可以獲得更接近天然纖維的光澤和手感。2.2纖維的力學(xué)性能例題6：解釋以下術(shù)語的含義，并說明其在纖維應(yīng)用中的意義：（1）斷裂強度；（2）斷裂伸長率；（3）初始模量；（4）彈性回復(fù)率。參考答案：（1）斷裂強度：指纖維在拉伸至斷裂時所能承受的最大負荷與纖維線密度之比（或單位橫截面積上所承受的最大應(yīng)力）。它是衡量纖維抵抗拉伸破壞能力的重要指標。意義：斷裂強度直接關(guān)系到紡織品的耐用性和使用壽命。強度高的纖維制成的紡織品更耐穿、耐洗。（2）斷裂伸長率：指纖維在拉伸至斷裂時，其伸長量與原始長度之比的百分數(shù)。它表示纖維在斷裂前能承受的最大變形能力。意義：斷裂伸長率影響紡織品的服用舒適性和抗沖擊性能。伸長率較大的纖維制成的紡織品在穿著過程中能吸收更多沖擊能量，不易破損，手感也可能更柔軟。（3）初始模量：指纖維在拉伸初始階段（通常是應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段）的應(yīng)力與應(yīng)變之比。它反映了纖維抵抗小變形的能力，即纖維的“剛性”或“挺括性”。意義：初始模量高的纖維（如滌綸）制成的紡織品挺括、保形性好，但手感可能較硬；初始模量低的纖維（如錦綸）制成的紡織品柔軟、易變形。（4）彈性回復(fù)率：指纖維在拉伸至一定伸長后，去除負荷，經(jīng)過一定時間恢復(fù)后，其彈性回縮量與總伸長量之比的百分數(shù)。它表征纖維變形后恢復(fù)原狀的能力。意義：彈性回復(fù)率高的纖維（如氨綸、羊毛）制成的紡織品具有良好的彈性，不易起皺，能保持原有形態(tài)，穿著舒適。解析：纖維的力學(xué)性能是其最重要的使用性能之一，直接影響紡織品的服用性能和加工性能。理解這些基本力學(xué)指標的定義和意義，有助于合理選擇纖維原料，預(yù)測和評價紡織品性能。例題7：什么是纖維的疲勞現(xiàn)象？簡述影響纖維疲勞性能的主要因素及其對紡織品服用性能的影響。參考答案：纖維的疲勞現(xiàn)象是指纖維在多次交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，即使所承受的應(yīng)力小于靜態(tài)斷裂強度，或應(yīng)變小于靜態(tài)斷裂伸長率，也會逐漸產(chǎn)生損傷累積，最終導(dǎo)致纖維斷裂的現(xiàn)象。影響纖維疲勞性能的主要因素：1.纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：分子鏈柔性好、結(jié)晶度和取向度適宜、分子間作用力強的纖維，通常具有較好的耐疲勞性能。2.應(yīng)力或應(yīng)變的大小與頻率：作用的應(yīng)力或應(yīng)變越大，頻率越高，纖維越容易發(fā)生疲勞斷裂。3.環(huán)境因素：溫度、濕度等環(huán)境因素會影響纖維的力學(xué)性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響其疲勞性能。例如，較高的濕度可能使吸濕性纖維的耐疲勞性下降。4.纖維的形態(tài)與缺陷：纖維表面或內(nèi)部的缺陷、裂紋等會成為應(yīng)力集中點，加速疲勞破壞。對紡織品服用性能的影響：纖維的疲勞性能直接關(guān)系到紡織品的耐用性和使用壽命。例如，襪子的襪口、肘部、膝蓋等部位的織物，在穿著過程中受到反復(fù)拉伸和彎曲，纖維容易發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致紡織品破損。耐疲勞性能好的纖維制成的紡織品，其抗皺性、耐磨性和使用壽命都會相應(yīng)提高。解析：疲勞現(xiàn)象是動態(tài)力學(xué)行為，在紡織品實際穿著和使用過程中普遍存在。理解疲勞現(xiàn)象及其影響因素，對于開發(fā)和選用耐穿耐用的纖維材料具有重要指導(dǎo)意義。2.3纖維的熱學(xué)、光學(xué)及吸濕性例題8：解釋纖維的“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）”和“熔點（Tm）”的概念。以滌綸和錦綸為例，說明它們的Tg和Tm對其加工和使用性能的影響。參考答案：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）：指無定形高聚物（或結(jié)晶高聚物中的無定形部分）從玻璃態(tài)向高彈態(tài)（或反之）轉(zhuǎn)變的溫度。在Tg以下，大分子鏈段運動被凍結(jié)，纖維處于玻璃態(tài)，硬而脆；在Tg以上，大分子鏈段可以運動，纖維進入高彈態(tài)，表現(xiàn)出較好的柔韌性和彈性。熔點（Tm）：指結(jié)晶高聚物從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)時的溫度，即晶體熔融時的溫度。對于純的結(jié)晶高聚物，Tm是一個相對尖銳的溫度；對于結(jié)晶度不高或多分散性的高聚物，Tm可能是一個溫度范圍。對加工和使用性能的影響：滌綸（PET）：Tg約為70-80℃，Tm約為____℃。*加工：滌綸的紡絲、拉伸、熱定型等工藝都與Tg和Tm密切相關(guān)。例如，熱定型溫度需高于Tg，使分子鏈段能運動并調(diào)整排列，從而固定形態(tài)；而熔融紡絲則需將聚合物加熱至Tm以上使其熔融。*使用：Tg決定了滌綸在常溫下的使用狀態(tài)，由于其Tg高于室溫，常溫下滌綸纖維處于玻璃態(tài)向高彈態(tài)過渡的區(qū)域，具有較好的挺括性和尺寸穩(wěn)定性。較高的Tm使其具有較好的耐熱性，可在較高溫度下熨燙。錦綸（PA6或PA66）：PA6的Tg約為40-50℃，Tm約為____℃；PA66的Tg約為50-60℃，Tm約為____℃。*加工：同樣，紡絲需加熱至Tm以上。錦綸的Tg較低，熱定型溫度的選擇需考慮。*使用：錦綸的Tg較低，在室溫下更接近高彈態(tài)，因此手感比滌綸柔軟，彈性好。但其耐熱性（尤其是PA6）略低于滌綸，熨燙溫度需控制得更低，使用中也需注意避免長時間高溫環(huán)境。解析：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點是高分子材料（包括纖維）的重要熱轉(zhuǎn)變溫度，對其加工工藝制定和使用溫度范圍的確定具有決定性作用。理解Tg和Tm有助于解釋不同纖維在不同溫度下的性能表現(xiàn)。例題9：什么是纖維的吸濕性？簡述影響纖維吸濕性的主要因素，并比較棉、羊毛、滌綸、腈綸四種纖維吸濕性的大小順序。參考答案：纖維的吸濕性是指纖維從周圍空氣中吸收水分或向周圍空氣中釋放水分的能力。通常用回潮率或含水率來表示。影響纖維吸濕性的主要因素：1.纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)：含有親水性基團（如-OH、-NH?、-COOH、-CONH-等）的纖維吸濕性較強，親水性基團越多，吸濕性越好。分子鏈上極性基團的多少和強弱是決定吸濕性的首要因素。2.纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：纖維內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)比例。水分主要進入纖維的無定形區(qū)。結(jié)晶度越高，分子排列越緊密，水分子越難以進入，吸濕性越差；無定形區(qū)越多，吸濕性越好。3.纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)：纖維的比表面積（如纖維細度、表面孔隙率等）越大，與水接觸的機會越多，吸濕性越好。4.環(huán)境因素：主要是空氣的相對濕度和溫度。相對濕度越高，纖維的平衡回潮率越大；溫度對吸濕性的影響相對復(fù)雜，通常在一定范圍內(nèi)，溫度升高，纖維的平衡回潮率略有下降。四種纖維吸濕性大小順序（從高到低）：羊毛>棉>腈綸>滌綸。解析：吸濕性是纖維的重要物理性能之一，直接影響纖維的重量、尺寸、導(dǎo)電性、舒適性、加工性能及儲存等。羊毛（蛋白質(zhì)纖維，含大量極性基團）和棉（纖維素纖維，含羥基）吸濕性較好；腈綸（聚丙烯腈，含少量氰基-CN，極性較弱）吸濕性中等；滌綸（聚酯，僅含酯基，且結(jié)晶度較高）吸濕