紡織物理講義1要點

1、第一章 纖維的結構概述1 纖維結構：纖維的固有特征和本質屬性，決定纖維性質；涵蓋微觀到分子組成，宏觀到纖維形貌；結構多樣性與結構層次有多種劃分。2 結構層次的模糊，纖維的微細結構( fine structure ) ：可以追溯到 19 世紀。但卓有成效的研究和結構理論的提出與驗證是在 20 世紀的上半葉，近五十年又在許多纖維結構理論和分析方法上有新的突破。3 纖維微細結構的研究，通常采用的研究方法有： 光學顯微術( optical microscopy )和電子顯微術( electron microscopy ) ：掃描電子顯微鏡SEM 和透射電子顯微鏡 TEM X 射線和電子衍射法( X r

2、ay Electron diffraction ) 紅外( infra-red ) 、紫外( ultraviolet ) 、熒光( fluorescence )和喇曼光譜法( Raman spectrum) 核磁共振法(nuclear magnetic resonance) 表面分析法(surface analysis) 原子力顯微鏡 AFM( atomic force microscope ) 或掃描隧道顯微鏡 STM( scanning tunneling microscope ) 等方法 熱分析法(thermal analysis ) 動態(tài)和斷裂力學法 質譜分析法( mass spect

3、rometry)4 .纖維結構的研究和發(fā)展、問題、未知性和不確定： 基本形式：對纖維微細結構作文字或簡單模型圖來描述。 基本原因：結構的復雜和多樣性、表征方法的局限性、人們的認識。第一節(jié) 纖維結構理論一、纓狀微胞理論1 歷史N?geli 理論； Meyer 和 Mark 的微胞學； Spearkman 模型。30 年代的爭論： 纖維素及其他聚合物分子的長度的問題。 關于纖維究竟是由分離的晶體所組成，還是由連續(xù)的均勻的分子所組成的問題。 Meyer 認為分子是相當短的，其聚合度約為 200 。而 Staudinger 則認為，在天然纖維素中，聚合度在 2000 以上?！袄t狀微胞” (fringe

4、d micelle )說的出現(xiàn)，分子通過若干個微胞，在微胞之間為非結晶區(qū)，通過這些連續(xù)的分子網(wǎng)絡將微胞結合在一起。 長鏈分子間的規(guī)整排列構成結晶微胞。 而伸出的無規(guī)則排列的分子成為纓狀須從。故稱為纓狀微胞理論( fringed micelle t theory )。邊界解釋分歧，兩種看法：兩相結構；單相不均勻。2作用纓狀微胞理論，至今還是很成功的。它適合于纖維素纖維和一些化纖的結構解釋。 與 x 射線衍射結果和電子顯微鏡觀察結果吻合； 可解釋纖維的吸濕和吸收染料性； 纖維密度的不同，可用不同的結晶區(qū)與非結晶區(qū)的比例來說明； 纖維分子的取向度，可用結晶區(qū)及非結晶區(qū)中分子排列的整齊度來解釋； 纖維

5、的各向異性，可以用纖維分子及微胞的部分取向排列來說明； 纖維的力、熱、電、光學特征，可用纓狀微胞說來解釋。二、纓狀原纖理論1 理由與理論電子顯微鏡對纖維更微細組織的觀察，提出了原纖解釋。1 )原纖內的纓狀微胞組織的說法2 )原纖即結晶區(qū)解釋3 )原纖是晶區(qū)與非晶區(qū)的交替形式4 )原纖是高有序排列的無定形結構Hearle (1958)提出了纓狀原纖理論(fringed-frbril theory) ，其目的是將明確的兩相結構和單相結構理論結合起來。2特點纓狀原纖理論， 放棄了晶區(qū)是微胞的假設，結晶區(qū)是連續(xù)的纓狀原纖。 由許多長鏈分子組成。 這些分子沿著本身的長度方向， 在原纖的不同位置上分裂出來

6、， 有的進入無定形區(qū)， 有的重新進人其他原纖組織中，晶格的缺陷和混亂是可能產(chǎn)生的。用化纖成形過程來解釋。當熔體離開噴絲板后， 分子將形成晶核，成為后續(xù)結晶發(fā)展的源。當分子的定向流動和外界牽伸作用時，晶核會發(fā)展而形成原纖化結晶。纓狀微胞理論可以作為纓狀原纖理論的特殊情況即尺寸的區(qū)別。三、折疊鏈片晶理論1 片晶的事實產(chǎn)生： 高分子熔體或溶液中的分子， 大部處于無規(guī)糾纏狀態(tài)。 經(jīng)噴絲孔噴出和導向牽伸后， 可能分子的某些鏈段處處于伸展狀態(tài)或會存在折疊狀態(tài)的分子褳。這些折疊狀的分子鏈段極易形成規(guī)整的晶 體。幾種模型：折疊鏈片晶，插線板模型，縛結分子( tie macromolecule ) 。這種折疊鏈

7、片晶與纓狀微胞說中的微胞相比，產(chǎn)生出新解釋，纓狀折疊鏈片晶理論( fringed micelle with chain-folding ) ，或簡稱纓 狀片晶理論。成形：折疊鏈片晶在牽伸中能發(fā)生取向和部分晶體破裂、滑移，形成較小、均勻、有取向的片晶、隨牽伸度數(shù)的增大，形成混雜的結構。在超大牽伸條件下形成類似于纓狀原纖狀的伸展鏈片晶結構。四、纖維結構的其他理論2 準結晶狀態(tài)結構Hosemann ( 1967)認為，纖維存在準結晶(Paracrystalline )狀態(tài)。在此結構中，晶格參數(shù)在一定程度上受到隨機性的干擾不可能有長片段的良好結晶，會存在少量的無序區(qū)和一維或二維有序結構。3 無定型結構

8、用統(tǒng)計熱力學觀點導出的無規(guī)線團( random coil )模型圖，在理論上說明了非晶態(tài)高聚物中，是無 規(guī)纏結的線團模型， 分子鏈間有一定的相互作用。 這種結構不否定纖維分子的部分取向排列， 甚至有序 定向排列。4 缺陷結晶結構有人從金屬結構的概念出發(fā)，認為纖維結構中的無序區(qū)，是由結晶區(qū)中的缺陷所形成。5 串晶結構（Shish-kebab fibrillar crystals ）串晶結構是以伸展鏈構成的原纖晶體與折疊鏈形成的片晶組合形成的結晶形式， 通常稱為 “羊肉串” 結晶。五、纖維的弱節(jié)結構特征1 弱節(jié)的定義與內涵纖維弱節(jié)的概念，由 Peirce最早提出。力學性質上的弱點，與該部位的結構狀

9、態(tài)有關，故又稱“結 構弱節(jié)”或“形態(tài)弱節(jié)” 。結構弱節(jié)是指纖維內部結構中和外觀形態(tài)上存在的明顯結構不均勻性和缺陷。 形態(tài)弱節(jié)是指纖維明顯的幾何細頸部位。由此定義，取羊毛纖維為例，其弱節(jié)可以分為三類：內部結構弱節(jié)；形態(tài)細節(jié)或細頸；自然侵蝕和人為損傷的結構缺陷。2 纖維弱節(jié)的特征（ 1）纖維的細節(jié)；（ 2）天然生長的形態(tài)缺陷；（ 3）人為加工中的損傷：（ 4 ）內部結構缺陷。六、結語纖維微細結構理論大致可分力三類，即單相結構，過渡態(tài)結構和兩相結構理論。由于纖維結構上有許多差別，單一模型解釋不合適。纓狀微胞模型，適合于人造絲結構，而纓狀原纖模型則適合于棉、麻、絲、毛部分結構的描述以及部分合成纖維。纓

10、狀片晶則較適合乙聚乙烯纖維、粘膠纖維和部分合成纖維的結構。第二節(jié) 紡織纖維結構特征與表征一、紡織纖維的結構特征基本特征要求：在宏觀形態(tài)上要求；在微觀分子排列上的要求。1 分子鏈要具有一定的長度，即具有一定的聚合度（ DP ） ，使纖維具有必要的強度；2 分子應該是線型長鏈分子，支鏈要短，側基要小，以保證分子具有一定的柔性和運動自由度，使纖維柔軟；3 分子間要具有相互作用，使纖維形態(tài)穩(wěn)定和必要的吸附性；4 分子排列要有一定取向和結晶，但又有一定空隙或空間使纖維既保持基本的物理性能，又具有吸濕可染特性。其他要求是：如阻燃、耐高溫、導電、顯色、變溫、抗菌、高強、高模，以及智能等纖維，將須具備其他特殊

11、條件。二、纖維結構的表征1 .聚合度Mz > Mw > M r> Mn(1.1)2 .鏈段長度鏈段是指分子可以運動的最小獨立單元，是一個熱力學統(tǒng)計值， 并不等于單個鏈節(jié)的長度 L。鏈段長度Lp直接影響纖維分子的構象數(shù)，或稱分子的柔順性。LP = Lexp( E/kT) (1.2) 與分子柔順性相關的還有大分子的自由鍵數(shù)n,以及均方末端距 h2值，1 cos :(1.3)(1.4)(1.5)h2 =nL2 1 一 cos ;3 .結晶度Xv =Vc/V =(>：a)/(：c -：a)1111 Xw=Wc/w = () a 'a - c結晶度的測定方法有多種，如X射

12、線衍射法，測結晶區(qū)衍射強度峰面積與背景面積及其關系；差熱分析法，測結晶或晶體熔融的吸、 放熱峰面積；紅外光譜法，測晶帶和非晶帶特征吸收峰的峰值或峰 面積及其相互比值關系；吸濕法、重水交換法等，測水對非晶區(qū)和晶體表面的可及度；以及密度梯度法等，但結果有較大差異。4 .結晶區(qū)分布晶區(qū)的分布可以在整個纖維上，也可指在幾個分子寬度上的分布。這種分布涉及結晶顆?；蚓^(qū)的大小，晶區(qū)與非晶區(qū)的過渡程度，以及晶格的形式與組合。晶區(qū)與非晶區(qū)分布狀態(tài)常用微區(qū)X射線衍射技術和電子衍射法測量。 5.取向度1 2 .32 .f (3cos 3-1) =1-sin 1(1.6)2 2取向度的高低主要影響纖維的強伸性，其測

13、量方法有，X射線或電子衍射法，紅外光譜法、染色法、聲速法，雙折射法等。測量原理不同，給出的取向度概念也不同。 其分別有晶區(qū)分子和晶體取向度fcry；無序區(qū)分子取向度 fam：纖維大分子的取向度；分子極性基團的取向度；形狀或界面取向度f form等。嚴格地說，取向度是一個綜合值，即f =*丫后(1% kf *(1.7)6.取向度分布取向度分布是指纖維分子在纖維徑向各層或在纖維長度方向各段的取向度，尤其是前者實際意義更為重要。7微細結構尺寸微細結構尺寸反映纖維各層次結構的形態(tài)及其大小，以及特有組織結構和表面的形態(tài)特征。主要測量方法是電子顯微鏡和光學顯微鏡，并借助于各種制樣技術，如表面復形、超薄切片

14、、冷凍斷裂、撕裂 剝離、超聲波分離、化學腐蝕、酶分解、等離子體刻蝕，拉伸斷裂等，再現(xiàn)纖維各微細結構特征。而近纖維微細結構的大致數(shù)量代圖像分析技術的應用與發(fā)展，使這些微細結構的觀察與分析更為清晰準確。 級概念。8 .孔隙形態(tài)與大小纖維的固有孔隙人們不太關心，而在高吸性、膜分離過濾纖維中的微孔形態(tài)及其孔徑分布，卻是一個至關重要的特征參數(shù)。其包括，孔徑大小分布，孔的容積、孔的形態(tài)及分布形式。密度法，測孔的容積，用不滲透與滲透液體的比容差求得但其精確性有限制；顯微鏡法，可測孔徑、孔的形態(tài)及分布，光學顯微鏡分辨率低些(>0.4師)，電子顯微鏡分辨率高，但存在制樣的畸變和觀察數(shù)量的限制；氣體吸附法，

15、可測孔徑大小，用于碳、硅膠微孔的測量尤其是V200?孔徑的測量，但受多層吸附的影響： X射線和電子小角衍射，可測V 200?孔的測定，尤其是小孔的存在與 形狀的測定；壓汞法，可測孔徑大小及其分布，最為有效和常用，孔徑測量范圍大。汞壓強P與孔徑R的關系為： P = -2¥cos8/R(1.8)9 .小結在以上結構參數(shù)中， 結晶度與取向度是不同概念，結晶是指三維有序的結構，而取向只是一維有序的概念。在極端情況下，它們常趨于一致。一個全結晶的結構，一定是完全定向的。而一個完全無序的結構， 則一定是完全不定向的。三、纖維弱節(jié)結構的表征 1纖維弱節(jié)的力學特征纖維在外力作用下會伸長并最終斷裂，這

16、種斷裂不是發(fā)生在纖維的最細部位，就是斷裂在結構缺陷處。總之，纖維的斷裂總是發(fā)生在纖維的最弱部位。纖維力學行為可分為均勻結構相的力學行為，稱為“正常拉伸斷裂”；和缺陷結構的力學行為，稱“結構弱節(jié)拉伸斷裂”?？梢园l(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)討論中有意識、或無意識地較多地關注纖維的正常斷裂過程和指標，其原因是： 人們很少真正地測量纖維的應力，而是纖維的受力值與纖維平均直徑的相對比值；纖維弱節(jié)的幾何尺寸對整個纖維來說太小、 太隱蔽，而纖維的斷裂， 卻實實在在地是由于這些極小部分的作用而致；纖維弱節(jié)的最主要表現(xiàn)為纖維的力學性能的退化。因此在理論和實踐上，最方便和最直接的方式是以纖維的力學行為來表征其弱節(jié)的特征和弱節(jié)量。o

17、 o O o o O6 5 4 3 2 1EUQ陰W舞蘇d102。3040 150纖維的長度上/mm圖1-1不同斷裂行為的拉伸應力一應變曲線圖1-2纖維粗細的輪廓圖2纖維弱節(jié)斷裂的判定準則與方法纖維弱節(jié)斷裂的判斷準則8,即為上面提到的纖維的臨界應力，或臨界比強度 Tcri（cN/tex）和臨界應變 加。由纖維的實際斷裂應力或比強度T）和斷裂應變s,以及其拉伸曲線的特征，便可判斷纖維是弱節(jié)斷裂，還是正常斷裂，并可計算纖維弱節(jié)斷裂的概率。由于實測中可以測得纖維沿其長度方向上的粗細輪廓，見圖 1-2。由此可以分出纖維斷裂的部位， 最細點（XDmin）處斷裂和非最細點Xbro處斷裂。根據(jù)其實際斷裂部位

18、的粗細值可以換算得纖維的截面面積或線密度值，求出纖維的實際斷裂應力b （或比強度T）和斷裂應變£值，從而給出纖維弱節(jié)的特征和比例的綜合評價。第三節(jié) 各種纖維的實際結構一、天然纖維素纖維1 ,分子特征：葡萄糖?；–6H10。5）連接而成、聚合度約104的線型大分子。棉、麻纖維組成的區(qū)別在于，麻有較多的非纖維素物質。2 .背背椅式結構773 .結晶結構天然纖維素的結晶形式主要是纖維素I和纖維素n ,為單斜晶系。4高次結構棉、麻纖維大分子的取向都很高，原纖的螺旋排列結構。天然纖維素纖維的結構層次，原纖、微原 纖、原纖、“日輪”層。5形態(tài)結構表皮層，初生層，次生層和中腔。果膠、棉蠟，化學可

19、及性。麻纖維品種較多，有能以單纖維紡紗的芒麻和能以工藝纖維（束纖維）紡紗的大、亞、黃、槿麻等。二、天然蛋白質纖維1 .天然蛋白質纖維的組成與分子間作用形式1）氫鍵作用；2）鹽式鍵作用；3）二硫鍵作用。2天然蛋白質分子結構絲蛋白分子主要是 3曲折鏈構象，故又稱 3角月元；角蛋白分子的主要形式“螺旋形構象，又稱 a角骯。3折疊構象較易形成規(guī)整排列，伸直性較好。3.蛋白質纖維的結晶取向結構a螺旋構型分子的伸展可能性大，彈性好。羊毛和蠶絲天然蛋白質纖維均存在一定的結晶形式。3折疊型大分子易形成規(guī)整排列；“螺旋大分子也能由幾個大分子相互螺旋規(guī)則排列構成穩(wěn)定的結晶形式。取向度也隨a螺旋的變化以及微細結構的

20、不同而變化。4 羊毛纖維的微細結構羊毛的鱗片層：多個鱗片交疊，有偽棱脊，多層結構，有細胞間質( cell membrane complex )粘結，有鎖結。 羊毛的皮質層： 有許多如紡錘狀( spindle-shaped ) 皮質細胞， 沿纖維軸向基本平行排列而組成。又分為正皮質細胞( orthocortical cell ) ，副皮質細胞( parecortical cell )和偶爾出現(xiàn)的仲皮質細胞(mesocortical cell) 。微原纖又由基原纖構成。目前認為基原纖是由3個雙螺旋，或2+2個多重復螺旋的a型大分子組成，直徑 20? 左右。正皮質細胞為三級原纖構成副皮質細胞是二級原

21、纖構成體。羊毛的髓質層是結構疏松、 充滿空氣的薄壁細胞， 其中存在原生質的沉積物， 色素和一些低分子物。羊毛纖維的空間形態(tài)結構：取決于羊毛皮質細胞的分布形式。5 蠶絲的微細結構蠶絲由絲膠( sericin )和絲素( fibroin )構成。絲膠包覆于絲素之外，絲素是蠶絲纖維的主體。絲膠分為I、n、出、IV四種，為層狀包覆在絲素上，水溶性依次變小，結晶度依次變大。內層最靠絲 素的為絲膠IV,很難被熱水或堿液溶解。絲素是由微原纖和原纖二級結構構成，微原纖直徑約為 4090? ，原纖為 250300 ? 。微原纖組合成原纖，原纖基本上呈同心環(huán)狀分布，構成素素的層狀結構。 這種結構在素素主體的表層尤

22、為明顯， 是 導致蠶素優(yōu)良光澤的主要因素之一。三、人造纖維人造纖維的劃分與叫法，主要指再生纖維，即用天然高分子材料，經(jīng)化學、物理加工而成的纖維，其與天然高分子纖維相對應，分為人造纖維素纖維和人造蛋白質纖維。人造纖維素纖維有粘膠纖維， 銅氨纖維和纖維素醋酸酯纖維。 人造蛋白質纖維有酪朊， 素朊和大豆蛋白纖維， 但產(chǎn)量和使用極少， 放在結構方面的討論很少，一般認定分子結構同天然蛋白質纖維， 結晶 略好，是3型鏈的微小結晶顆粒。人造纖維素分子的鏈結構形式比天然纖維素纖維要復雜些，主要是因人為的紡素加工過程而造成。其結構除與天然纖維相同的伸展鏈和無規(guī)排列外，還有折疊鏈的形式。人造纖維素纖維結晶晶格形式

23、主要是纖維素n,還有纖維素出、IV、v形式，這在天然纖維素中是不存在的。纖維素出大都是液氨纖維素，再蒸發(fā)去氨或胺后，生成的一種晶格變體。纖維IV是由纖維素n或出在極性液體中加以高溫處理而成的，故又稱“高溫纖維素”。纖維素V是用濃HCl(38 %-40.3%)作用于纖維素產(chǎn)生的。纖維素分子折疊鏈的規(guī)整排列， 使單晶胞連續(xù)形成基原纖， 有片晶， 為人造纖維素的典型結晶結構。粘膠纖維，因為凝固冷卻速度不同，表、芯層結構不同。四、合成纖維合成纖維是由低分子物質經(jīng)化學合成的高分子聚合物， 再經(jīng)紡素加工而成的纖維。 根據(jù)其分子結構，可分為碳鏈合成纖維： 如聚乙烯 ( polyethylene ) ， 聚丙

24、烯 ( polypropylene ) ,聚丙烯腈 ( polyacrylonitrile ) , 聚乙烯醇縮甲醛( polyvinyl-alcohol ) ， 聚氯乙烯 ( polyving chloride ) ， 或聚氟乙烯( polyvinyl fluoride ) 纖維；雜鏈合成纖維：如聚酰胺( polyamide)纖維，聚酯(polyethylene terephthalate)纖維等。合成纖維除上述的單一組成形式外，可通過共聚、共混、復合、接枝、滲入、涂層等方法改變其組 成，獲得不同的結構與性能；也可通過變形，異形，超細、切斷等加工方法改變纖維形態(tài)；還可通過特 殊的紡絲及后加工方

25、式，獲得高性能的纖維。這些纖維與常規(guī)纖維在分子結構，分子間結構、形態(tài)結構、表面結構上有區(qū)別。1 .聚酯纖維在滌綸的結晶區(qū)中分子鏈節(jié)的構型為反式結構:在非晶區(qū)則為順式，或稱旁式結構:° CH2-CHnO折疊鏈片晶的厚度一般在 250300?,而伸展鏈結晶厚度在 10002000?。滌綸是取向誘導結晶，故通常是高取向高結晶的結構。滌綸的微細結構(P28圖1-46),用纓狀折疊鏈片晶理論來解釋。2 .聚酰胺纖維聚酰胺纖維的分子，不管是聚酰胺 6(-NH CH2)5CO-)、聚酰胺66(-NH (CH2)&NH-CO- (CH2)4CO-)、 或是其他聚酰胺系列，其通式聚酰胺X為：-

26、NH- (CH?) x-1-CO-;和聚酰胺XY為：-NH (CH2)x-NH-CO-(CH2)y-2-CO-,均是由柔性鏈亞甲基的多個組合，并由酰胺鍵-CONH-聯(lián)接而成的。聚酰胺分子極易通過一定的鏈段運動和氫鍵作用，形成穩(wěn)態(tài)結構。初生絲的結晶度一般也可達 50%-60%。錦綸分子鏈構象一般為折疊鏈形式，也有伸直鏈，折疊鏈結晶是主要形式。折疊鏈片晶隨熱處理作用，會發(fā)生變化，其結果是，折疊鏈片晶增加，片晶厚度增加，晶區(qū)增多增大，空穴也相應變大。聚酰胺纖維分子中的亞甲基鏈，換成苯環(huán)，產(chǎn)生出新一代的芳香族聚酰胺纖維，如錦綸6T,Nomax,Kevlar 等。3 .聚乙烯纖維聚烯燒纖維主要是聚乙烯(

27、PE)聚丙烯(PP)纖維，普通聚乙烯纖維柔性較高，延伸性太大，故作為紡織纖維較少。其主要形式有：低密度聚乙烯( LDPE),中密度聚乙烯(MDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。聚乙烯纖維分子可以形成規(guī)整的晶格排列，結晶為立方晶系。是折疊鏈結晶，片晶厚度為 100?左右。高強高模聚乙烯 70年代出現(xiàn)，為超高分子量聚乙烯( UHMW PE ),經(jīng)超拉伸(super drawing)和 區(qū)域拉伸法(Zone drawing),或凍膠紡絲超拉伸法制成。可形成較多的三維有序排列。加之分子的高 度取向，使纖維具備高強高模的特征，強度達 2530CN/dtex ,模量達80-100GPa。為斷續(xù)的伸展鏈微晶

28、 結構。4 .聚丙烯纖維聚丙烯纖維分子與聚乙烯相比只是H換了個甲基(CH3)。甲基在鏈上的排列位置不同，形成不同的立體構型，分為等規(guī)、間規(guī)和無規(guī)。等規(guī)和間規(guī)能形成規(guī)則有序的排列，導致纖維的結晶。尤其是等 規(guī)形式，其空間構型是螺旋結構，構成結晶形式。低密度的近晶型或稱準晶型的結構有較高的透明度。等規(guī)、間規(guī)聚丙烯，結晶有 “、3、乎8和擬六方變體五種，丙綸纖維的結晶度為6570%,未經(jīng)拉伸的只有30%50%。膜裂加工的丙綸纖維，是由丙綸膜單軸向拉伸球晶和片晶的分裂。5 .聚丙烯睛纖維睛綸纖維的聚集態(tài)結構復雜， 結晶形式是一準晶結構。 造成這種結構的原因是在聚丙烯睛分子結構 本身中引入的第二、 三單

29、體，也有認為是極性氟基 （-C三N）的作用。分子鏈的螺旋構型，同丙綸分子。 由于強極性的鼠基作用，使分子的取向成為一個很難測量表征的量。純聚丙烯睛大分子的主要空間構型是螺旋棒狀結構，其堆砌排列，如教材P33圖1-57,螺旋周期為3個鏈節(jié)，直徑約為 6?。強極性氟基，使其以等角度轉動 120。，以形成最穩(wěn)態(tài)的排列。這種規(guī)整 螺旋棒構成的晶格為六角晶系或正交晶系。睛綸纖維結構中幾乎很難尋找到與分子軸向垂直的層面，故定義睛綸聚集態(tài)結構為側向有序，軸向無序的準晶結構。6 .聚乙烯醇纖維聚乙烯醇纖維（PVA）嚴格地說是聚乙烯醇縮甲醛纖維，簡稱維綸或維尼綸。維綸分子中的羥基是CH _ch2 ch極性基團，

30、是維綸優(yōu)良吸濕性的主要作用部位。而縮醛化后產(chǎn)生的O CH2-O是維綸耐水和穩(wěn)定的部分。維綸長鏈分子上-OH在空間的排布有全同立構（等規(guī)）I-PVA,間同立構（間規(guī)）S-PVA和無規(guī)立構（無規(guī)）A-PVA。不同的立構形式，對-OH形成氫鍵的難易程度不同。S-PVA最易形成氫鍵，所以該立構度的增加其耐水性提高。聚乙烯醇的晶胞屬單斜晶系， 晶胞含有兩個單元鏈節(jié)， 晶格參數(shù)為a=7.81? , b=2.52 ? , C=5.51 ?, 戶91?42?,結構形式如教材圖1-59。常規(guī)維綸的結晶度約為 30%。晶格密度為 1.345g/cm3。纖維的結 晶度越高，耐水溶性越好。維綸纖維的結構有皮芯結構，皮

31、層取向高，結構致密，芯層結晶度略高，結構較疏松，截面形狀為 腰圓形。皮芯結構差異是導致染色不勻的主要原因。其微細結構中有原纖和微孔，增加原纖化結構是提高該纖維性質的有效途徑。高性能維綸，如高強高模；功能性維綸，如水溶性維綸，離子交換型生物醫(yī)藥用維綸和衛(wèi)生醫(yī)用維綸；以及共混類維綸，在結構上力求合理化，性能上趨于功能化。7 .聚氯乙烯纖維聚氯乙烯（PVC）纖維簡稱氯綸，其目前作為單一成分的纖維較少。而與睛綸，維綸共混加工的較 多。如果純氯綸纖維的立構規(guī)整性好，構型單一性強，結晶度可達90%。一般聚氯乙烯結晶度較低。氯綸的晶格形式屬正交晶系，每個晶胞含4個單元鏈節(jié)，晶胞參數(shù)為，a= 10.6

32、7;0.1?, b=54±0.1?,c=5.1?,結晶區(qū)密度為 1.44g/cm3,非結晶區(qū)的密度為1.3891.390 g/cm3。五、彈性纖維結構400%800%）。彈性纖維的分子彈性纖維主要是指聚氨酯類纖維，主要特征是很大的彈性變形（ 是由軟鏈段和交朕組成。（a）物理交聯(lián)（b）化學交聯(lián)聚氨酯彈性纖維根據(jù)鏈結構中軟鏈段是聚酯還是聚醚，可分為聚酯型和聚醚型聚氨酯彈性纖維。美國橡膠公司的 Vyrene 是聚酯型，美國 Dupont 的 Lycra 是聚醚型。第四節(jié) 特種纖維結構一般概述特種纖維（Special fibre ）主要是指那些與普通三大類纖維（天然、人造和合成纖維）有別的，

33、具有特殊使用價值，或特殊性能和功能的纖維。 高性能纖維（ high performance fibre ） ，主要體現(xiàn)在高強、高模、耐高溫特性上； 功能化纖維，體現(xiàn)一定的或某一方面的自引發(fā)作用功能其發(fā)展為智能化纖維； 差別化纖維，主要在某一或某些性質上優(yōu)于普通纖維，更利于使用或加工，更接近天然化和更為舒適。一、聚合物共混體纖維結構聚合物混合體纖維，又稱混合聚合物纖維，也有人稱其為“聚合物合金”纖維。物理混合與化學共混。從纖維聚集態(tài)角度出發(fā)， 不管聚合物是單聚物還是共聚物， 聚合物混合體纖維或稱共混聚合物纖維 可分為三種。均相共混聚合物，其不同組分的分子在分子水平上互相混合而成，結構討論中主要關

34、心分子間 的相容性，即適合的自由能AF< 0。非均相共混聚合物，其不同分子不能達到分子水平混合（AF>0）,各成一相，可連續(xù)或分散，其一般以亞微觀結構為特征。雙組份復合聚合物， 其直接以兩種聚合物在宏觀結構上的相互合并混合形成， 又稱雙成分、 雙組 分纖維、或復合纖維。二聚四氟乙烯纖維結構聚四氟乙烯是一種高度對稱， 整體不帶極性的高分子化合物， 為不含任何支鏈的線型高分子， 原因在于，作用力極強的 C-F 鍵是很難打開的。氟原子的作用半徑較大7.2? ，故分子鏈的穩(wěn)定構型是螺旋狀結構。鏈結構的高度對稱性和規(guī)律性，使聚四氟乙烯具有良好的結晶性（結晶度 60%）和高密度特征。結晶區(qū)密度

35、為2.35±0.06g/cm3,非晶區(qū)密度為 2.00± 0.04g/cm3。聚四氟乙烯纖維的結晶形式有兩種， 可相互轉換。 當溫度小于19 時， 晶胞為三斜晶系， C 軸 （纖維軸）恒等同期為16.5?,每個晶胞含有14個-CF2-基。當溫度高于19c時，晶胞開始轉變?yōu)榱骄担?晶胞參數(shù)為 a=5.61? , b=5.61? , c= 16.8?。三、碳纖維的結構1 碳纖維的結晶與取向結構碳纖維是高強、高模、耐高溫纖維，屬高性能纖維。主要由腈綸（ PAN ）纖維、粘膠纖維或瀝青纖維經(jīng)預氧化、碳化和石墨化加工而成。碳纖維分子結構主要是六環(huán)穩(wěn)定網(wǎng)狀結構。見教材P37 圖 1

36、-16。2 .碳纖維的微細組織結構1）原纖特征：Fordeaux等人用X射線衍射和暗場電子顯微鏡觀察提出的結構模型。2）層狀特征：纖維橫截面電子顯微鏡觀察表明，碳纖維原纖徑向結構是層狀分布。3）皮芯特征：偏光顯微鏡對碳纖維皮層和內芯層的分析，表明碳纖維內外層結構存在不均勻性。4）微結構的不均一性：碳纖維中不均一性的主要原因是纖維中的無機雜質，以及原絲加工中的牽伸作 用。四.液晶及芳綸高聚物的結構液晶是指具有液態(tài)流動特征，又有晶體的有序和光學各向異性特征的物質。液晶有小分子液晶， 也有大分子液晶。液晶按照形成液態(tài)的方法可分為近晶型（Smectic）、向列型（nematic）和膽管型(choles

37、teric)。1 .溶致液晶高聚物最典型的是芳綸纖維，尤其是Kevlar纖維，其在15%的硫酸液或N-甲基口比咤溶劑中，于70c形成液晶。經(jīng)干噴或濕紡得到高強高模芳綸纖維。聚對苯并曝陛（PBT）,其分子剛硬。2 .熱致液晶聚合物多為芳香族聚酯類物質，當溫度高于熔融溫度時轉變成液晶態(tài)聚合物。圖1-72主鏈和側鏈液晶聚合物分子結構模型圖3 .液晶聚合物結構條件液晶高分子必須含有形成液晶態(tài)的基本分子結構單元，這種結構單元能促使大分子鏈形成棒狀或板狀的構圖，并具有一定的長徑比（即長度與直徑之比），分子鏈要具有一定的伸展度和剛性?；谶@些要求，其分子鏈的基本單元結構或應為：剛性結構(1.11)x-Bd-

38、RHy4 .液晶紡絲結構處于溶液狀的大分子有四種狀態(tài) （參見教材P41圖1-73）。（a）是典型的普通大分子為無規(guī)線團， （b） 是剛性大分子，在沒有良好的側向作用和導向情況下的狀態(tài)；（c）是無規(guī)的棒狀液晶；（d）為向列型液晶。5 .液晶纖維的微細結構芳綸Kevlar的分子因液晶紡絲，而高度取向和伸展。芳族中的Nomex是耐高溫高強纖維，其晶格為三斜晶系。五、功能化及差別化纖維1 .高吸水性纖維：具備多微孔和空隙，造成毛細作用；表層分子的高親水性和吸附能；分子的 溶脹性，以保持和蓄存最大量的水分。2 .水溶性纖維：具有可水解的分子間作用和分子鏈段，較低的結晶度和結晶熔化溫度。3 .光、熱敏感性

39、纖維：在光或熱作用下的變色或顯色的變色纖維，由于分子構型和晶格形式的變化而 致。在光或熱作用下，發(fā)生晶一晶，晶一液，液一晶等轉換，而產(chǎn)生吸放熱過程的變溫、變色纖維，以 及在光、熱作用下蓄放熱量和光熱相互轉換的纖維。4 .膜分離中空纖維：存在典型的層狀密度、孔隙梯度分布結構.集微過濾，分子吸附及傳遞為一體， 完成氣、液混合體的分離與純化。膜分離中空纖維具有極強的選擇性過濾。5 .過濾纖維：具有超細化形態(tài)，高表面吸附能性質，甚至具有選擇性吸附，如活性碳纖維等。其集合 體微孔的大小及孔徑分布，決定了過濾的效果；其表面積和表面張力的大小，決定其吸附作用。6 .光導纖維：纖維母材為結構均一，透明度高的單

40、一均相性材料。纖維表面的涂覆材料一般為反光性 極好，且吸光率幾乎為零。表皮和芯層材料的折射率差越大越好，并要求其界面平整。7 .導電纖維：纖維分子或基體中的電子導電機制增大，導電成分的連續(xù)性好，尤其在電流方向上。通 常為摻雜高聚物材料或復合纖維。8 .抗輻射、屏蔽纖維：其分子構成和集合態(tài)結構要有很好輻射熱轉換、吸收機制，即具有相應的分子共振吸收形式和表層反射阻擋作用。差別化纖維：較注重宏觀形態(tài)，纖維空間彎、轉曲狀態(tài)，表層物質與結構的改變，故大多為變形、 改性、多孔、減量等加工產(chǎn)品。滌綸仿真絲表面絲光化處理，就是典型的差別化加工，其表面變化見教 材 P44 圖 1-79。功能纖維：特殊功能和被動

41、性智能纖維：自適應、自調節(jié)、可控和功能轉換第二章纖維的吸濕性一、纖維吸、放濕的動態(tài)平衡概念二、吸濕指標及其測試方法回潮率與含水率；標準回潮率；公定回潮率。測試方法：直接法；間接法。三、吸濕滯后性及其機理四、吸濕等溫線及其機理由吸濕等溫線和吸濕滯后性理解在紡織測試標準中要求的預調濕一調濕平衡過程 五、纖維的吸濕熱一一微分熱（Qi）和積分熱（W）rW = °Q1dr/100Q1 =-100dW/dr六、纖維吸濕與纖維性能間關系七、纖維的吸濕機理及其理論吸濕機理：定性解釋影響纖維吸濕的因素（纖維本身因素和外界條件）吸濕理論：從理論上分析說明吸濕等溫線即纖維回潮率與相對濕度間關系的理論曲線八

42、、合成纖維親水化的原理與方法問題討論1 .吸濕熱的測量用量熱器可測積分熱一回潮率曲線，然后進行微分得不同回潮率時的微分熱。微分熱也可由不同溫度下的吸濕等溫線計算得到。2 .皮爾斯（Peirce）理論P65,圖 2-19, P67,圖 2-20第三章 纖維的力學性能第一節(jié)拉伸性質一、拉伸性質指標：代表性拉伸曲線的繪制。二、影響纖維拉伸性質的纖維結構因素和試驗條件因素。纖維結構因素：聚合度，取向度，結晶度，交聯(lián)，分子鏈的剛柔性。試驗條件因素：1.試樣長度（皮爾斯弱環(huán)定律）2 .試樣根數(shù)（平行纖維束的拉伸性質）3 .加荷速度（與纖維的粘彈性能有關）4 .力口荷方式（同上，強度 CRL>CRE

43、,模量CRL<CRE）5 .溫濕度條件第二節(jié)紡織纖維的粘彈性力學性能粘彈性性質即時間效應（time dependent）纖維是高分子聚合物，與虎克材料相比其變形特點：紡織纖維虎克材料各向異性各向同性大變形小變形時間效應與荷重的歷史和速度無關非線性線性產(chǎn)生不可逆塑性變形只產(chǎn)生急彈性變形本章主要討論時間效應，即：粘彈性性質E, 2(112)各向異性的概念也很重要， 紡織纖維是一個橫向各向同性的各向同性體，其獨立彈性常數(shù)有五個。C11C12C13000C12C11Ci3000C13C13C33000000C44000000C440000001/2 ( C11-C12 )可以測定的工程彈性常數(shù)有

44、七個:E1 = E2,E3，21，加3，42，紡織纖維的彈性常數(shù)矩陣（剛度矩陣）G31、G12 °但有二個關系式:G12口13 口31 oE3 =E1、粘彈性現(xiàn)象及其分子解釋蠕變；應力松弛；動態(tài)力學性能。、粘彈性力學的分析方法微分表達式一一用力學模型模擬（希望掌握三元件模型或標準線性固體模型的解法步騾）。積分表達式一一玻爾茲曼疊加原理。理解 P89,式（3-29）和圖3-21的物理含義。三、動態(tài)力學性質指標 E?, E?勺物理含義。當交變（正弦）應力作用于紡織纖維時，其應變也是交變（正弦）的，且應變落后應力一個相位角四、對紡織纖維粘彈性常數(shù)間關系有一個概念性的了解。五、非線性粘彈性力

45、學模型。請閱參考文獻16, 17。第三節(jié)粘彈性能的測量及其應用、測試方法應力松弛（Instron Tester）,蠕變（掛重法）。動態(tài)力學性能：1.強迫振動法一一DDV n動態(tài)粘彈譜儀2.脈沖波傳遞法一聲速法利用時溫等效原理：1 .將不同溫度下短時間的v t和E間關系轉換得到某一溫度下的應力松弛和蠕變主曲線。2 .將E?, E? tgM t （3）間的關系轉換成 E?, E? tgM T間的關系 或將頻率力學譜轉換成溫度 力學譜。根據(jù)溫度力學譜可以分析纖維內部結構和分子運動以及其他應用；耐沖擊性能，耐磨性能和摩擦如：轉變溫度的測定，取向度，結晶度，纖維性能判別，疲勞性能 性能等。第四節(jié)纖維的彈

46、性對高分子鏈的嫡彈性只作概念性了解。要求熟悉：纖維的回彈性指標、測量方法和影響纖維回彈性的因素。第五節(jié)纖維的斷裂與疲勞破壞一、理解為什么纖維的實際斷裂強度遠低于理論強度的原因。P118119二、疲勞破壞的機理傳統(tǒng)觀點：次價鍵斷裂和分子鏈間相互滑移一一本質上是流動或塑性變形的累積。近代觀點：1裂縫擴展理論一一Griffith理論。2 .由于材料正切損耗一一疲勞發(fā)熱導致熱老化。三、纖維的疲勞壽命的影響因素3 .內因：a.提高材料內聚力b.提高材料模量和斷裂功c.提高纖維的彈性回復性能d.結構完整、減少缺陷.e.降低材料的內耗（tg S）4 .外界條件：a.溫度1nL=A/T+Bb.外力1nL=D-

47、Cff一應力振幅 、-bc.頻率L（t）= au時間壽命下降L（n）= a 丁疲勞次數(shù)壽命下降d.濕環(huán)境下疲勞壽命下降第六節(jié)其他力學性質一、沖擊性能許多紡織材料是在高速沖擊或高應變率條件下工作的，如防彈衣，頭盔，降落傘吊帶，高速縫紉線等。極高速沖擊紗線時，紗線尾部尚未產(chǎn)生位移而紗線已產(chǎn)生斷裂破壞，因為應變在試樣中傳遞速度C= Je / P , E材料彈性模量，p材料密度。當沖擊速度大于C時就會產(chǎn)生上述情況。為什么當槍彈射擊玻璃時，玻璃不碎，出現(xiàn)一彈孔？為什么芳綸可制成防彈衣？其原因都與應變在材料中的傳遞速度有關。彈射試驗中，V50指標的定義；V50越大，材料抗沖擊性能越好。二、纖維的力學各向異

48、性剛度常數(shù)一柔量常數(shù)CijSijoij = Cij j可=Sij oijQ以修正。如計算纖維的三、纖維的彎曲、扭轉和壓縮性能由材料力學基本公式，考慮纖維非正圓形截面而引入一截面形狀系數(shù)（彎曲剛度時：4圓形截面的彎曲剛度為Rf =（兀/ 64） Ed4非正圓形截面的彎曲剛度為Rf =（兀/ 64） Ed n重點討論問題一、力學模型的解題方法二、動態(tài)力學指標的物理概念與推導三、玻爾茨曼疊加原理第四章 纖維的電學性質概述 纖維的電學性質， 雖不如力學性質如此經(jīng)典。 導電和絕緣的功能，尤其是后者，在應用中為人們所關注。 材料的抗靜電性變得日益重要。在加工和使用中考慮。 在高技術纖維材料（ High-t

49、ech fibres ）中，纖維的導電，屏蔽，制振等功能，均涉及纖維的電學性質，如高導電纖維，抗靜電纖維，耐高壓擊穿材料，納米導電或制振纖維材料等。 尤其是白川英樹、MacDiarmid 和 Heeger 教授在導電高分子材料及其化學和物理研究中的開創(chuàng)性工作。 主要說清纖維材料的導電性能，介電性能和靜電特征三問題。第一節(jié) 纖維的導電性討論：纖維導電機理：影響纖維導電的因素；導電量表征與測量。一、纖維的導電機理1 纖維導電的一般形式： （物質的電傳導的基本方式） 電子導電：自由電子的定向運動，主要發(fā)生在金屬類物質中。 離子導電：電離離子的定向運動，這主要發(fā)生在電解溶液中或電離氣體中。 孤波傳導：

50、孤子或反孤子的換位移動產(chǎn)生的電荷轉移，主要發(fā)生在摻雜高聚物物質中。所謂導電是指帶電粒子（或截流子）的定向移動，即為導電。2 .電導公式。=N.q舉（4.1）3 .纖維的導電機理對纖維大分子來說，是共價鍵連接，無自由電子。電導率（7< 10-20以下，實際纖維電導率 Q10-13 / Qm,原因在于纖維不是純高分子物質，存在水分、雜質等低分子物質。電離的載流子在外界電場、 溫度和壓力作用下增多和導電。4 .纖維導電機理的證實電子導電的特點是：離子導電的特點是： 二、影響纖維導電性的因素從電導率公式電離離子數(shù)2.從電導率公式離子遷移速率N = 2n =2n01 . eE0/2kT ；(4.2

51、)2qa6kTexp(kT(4.3)3.雜質與空隙：雜質增加有利于增加可電離的粒子數(shù)n0,并可使N增加。而空隙的增加有二方面作用，一是通道；另一是空隙。溫度與濕度：相對溫度的作用：Hearle討論了纖維素纖維和羊毛與蠶絲，得出電阻的關系為：R與溫度T-d（log k）a-bM 。CT dT相對纖維含水的作用：同樣由Hearle的結果可得：(4.4)Rm M n = K(4.5)與相對濕度的關系：實驗結果可證明，相對濕度RH與質量比電阻存在下述關系:log Rm = -aRH b(4.6)三、纖維導電性的測量與表征1.表面比電阻（Surface Specific Resistance） SSR.

52、其定義為電流在通過纖維表面時，所呈現(xiàn)出的電阻值，用單位長度上加的電壓（電場強度 位寬度上流過的電流（電流線密度）的比值來表示。E）與單U /l chRs 一I /h l(4.7)從通常因素看纖維的結構因素：纖維的分子量或聚合度。纖維的聚集態(tài)結構。主要導電機制是離子導電。2.體積比電阻（Volume Specific Resistance） VSR.其定義為電流通過纖維體內時所呈現(xiàn)出的電阻值。用單位長度上施加的電壓（電場強度 面積內流過的電流（電流面密度）的比值來表示。- U /lS:VRvI /Sl由于幾何尺寸包括截面 S與長度l,又是材料體內導電性，故稱體積比電阻。E）與單位(4.8)3.質

53、量比電阻（Mass Specific Resistance） MSR在一定電場下，電流通過隨機排列的纖維集合體時，以單位線密度（tex）流過的電流所呈現(xiàn)出的電阻，稱為質量比電阻。其用體積比電阻PV和被測纖維的密度 丫乘積來表示。U /II /(W /I )：V (4.9)第二節(jié)纖維的介電性能纖維的介電性能是指在電場作用下束縛電荷運動的宏觀表現(xiàn)。其特征是外加電場作用下電介質的偶極化。在恒定電場作用下的介電性能，可用介電常數(shù) £來表示；而在交變電場作用下的動態(tài)介電性能可用復介電常數(shù)才來表示。一、介電常數(shù)材料的介電性通常用材料的介電系數(shù)（ 大多實用情況下，采用相對介電系數(shù)（Permitti

54、vity ） C來表示。介電系數(shù)可以用二種方式來定義。relativepermittivity ）來表示，其也常稱為介電常數(shù)（ dielectricconstant),CCoFo(4.10)l.介電常數(shù)定義介電常數(shù)是相對介電系數(shù), 電場中被極化的程度。是介質中的介電系數(shù)與真空的介電系數(shù)的比值。其本質上是反映材料在2.極化與介電性介電效應，是由于介質在電場中被極化而形成的。P = 0 (； -1) E(4.11)克勞修斯莫索蒂（Clausuis-Mosotti）方程:N ;一二或者3 0(4.12)3.介電常數(shù)的頻率特性在交變電場中：介電e與極化率a的關系應該為:;* 1 N;* 23-(“Fs 0(4.13)eE/kT為松弛時間，0200式中：花為頻率值趨向無窮大時的極化率；密為靜態(tài)電場時的極化率;為自振角頻率。顯然當:(4.14)(4.15)8=n2, n為纖維的