第六章纖維的表面性質(zhì)ppt課件

1、第六章 纖維的表面性質(zhì),表6-1 不同尺度材料表面結(jié)構(gòu)所占體積比,纖維的表面性狀與纖維集合體的加工和性能密切相關(guān),一、表面的基本概念 1. 纖維表面的定義,纖維表面，是指纖維表層0.5-5nm內(nèi)的組成、結(jié)構(gòu)和其亞微米尺度及其以下的表觀形態(tài)。 纖維表面結(jié)構(gòu)與組成是非對稱和不均勻的 表面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)是不穩(wěn)定的,第一節(jié) 纖維表面的內(nèi)涵,圖6-2 A/B物質(zhì)的界面層示意圖,圖6-1 表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)及相互作用,2. 表面能（表面自由能,形成單位面積表面所消耗的功,圖6-3 液體表面增大所作的功,二、纖維表面涉及的內(nèi)容,纖維表面主要涉及表面結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)和表面表征方法： 表面結(jié)構(gòu)是表面的基礎(chǔ)與本質(zhì)，決定表

2、面性質(zhì)； 表面性質(zhì)是表面結(jié)構(gòu)的外在行為表現(xiàn)； 表面表征方法是認(rèn)識表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其相互關(guān)系的手段,1. 纖維表面結(jié)構(gòu)內(nèi)涵,圖6-4 AFM的表面原子像,1) 表面厚度,2）表面形態(tài) （3）表面組成 （4）表面結(jié)構(gòu)（聚集態(tài)結(jié)構(gòu),2. 纖維表面所涉及的基本物理性質(zhì),圖6-6 纖維表面缺陷導(dǎo)致的斷裂,1）摩擦性能 （2）浸潤性能 （3）熱學(xué)性能 （4）光學(xué)性能 （5）電學(xué)性能 （6）力學(xué)性能劣化,3. 纖維表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的一般分析方法,圖6-7 電子束激發(fā)的各類信息示意圖,1）表面組成分析 俄歇電子能譜（AES），二次離子質(zhì)譜（SIMS），X射線光電子能譜（XPS），分析深度在表面2nm左右。 （2

3、）表面結(jié)構(gòu)分析 低能電子衍射（LEED),反射型高能電子衍射（RHEED），掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）等等，其中首推LEED，AFM（適合于高聚物材料）和STM（適合于金屬和無機材料） （3）表面形態(tài)分析 SEM，TEM，AFM，STM等，主要是SEM和AFM （4）表面電子能態(tài)分析 XPS,UPS。 （5）表面性質(zhì)分析,表6-2 常用表面分析方法名稱及用途,4. 纖維表面改性,纖維表面改性是纖維表面分析研究的主要目的，是期望通過有效、方便的表面處理獲得理想、實用、新型纖維的主要方法,第二節(jié) 纖維的表面特征,一、天然纖維的表面特征 1. 棉纖維,圖6-8 棉纖維的表面形態(tài)

4、,棉纖維表面分布著微小的突起條紋（棱脊?fàn)顥l紋），是棉纖維交叉移動時輕微跳動和錚錚做響的主要原因，影響纖維的可紡性，特別是在動態(tài)滑移過程中，其作用尤為重要。微條紋產(chǎn)生的起皺表面結(jié)構(gòu)，有利于纖維的點接觸，而且是柔性點接觸，使纖維耐疲勞和磨損，并不澀不沾,2. 麻纖維,苧麻纖維表面有許多微細(xì)溝槽和殘余果膠，使苧麻表面變得粗糙，這是苧麻刺癢的另一原因,3. 毛發(fā)類纖維,圖6-9 羊毛纖維表面的鱗紋,圖6-10 羊毛纖維表面的鱗片結(jié)構(gòu),羊毛纖維 偽棱脊 鱗紋,鱗片外形輪廓以及鱗片的偽鱗脊是構(gòu)成羊毛表面鱗片花紋的主要原因。通常羊毛的細(xì)度越細(xì)，其表面的鱗片度越高，鱗片重疊數(shù)越多、厚度越厚，鱗片的環(huán)狀完整性也

5、越高,2）兔毛纖維,a) 羊毛,b) 兔毛 圖6-5 羊毛和兔毛的鱗片像（SEM,兔毛纖維鱗片花紋與纖維軸夾角一般小于45o，而羊毛一般為8090o。 鱗片條紋平行排列且伸直程度高，呈直線條紋。且有表層粉狀物質(zhì)的介入，因而兔毛表面的差微摩擦效應(yīng)極不明顯。 鱗片的偽鱗脊現(xiàn)象較多，羊毛為1/10，而兔毛約為1次。 兔毛表面有極好的滑糯性，即其表面摩擦系數(shù)很小，主要原因在于兔毛表面存在著一種粉狀物質(zhì)，為兔毛提供了優(yōu)良的使用性質(zhì)，但也造成加工成網(wǎng)、成條、牽伸不良等困難。可以采用浸酸腐蝕法、上紡紗油劑法和等離子體刻蝕法等，改性纖維的可紡性,圖6-11 羽絨表面的原纖排列及“膜層”(TEM,3）羽絨纖維,

6、羽絨纖維表層結(jié)構(gòu)是排列規(guī)整的原纖，相互緊挨著繞纖維外層一圈，表面存在依稀可見的明亮的“膜層”，這種結(jié)構(gòu)可能是很細(xì)的羽絨仍能挺直的原因,4）蠶絲纖維,蠶絲的表層結(jié)構(gòu)和羽絨纖維相似，也是表層一排原纖緊密排列一周。但蠶絲在表層呈層狀結(jié)構(gòu)，因此提供了很好的光反射、折射和投射效果。蠶絲的表面還有絲膠及微細(xì)溝槽，以及一些毛絲，使纖維具有縱向滑爽、橫向略糙的特性，纖維在交叉移動時，有絲鳴現(xiàn)象,二、化學(xué)纖維的表面特征 1. 再生纖維 普通粘膠纖維有皮芯結(jié)構(gòu) Lyocell纖維由于溶劑析出和拉伸取向的作用，表面具有較多的原纖化結(jié)構(gòu)，且原纖間的作用力弱，容易形成劈裂而產(chǎn)生原纖化的毛茸，使纖維表面變得毛絨化,圖6-

7、12 不同紡絲速度滌綸的表面結(jié)構(gòu)（SEM,2. 普通合成纖維,滌綸：在微觀尺度上如同微微波動的水面，呈無規(guī)狀，時而出現(xiàn)微小裂紋與孔洞； 錦綸：因大分子的柔性，表面結(jié)構(gòu)不均勻，波動比滌綸更明顯，且波動紋與纖維軸基本垂直； 腈綸：表面也是片狀晶體結(jié)構(gòu)，而且表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)會因熱定形處理而發(fā)生改變； 丙綸：表面較為粗糙，有輕微細(xì)密的縱向條紋和一定量的頭端翹起的毛絲,合成纖維中熔體紡絲纖維：通常被認(rèn)為是表面光滑、結(jié)構(gòu)均勻的圓柱體或異形截面桿狀物； 合成纖維的干法或濕法紡絲表面都具有皮層。干法紡絲表面的微孔和縫隙較多；濕法紡絲的皮層較厚，且先于凝固，多帶有宏觀收縮下凹溝槽,圖6-13 腈綸纖維的表面形態(tài)與結(jié)

8、構(gòu)（SEM,三、表面改性和高性能纖維的表面特征 1. 纖維粗糙化改性,圖6-14 羊毛的等離子體刻蝕處理表面（SEM,2. 纖維表面柔軟化改性 柔軟劑，表面涂覆改性：改善纖維表面摩擦性能,3. 合成纖維的絲光改性,圖6-15 滌綸的絲光處理表面（SEM,4. 高性能纖維的表面特征,圖6-16 芳綸纖維的表面形貌（SEM,第三節(jié) 纖維的摩擦性質(zhì),一、纖維摩擦中的基本現(xiàn)象 纖維的摩擦性質(zhì)是指纖維與纖維、纖維與其他物質(zhì)表面接觸并發(fā)生相對運動時的行為。 1. 摩擦系數(shù),表6-3 纖維的動、靜摩擦系數(shù)（S，D,1） 相對滑移速度的影響,圖6-17 滑動速度v與摩擦系數(shù)的關(guān)系,在高速摩擦?xí)r會發(fā)生,2） 表

9、觀接觸面積的影響,3） 正壓力的影響,4） 表面粗粗度的影響,5） 表面硬度的影響,6） 纖維外觀形態(tài)及表面附著物的影響 (纖維截面形狀與卷曲) （抱合力,7） 環(huán)境溫濕度的影響,圖6-18 摩擦系數(shù)與粗糙度r的關(guān)系,2. 粘滑現(xiàn)象,圖6-19 粘滑過程及摩擦力曲線,纖維間相對低速滑移時，會發(fā)生時而保持不動（粘），纖維產(chǎn)生變形或同向移動；時而又相對快速滑移（滑），這種現(xiàn)象稱為粘滑現(xiàn)象,產(chǎn)生粘滑現(xiàn)象的本質(zhì)原因是纖維的靜、動摩擦力或靜、動摩擦系數(shù)的差異所致。是纖維產(chǎn)生“絲鳴”的根本原因。 粘滑現(xiàn)象受相對移動速度的影響，當(dāng)相對移動速度大于0.1m/min時消失,圖6-20 纖維摩擦中的粘滑現(xiàn)象,3.

10、 摩擦的對稱性及方向性,圖6-21 纖維的對稱和非對稱摩擦示意圖,1） 對稱與非對稱摩擦,圖6-22 羊毛差微摩擦效應(yīng),圖6-23 羊毛氈縮過程示意圖,2） 不同方向的摩擦,差微摩擦效應(yīng)：羊毛纖維特有的現(xiàn)象，即順鱗片摩擦的摩擦系數(shù)小于逆鱗片摩擦系數(shù)；（摩擦的各向異性） 根本原因是羊毛鱗片的棘齒形態(tài)。這也是導(dǎo)致羊毛具有氈縮性的必要條件,氈化（氈縮性）：羊毛纖維在熱、濕、機械綜合作用下，向根部方向移動，纖維相互穿插、糾纏并越收越緊，最終形成氈制品。 羊毛集合體的氈化就是由差微摩擦效應(yīng)，加上羊毛的高彈性伸長率和促進羊毛彈性伸長與回復(fù)的熱、濕、機械綜合作用完成的,二、摩擦機理與測量 1. 纖維的摩擦機

11、理 摩擦是指兩物體間接觸并發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生相對滑移時的現(xiàn)象； 從微觀力學(xué)角度來說，是兩物質(zhì)接觸面分子間的相互作用，在切向外力作用下產(chǎn)生剪切和分離的過程； 從宏觀形態(tài)看，是兩接觸物體間的碰撞、擠壓和錯位； 實際纖維間的摩擦，是宏觀和微觀作用的綜合,2. 纖維摩擦性質(zhì)的測量,圖6-24 絞盤法測量原理示意圖,1）絞盤法,圖6-25 纖維抽拔法實驗原理,2）抽拔法,圖6-26 刮動法測量裝置原理圖,3）刮動法,第四節(jié) 纖維的浸潤與芯吸,浸潤和芯吸都是討論纖維與液體的相互作用。 浸潤：表達單纖維或纖維集合體表面（或表觀）與水的相互作用； 芯吸：表達纖維集合體內(nèi)（纖維間）或單纖維內(nèi)（孔洞）對液體的毛細(xì)作用

12、,一、纖維浸潤現(xiàn)象（wetting） 纖維的浸潤，是指纖維與液體發(fā)生接觸時的相互作用過程。 1. 平衡與非平衡浸潤,圖6-27 平衡浸潤模型,1) 平衡浸潤,纖維與液體接觸時可以達到平衡不變的液體形狀的浸潤,表6-4 平衡浸潤的幾種形式,接觸角：氣-液切面與固-液界面間 含液體的夾角,2) 非平衡浸潤,纖維與液體接觸時液體形態(tài)一直發(fā)生變化（鋪展）的浸潤,非平衡浸潤的特征是液滴在固體表面上的展開成膜，原有的固氣界面消失，而留下兩層固液和氣液界面,2. 浸潤的滯后性,是指固體表面第一次浸潤和第二次浸潤間存在差異，且第一次浸潤角1恒大于第二次浸潤角2。以此推廣,滯后角，反應(yīng)纖維浸潤的滯后性,3. 偽

13、浸潤現(xiàn)象,圖6-28 粗糙表面浸潤模型圖,圖6-29 不同組份表面的浸潤模型,是指由于纖維的表面形態(tài)與真實形態(tài)存在差異，或材料表面不同組分的組合，使液滴的三相交匯點落在某一位置或某一組分中而引起的表觀接觸角不能表達或不能完全表達真實浸潤性的現(xiàn)象。前者稱形態(tài)偽浸潤，后者稱組分偽浸潤,1）形態(tài)的影響,2）組分的影響,二、纖維浸潤性測量 1. 接觸角測量,圖6-30 插入轉(zhuǎn)動法示意圖,圖6-31 懸滴法計算示意和實物圖,圖6-32 浸潤的前進角和后退角的測量示意,插入轉(zhuǎn)動法； 懸滴法； 注入法,2. 浸潤力的測量,圖6-33 浸潤力測量原理圖,豎直拔出法 水平浸入拉出法,3. 鋪展速度的測量,圖6-

14、37 長絲向下運動時液面月牙狀的變化,三、纖維芯吸與表征,對于纖維集合體或多表面靠近或多孔材料，即便是原平衡態(tài)的浸潤，也會變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)特征的浸潤，即氣、液、固三相的交點會發(fā)生長時間的移動，這種現(xiàn)象稱為芯吸,1. 纖維集合體的芯吸現(xiàn)象,圖6-38 無毛細(xì)作用時液體的狀態(tài),纖維集合體的浸潤有毛細(xì)吸水的現(xiàn)象，或稱芯吸。芯吸作用，除了單纖維的浸潤作用外，還有孔隙形狀因子的影響,當(dāng)纖維孔隙為豎直排列，并在有效的毛細(xì)半徑時，浸潤和重力作用會使液體被芯吸到某一高度后，形成穩(wěn)態(tài)； 空隙為水平放置時，毛細(xì)作用會使液體不斷擴展，形成非平衡態(tài)； 當(dāng)纖維間的空隙大小和組成不同時，則會產(chǎn)生毛細(xì)壓差，而形成擴展的方向性和選擇性,a) 90180（拒水） (b) 090（導(dǎo)水） 圖6-39 纖維正、負(fù)浸潤時的芯吸模型圖,拒水高度,織物能夠拒水的必要條件是 90；其次為織物的孔隙等效直徑d，d越小，織物越拒水,2. 芯吸高度,2）導(dǎo)水高度,織物能夠?qū)谋匾獥l件是 9