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制造超纤工序中生皮在碱、酸溶液中的膨胀原理

出自:http://www.sdmicrofiber.com 发布时间:2014年4月29日

制造超纤工序中,将生皮放在清水中,可以看到生皮的充水作用;如果将生皮放在碱或酸溶液中,同样可以看到生皮的充水作用,而且其充水程度比在清水中更大。图3—1中的曲线不仅表明了不同干燥条件对生皮充水的影响,也表明了生皮在忝同pH值条件下的充水情况。分析这一曲线可以看到:当水溶液的pH值卣,7开始逐渐升高或降低时,生皮的充水作用会随之增大。在碱性液pH值11~12左右、酸性液pH值2.5~3左右时,充水度达到最大值。但pH值继续降低,则生皮充水度又呈下降趁势。这一曲线分析说明,生皮在碱或酸液中都要发生充水膨胀现象。

生皮在碱或酸溶液中发生充水膨胀现象,可以用党南(Donnan)平衡理论和静电排斥理论来解释。

党南平衡原理

将置于电解质溶液中的生皮内外看作是半透膜隔开的两部分,外面的电解质溶液(如碱或酸溶液)可以自由地扩散到皮内,而且其中一部分可以和皮蛋白质结合,同时皮内的电离的蛋白质不能扩散到皮外。当整个体系达到动态平衡时,皮内外可扩散离子浓度之和不相等,形成一个可扩散离子的浓度差,从而产生渗透压,促使水分子进入皮内。

例如:当将生皮置于酸溶液中时,把生皮看成是一个半透膜,酸所离解韵氢离子(H+)和酸根离子(如Cl一),即可自由地扩散人皮内。进入皮内的离子能与皮蛋白质相应的官能基团结合,一部分氢离子(H+)与皮蛋白质的羧基离子(一COO一)结合,酸根离子(Cl一)与皮蛋白质的氨基离子(一NH3+)结合,生成蛋白质的盐酸盐一P-NH3+.一Cl,这种结合并非是不可逆的,它可以离解成P-NH3+和Cl一离子。扩散入皮内的酸除部分与皮蛋白质结合之外,都为游离的。当整个体系达到平衡时,皮内外离子浓度情况可表示如下:

图3-2皮内外离子浓度情况

图中,X代表达到平衡后皮外溶液中酸的浓度;y代表达到平衡后皮内溶液中游离酸的浓度;Z代表与酸结合的蛋白质离子的浓度。

当平衡建立后,膜内外可扩散离子的浓度积相等。即:
X.X=Y(Y+Z)(3-6)

此即为党南平衡的基本方程式。由此式的几何意义可知:设想该方程式的左边为一正方形的面积,右边为一矩形的面积,根据几何学酹常识,鲨釜方形韵面积等于一矩形面积时,该正方形两边之和小于此矩形两邻边之和。那么,具体到这个平衡体系中,即表明当平衡建立时,皮外可扩散离子浓度之和小于皮内可扩散离子浓度之和,即

X+X<Y+Y+Z(3-7)

这就在生皮内外形成一个可扩散离子的浓度差,从而产生渗透压,于是大量水分子向皮内渗透。也就是说,由于皮内外出现可扩散离子浓度的差别,低浓度溶液中的水分子就要向高浓度溶液中渗透,遂使生皮充水膨胀。

设皮内外可扩散离子浓度之差为e则式。(3-7)可改写为式(3— 8):
2X+e一2Y +Z (3-8) 将式(3 -6),式(3-8)联立解之,可得:

e=2X(√1+Z2/4X2-1)(3-9)

(3-9)可以看出:e值大小与X和Z值有关。当皮蛋白质未与酸结合时,Z值为零,故e值也等于零,即表明皮未充水膨胀。当酸开始扩散人皮内与蛋白质结合时,Z值随着溶液中酸浓度的增加而加大,从而e值也随之变大,于是生皮发生充水膨胀。由于生皮蛋白质中氨基基团数目有限,当所有P-NH3+离子都与酸结合后,Z值成为一定值,P值达到最大,此时生皮充水膨胀也最大。

如果过此点继续增加溶液中酸的浓度,则X值加大,溶液中可扩散离子浓度增加,P值则因此变小。也就是当溶液中可扩散离子的浓度和,大于皮内可扩散离子浓度和时,皮内的水分子便会向皮外渗透,导致生皮膨胀降低。

生皮在碱溶液中的充水膨胀现象也可以用党南平衡理论加以解释。但是生皮在碱性液中的情况要更复杂些。

静电排斥、理论

当将生皮置于碱或酸溶液中时,以胶原为主的生皮蛋白质,由于OH一离子或H+离子的作用,蛋白质分子链上的氨基的正电荷或羧基的负电荷中和,使皮蛋白质只呈带单一负电荷或单一正电荷的状态。

由于同性电荷相斥的静电作用,使胶原分子链发生变形,链间的距离增大,造成真皮纤维束缩短、直径变粗,使皮膨胀。同时,由于胶原分子链上带负电荷的羧基或带正电荷的氨基基团周围形成静电场,又进一步大量吸引具有偶极特性的水分子,产生补充吸水作用,使皮内压。力增大。生皮碱、酸膨胀的静电排斥作用如图3-3所示。

图3 - 3 生皮碱、酸膨胀的静电排斥作用示意图

以上解释生皮在碱、酸溶液中充水膨胀现象的两种理论是相互补充的。生皮在碱、酸溶液中的充水膨胀作用与碱、酸的种类及性质有关。一般一元碱的皮的膨胀作用大于二元碱。各种碱对皮的膨胀作用大小顺序如下:
一元碱:KOH>NaOH>NH4OH
二元碱:Ba(OH)2>Sr(OH)2>Ca(OH)2
同样,一元酸的皮的膨胀作用大于二元酸。有机酸对皮的膨胀作用比无机酸要复杂得多。

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