紡織物理 第五章 纖維的光學(xué)性質(zhì)

1、第五章 纖維的光學(xué)性質(zhì)纖維的光學(xué)性質(zhì)是指纖維對(duì)光的吸收、反射、折射和透射的性質(zhì)，以及光在纖維中的傳遞性質(zhì)。纖維在光照下會(huì)呈色發(fā)光，纖維對(duì)不同振動(dòng)方向的光會(huì)產(chǎn)生不同的折射效果，纖維受光以后會(huì)老化降解，這些都是纖維的光學(xué)性質(zhì)。纖維的光學(xué)性質(zhì)直接取決于纖維的結(jié)構(gòu)，纖維的分子結(jié)構(gòu)能很好地將光線的光電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成纖維分子或電子云的振動(dòng)能，將使纖維的耐光老化性提高。纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的不同將引起纖維反光、折光性質(zhì)的變化，尤其是取向的分子排列將使纖維的光學(xué)各向異性特征明顯，應(yīng)該說(shuō)纖維的光學(xué)各向異性是纖維結(jié)構(gòu)的各向異性的最明顯的表征，也是用的最多最為方便的傳統(tǒng)測(cè)量方法。本章將重點(diǎn)介紹纖維的折射特征、雙折射性質(zhì)與測(cè)量

2、、纖維的光老化及發(fā)光現(xiàn)象，以及纖維的紅外光譜及性質(zhì)。通常光學(xué)性質(zhì)的討論范圍為紫外光（nm）、可見(jiàn)光（nm）和紅外光（um）。光的波長(zhǎng)不同，能量不同?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)不同其顏色不同，結(jié)果見(jiàn)表。 表51 各種顏色的波長(zhǎng)及波長(zhǎng)范圍顏色標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍紅700620780橙610595620黃580575595綠510480575藍(lán)470450480紫420380450第一節(jié) 纖維的反射與折射的性質(zhì)一、 光與纖維 當(dāng)光線照射在纖維上，在纖維與空氣或與其他介質(zhì)的界面處將發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。該界面在纖維體內(nèi)存在時(shí)，情況也一樣。其光路與纖維的相互關(guān)系如圖所示。 （5.1）式中，為光線在空氣中或真空中的傳播速度；

3、為光線在纖維中的傳播速度。二、 纖維的折射率 纖維是一個(gè)軸對(duì)稱的各向異性體，其折射率在上是不同的。折射率大小的矢量在纖維中是一個(gè)空間橢球分布，如圖所示。可以看出，沿纖維軸向（z軸）的折射率較大，為橢球的長(zhǎng)度。在纖維經(jīng)向平面中的折射率為中心對(duì)稱、值相等且較少。圖52 纖維的折射率分布 設(shè)：纖維中的直角坐標(biāo)系的z軸為纖維軸方向，則、分別表示纖維中沿x、y、z軸的折射率值。則有：= = 而纖維軸的整體平均折射率值，即將纖維看成一各向同性體時(shí)的折射率值為：=（+） （5.1）或 =（2+） （5.2） 通常纖維的折射率有=,即平行纖維軸的折射率較大，光的傳播速度較低；垂直纖維軸的折射率較小，故光的傳播

4、速度較快。 光子在介質(zhì)中的傳遞是受到介質(zhì)的光密度影響的。而介質(zhì)的光密度是由電子密度和電子云的易動(dòng)性決定的。光子通過(guò)介質(zhì)時(shí)，必然會(huì)與電子發(fā)生碰撞，和對(duì)電子云發(fā)生干擾，引起光子能量的轉(zhuǎn)換與損耗，以及介質(zhì)電子云的騷動(dòng)，這將改變光子的運(yùn)動(dòng)速度與方向。在宏觀上體現(xiàn)出光線的傳遞速度減慢，光波波長(zhǎng)的變化和折射率的增大。因此，只要結(jié)構(gòu)不同，分子排列方式不同、晶格參數(shù)（三軸方向和長(zhǎng)短）不同，折射率值就會(huì)不同。三、 纖維的反射與光澤 由圖可知，除了折射外另一主要的光學(xué)現(xiàn)象為光的反射。圖中繪出的只是一種鏡面反射和多層反射。實(shí)踐中，鏡面反射只是主反射線，在其他各個(gè)方向上也有反射，稱為漫反射或者散射，如圖（a）所示。這

5、與纖維的表面形態(tài)不同引起的散射不同有關(guān)，見(jiàn)圖（b）,形態(tài)不同是由主反射線的變化引起的。前者是微觀結(jié)構(gòu)作用；后者為宏觀形態(tài)作用。入射主反射散射 (a)反射示意圖 (b)形態(tài)散射示意圖 光的反射直接影響被光照物的光澤特征。 光線由光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的反射量，可由flamier公式來(lái)表達(dá)，反射系數(shù)r為： r= (5.3) r0= (5.4) 對(duì)纖維來(lái)說(shuō)，反射系數(shù)r一般為0.20.23左右，折射率n在1.51.6內(nèi)。第二節(jié) 纖維的雙折射與測(cè)量一、 纖維的雙折射 對(duì)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)沿著兩個(gè)不同的光軸的光線傳播時(shí)，由于在此二方向上光密度的不同，將使光線產(chǎn)生兩種傳遞速度，即具有兩個(gè)折射率值，這種現(xiàn)象

6、就稱為雙折射現(xiàn)象，表征其的指標(biāo)為雙折射率n 。雙折射現(xiàn)象的本質(zhì)是材料結(jié)構(gòu)的各向異性的光學(xué)反映，對(duì)于三軸方向的折射率不同的物質(zhì)其雙折射率有三個(gè)。若直角坐標(biāo)系中的三個(gè)折射率分別、則雙折射率為： （.） 由于纖維是軸對(duì)稱的各向異性體，即只存在平行纖維軸的折射率和垂直纖維軸折射率，故纖維的雙折射定義為：n （.） 即平行于纖維軸振動(dòng)的平面偏振光傳播時(shí)的折射率與垂直于纖維軸振動(dòng)的平面偏振光傳播時(shí)的折射率的差值n。其物理過(guò)程為，當(dāng)一束平面偏振光進(jìn)入纖維時(shí)，可將其分解為二組相互正交的平面偏振光如圖所示一是沿纖維軸向振動(dòng)的平面偏振光，其一般傳播速度較慢，折射率值較大，稱為非常光，或稱慢光，又稱e 光。另一是垂

7、直纖維軸方向振動(dòng)的平面偏振光，其一般傳播速度較快，折射率較低，稱為尋常光，或稱快光，又稱o光。故一般情況中光對(duì)纖維的作用結(jié)果是：v但也有不同情況，通常將：即n 0稱為正晶體； 即n 即n 0稱為零晶體（或者各向同性體）。纖維的雙折射值有大有小，一般在范圍內(nèi)，而且其值有正有負(fù)如滌綸為n ，玻璃纖維n ，腈綸為n 。二、 影響纖維雙折射值的因素 影響纖維雙折射值的因素很多，但基本上可以從纖維結(jié)構(gòu)影響的角度和環(huán)境條件上來(lái)討論。、 纖維的結(jié)構(gòu)因素（） 極性基團(tuán)及其排列方向 極性基團(tuán)的極性聚乙烯與聚氯乙烯a)-c-c-c-b)滌綸：粘膠與醋酸纖維：粘膠：極性基團(tuán)的方向 因此光振動(dòng)的方向與極性基團(tuán)的偶極軸

8、方向的一致性極為重要。相同時(shí)極化作用強(qiáng)，光傳遞損耗大，速度慢；垂直時(shí)，極化作用小，損耗小，光傳導(dǎo)速度高。光電場(chǎng)對(duì)極性基團(tuán)的極化度與折射率的關(guān)系為： 如腈綸分子結(jié)構(gòu)，因機(jī)心風(fēng)格基團(tuán)方向的影響，加之分子間排列中的側(cè)向有序和軸向短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序，使腈綸變?yōu)樨?fù)晶體材料。（） 纖維的密度和結(jié)晶度纖維的結(jié)晶度增加意味著纖維密度的增加，而纖維密度與折射率的關(guān)系，根據(jù)gladston & dales方程可得：同理存在： 即折射率與密度成正比，雙折射值也與密度成正比。這也就是說(shuō)，對(duì)同種纖維來(lái)說(shuō)，纖維得密度越高，其雙折射值越大。（） 纖維大分子的構(gòu)型（） 纖維種分子得取向排列根據(jù)：其中：n為鏈段數(shù)，為牽伸比。其

9、中：前者為極性分子的極化度；后者為鏈段的雙折射值（5（） 形狀雙折射率當(dāng)兩種各向同性體得物質(zhì)（或同種物質(zhì)不同形態(tài)）以一定方式有序排列組合時(shí)，該混合物將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，這種雙折射定義為形狀雙折射。這種雙折射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是界面的有序排列而致，故又稱為界面取向雙折射。如圖所示，玻璃棒插入水中，會(huì)形成雙折射。對(duì)于不同的界面形成的形狀雙折射值是不同的，如圖所示。（） 水分對(duì)纖維雙折射的影響纖維吸收水分后變?yōu)榛旌象w，纖維自身的雙折射和界面的雙折射將會(huì)共同存在。即：則：令：所以，纖維與水的混合體的折射為：三、纖維雙折射的測(cè)量 纖維雙折射的測(cè)量方法有許多，有傳統(tǒng)的、近代的；也有這些方法與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的方法

10、；有基于折射率的測(cè)量方法；亦有根據(jù)雙折射現(xiàn)象的直接雙折射值的測(cè)量方法。雖然測(cè)量方法多種多樣，但依據(jù)獲得雙折射值的途徑可將這些方法分為直接法和間接法二類。、 間接方法所謂間接方法是利用纖維在某種介質(zhì)中（通常為液體），其光學(xué)人折射性質(zhì)與該介質(zhì)相同時(shí)，即兩物質(zhì)的界面消失時(shí)，測(cè)量該介質(zhì)的折射率，包括平行和垂直纖維軸的折射率，最終求得纖維得雙折射率。其原理為：當(dāng)nf=ns (5.13)式中nf、ns分別為纖維的折射率和溶液的折射率，如果入射光的平面振動(dòng)方向分別垂直和平行與纖維軸時(shí)就可以得到：nfns或者nfns最終得到纖維的雙折射率：nf（nn）f（nn）s (5.14)上式中溶液的折射率ns 可以阿貝

11、折射儀直接測(cè)量獲得。顯然要實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量原理，不許要解決兩個(gè)問(wèn)題：如何使溶液的折射率ns與纖維的折射率nf相等；怎樣確切地知道 ns=nf，一般要求精度為1.6）的溶液（如溴代萘）；一種低折射率（nf時(shí)，溶液與纖維構(gòu)成一個(gè)凹透鏡的形式如圖512（a）。其為一個(gè)發(fā)散透光，因此當(dāng)聚焦平面向上移動(dòng)時(shí)，倍克線向外移動(dòng)，反之向內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)nsnf ，反之，nsnf時(shí)，纖維=凹透鏡，光發(fā)散，當(dāng)焦平面上升時(shí)，倍克線外移，有纖維內(nèi)向纖維外移動(dòng)。 當(dāng)nsnf ；向上移物鏡，倍克線向內(nèi)，ns nf 。當(dāng)光（）消失時(shí)，倍克線也不存在。（） 中央照明法原理與倍克線法基本相當(dāng)，主要是物鏡上下移動(dòng)的距離較大，其是尋找在纖維中

12、央（）存在的一根明亮的線條，如有，則根據(jù)物鏡的上升還是下降確定溶液的折射率是大還是小，但此法對(duì)于高倍數(shù)時(shí)，下降距離往往不移。圖：（） 相差顯微鏡法圖： 光線通過(guò)折射率不同的物質(zhì)，要發(fā)生速度的改變，產(chǎn)生光程差。光程差即反射光波的振動(dòng)的相位差，利用相差顯微鏡檢驗(yàn)是否存在0，而調(diào)節(jié)溶液的混合比或溫度以致光波波長(zhǎng)，使0成立，這時(shí)的ns= nf 。（） 干涉顯微鏡同上，利用干涉加強(qiáng)為同相位，干涉（ ）則有相位差，改變ns 、t 、使干涉光強(qiáng)最大，此時(shí)，ns= nf ，則ns 。比較：（1）、（2）簡(jiǎn)單，精度低；（3）、（4）設(shè)備要求高，精度高。517而已知纖維的折射率要求纖維的雙折射，這將是一件很容易的

13、事，只需采用平面偏振光，當(dāng)平面偏振光的振動(dòng)方向與纖維平行時(shí)，即測(cè)得n ；與纖維垂直時(shí)，即是n , n-n=n（二）平面偏振光通過(guò)纖維的現(xiàn)象1、滯后現(xiàn)象及橢圓偏振光（光程差的概念）當(dāng)一束平面偏振光與纖維軸呈一定夾角射入纖維時(shí)，光線由于從光疏物質(zhì)進(jìn)入光密物質(zhì)，就會(huì)發(fā)生速度減慢的現(xiàn)象，即單位時(shí)間通過(guò)的光程要發(fā)生變化，s=vct n= vc/v ns= vct由于纖維是各向異性體，因此平面偏振光進(jìn)入纖維后，其沿纖維軸方向振動(dòng)的光波不易于傳播，速度較慢，一般稱為非尋常光，用e表示；沿纖維軸垂直方向振動(dòng)的光波易于傳播，速度較快，一般稱為尋常光，用o表示。顯然：e光（平行于纖維軸）和o光（垂直于纖維軸）在出

14、纖維后必將發(fā)生光程上的差異，此稱為光程差。s=vct-vct=ns-ns=s(n- n)同樣振動(dòng)頻率的光，有光程差，必然存在相位差。518如果纖維直徑或厚度是一致的，那么光程差或相位差就正比例與雙折射，n=n-nn= n-n 顯然n，。這就是平面偏振光通過(guò)纖維時(shí)的滯后現(xiàn)象，其產(chǎn)生的原因很顯然是纖維的各向異性所致。由于進(jìn)入纖維的平面偏振光平行方向和垂直方向傳播有滯后現(xiàn)象，結(jié)果進(jìn)入纖維的平面偏振光在出纖維后就發(fā)生了變化，變成了橢圓偏振光，即e光和o光在出纖維后因相位差的原因相互合成為（ ）的橢圓振動(dòng)，這就很方便的在理論上證明。圖（ ）進(jìn)入纖維的平面偏振光的振動(dòng)方程為：則：顯然：最后簡(jiǎn)化整理為：式很

15、顯然是一橢圓方程。一般采用入射平面偏振光的振動(dòng)方向與纖維軸的夾角為，這時(shí)的振動(dòng)為對(duì)稱振動(dòng)。=時(shí)，在這種情況下：=(2k+1)/2時(shí)，為圓偏振，y2+z2=a02/2；=k時(shí)，為平面振動(dòng)，yz=0。此處k=0,1,2,.顯然隨變化，橢圓偏振光的橢圓率會(huì)發(fā)生變化，可有直線圓直線圖：（）平面偏振光（) =vct-vct=d(n-n)s=vtns=vctn=vc/vns-ns= vct-vct=vc(t-t)=s(n-n)、通過(guò)各種纖維時(shí)的現(xiàn)象在檢測(cè)纖維時(shí)平面偏振光路是這樣的。圖：（）所以當(dāng)纖維厚度一定時(shí)且同種纖維，即：=const。圖：（）這樣如果將一纖維放入正交的起偏器形成的視野中，視野應(yīng)該是全顯

16、的，但纖維（）其各向異性的原因而產(chǎn)生橢圓偏振光，纖維就不一定是全顯體，但隨著纖維軸與起偏器夾角的改變，其亮暗程度會(huì)發(fā)生改變，如果是各向異性的纖維，n-n0。則k/2時(shí)，上述推導(dǎo)，a0i0纖維與周圍視野一樣，是顯體，即、四個(gè)位置?？梢韵胂蟮某鲈谶@些位置無(wú)分解現(xiàn)象。當(dāng)(2k+1)/4時(shí)，這時(shí)纖維是明亮的，即在、四個(gè)位置上，由于纖維的各向異性不相同，這種情況也有差異。n-n0各向同性纖維，玻璃、醋脂、腈綸，即使在、位置也是顯的，因?yàn)榇┻^(guò)纖維無(wú)橢圓偏振產(chǎn)生； 各種合成、人造、毛、絲纖維各向異性，同上分析； 棉、麻、復(fù)合纖維，因其小纖維的電子（）和排列形成的正反而交（），圓始終是亮的。、干涉色現(xiàn)象上面我

17、們講到的基本上都是單色偏振光，如采用自然光線，即全色光偏振后通過(guò)纖維，就會(huì)產(chǎn)生干涉色現(xiàn)象。因?yàn)樽匀还獾墓獠úㄩL(zhǎng)為，其同時(shí)通過(guò)纖維時(shí)，不同波長(zhǎng)的振動(dòng)頻率不一樣，最后出來(lái)后，因纖維各向異性的影響，相位差也不一樣。12.n12.n公式（）=2/這樣通過(guò)纖維后，有的波長(zhǎng)顏色的光全符合=(2k+1)，相干加強(qiáng)而顯色，=2k時(shí)，相干減弱而不顯色。（k=1、2、.n)此是空間問(wèn)題不是平面問(wèn)題，不要搞混。圖：（）這樣通過(guò)檢偏器后，原來(lái)的全色光將變?yōu)橹挥心硯追N顏色的平面振動(dòng)光而顯不同的色彩。圖表：（ ）523棉纖維的成熟度測(cè)量中所運(yùn)用的正是這一原理。因?yàn)槊蘩w維的成熟度不同，其（）的厚度不同，d不同，而且對(duì)纖維的

18、各向異性也有一定的影響，成熟度高的棉纖維（），取向排列成分多，各向異性大，(n-n)，這樣，出纖維的光干涉情況發(fā)生變化，成熟與未成熟纖維的干涉色就會(huì)出現(xiàn)差異，根據(jù)這種干涉色的差異就可判斷纖維的成熟與否。一般厚度影響是最為主要的，棉纖維的厚度一般在um，雙折射：.左右，故：=100.025300.045=250um1350um但一般正常成熟棉纖維的左右范圍，一般只有光程差mu，故色不豐富。（）加入補(bǔ)償片如一級(jí)紅（）片，增加mu，使纖維的干涉色更為豐富清晰。對(duì)一級(jí)紅，成熟纖維為黃、綠、橙色；未成熟纖維為透明紅、無(wú)色、紫、深藍(lán)。如減去一個(gè)mu，為三級(jí)紅，這時(shí)成熟纖維為黃綠；未成熟纖維為紅色。不加補(bǔ)償片，未成熟的為鐵灰；成熟的為灰色。（三）直接方法 運(yùn)用光學(xué)原理及儀器直接測(cè)量纖維的雙折射和光程差，其根據(jù)：=d(n-n)則纖維的雙折射為/d。采用這種方法，其中有一個(gè)很重要的參數(shù)d，一般較難確定，原因是：第一、纖維是非圓形的；第二，纖維的直徑是變化的。因此這種方法要做到準(zhǔn)確，就必須限制纖維的形態(tài)，要求被測(cè)纖維是圓形的，d=直徑。 這樣在已知纖維細(xì)度值的情況下，可以直接測(cè)得光程差而求出雙折射值。直接方法有多種，其中有：石英楔子法； 干涉法；