精品課程課件：紡織材料學-東華大學2

1、l了解纖維結構與性能關系，正確選擇和了解纖維結構與性能關系，正確選擇和 使用纖維；使用纖維；l通過各種途徑改變纖維結構，有效地改通過各種途徑改變纖維結構，有效地改 變纖維性能。變纖維性能。 纖維結構定義纖維結構定義是指組成纖維的結構單元相互作用達到平衡時在空間的幾何排列。纖維結構纖維結構 v大分子結構：化學組成、單基結構、端基組成、大分子結構：化學組成、單基結構、端基組成、 聚合度及其分布、大分子構象、大分子鏈柔曲性聚合度及其分布、大分子構象、大分子鏈柔曲性等等v聚集態(tài)結構：晶態(tài)、非晶態(tài)、結晶度、晶粒大小、聚集態(tài)結構：晶態(tài)、非晶態(tài)、結晶度、晶粒大小、取向度、側序分布等取向度、側序分布等v形態(tài)結

2、構：縱橫向幾何形態(tài)、徑向結構、表面結形態(tài)結構：縱橫向幾何形態(tài)、徑向結構、表面結構、孔洞結構等構、孔洞結構等 纖維的形態(tài)結構纖維的形態(tài)結構microscopic structure微形態(tài)結構：用電子顯微鏡能觀察到的結構，微形態(tài)結構：用電子顯微鏡能觀察到的結構，如：微纖、微孔、裂縫等；如：微纖、微孔、裂縫等；Features may be observed by electron microscope.lNatural fibers: distinct layerslManufactured and silk: uniform throughout except skin-core effectM

3、acrostructures:宏形態(tài)結構：用光學顯微鏡能觀察到的結構，宏形態(tài)結構：用光學顯微鏡能觀察到的結構，如：皮芯結構、截面形態(tài)等。如：皮芯結構、截面形態(tài)等。Features can be observed by optical microscope.lSurface contour/longitudinal formsmoothstriated convolutedserrated pittedlobed scalylCross-sectional area shaperoundkidney beantriangularflat dog-bonemulti-lobal棉纖維縱、橫截面棉纖

4、維縱、橫截面縱、橫截面縱、橫截面大麻纖維縱、橫截面大麻纖維縱、橫截面桑蠶絲縱、橫截面桑蠶絲縱、橫截面滌綸纖維縱、橫截面滌綸纖維縱、橫截面晴綸纖維縱、橫截面晴綸纖維縱、橫截面粘膠纖維縱、橫截面粘膠纖維縱、橫截面 紡織纖維除了無機纖維（玻纖、石棉纖紡織纖維除了無機纖維（玻纖、石棉纖維、金屬纖維）等外，絕大多數(shù)都是高維、金屬纖維）等外，絕大多數(shù)都是高分子化合物（即高聚物）分子化合物（即高聚物）, ,分子量很大。分子量很大。一、單基（鏈節(jié)）一、單基（鏈節(jié)） 1 1、定義：、定義： 構成纖維大分子的基本化學結構單元。構成纖維大分子的基本化學結構單元。 AAA AA AA AA AA A或或 AA(A)(

5、A)n nA A A A 單基；單基； AA、A A端基；端基； n n 聚合度；聚合度； 2 2、常用紡織纖維單基的化學組成：、常用紡織纖維單基的化學組成： l纖維素纖維：纖維素纖維： -葡萄糖剩基葡萄糖?；鵯蛋白質(zhì)纖維：蛋白質(zhì)纖維： -氨基酸剩基氨基酸?；鵯滌綸：對苯二甲酸乙二酯滌綸：對苯二甲酸乙二酯l錦綸：己內(nèi)酰胺錦綸：己內(nèi)酰胺l丙綸：丙烯丙綸：丙烯l腈綸：丙烯腈腈綸：丙烯腈l單基的化學結構、官能團的種類決定了單基的化學結構、官能團的種類決定了纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸濕、染色纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸濕、染色性等，單基中極性官能團的數(shù)量、極性性等，單基中極性官能團的數(shù)量、極性強弱對纖維

6、的性質(zhì)影響很大。強弱對纖維的性質(zhì)影響很大。 1) 1)定義：定義： 構成纖維大分子的單基的數(shù)目，或一個構成纖維大分子的單基的數(shù)目，或一個 大分子中的單基重復的次數(shù)（大分子中的單基重復的次數(shù)（n n）。）。 大分子的分子量單基的分子量大分子的分子量單基的分子量聚合度聚合度棉麻的聚合度很高棉麻的聚合度很高 ，成千，成千上萬；上萬；羊毛羊毛 n n576576； 蠶絲蠶絲 n n400400再生纖維素纖維再生纖維素纖維 300-600300-600滌綸滌綸 130130 晴綸晴綸 1000100015001500 維綸維綸 n n17001700 丙綸丙綸 n n310-430 310-430 一根

7、纖維中各個大分子的一根纖維中各個大分子的n n不盡相同，具有不盡相同，具有一定的分布一定的分布 高聚物大分子的多分散性。高聚物大分子的多分散性。lnnnn臨臨，纖維開始具有強力；，纖維開始具有強力；lnn，纖維強力，纖維強力（nn；大分子間的結；大分子間的結合鍵合鍵結合能量變大）；結合能量變大）；l但但n n增加至一定程度，強力趨于不變。增加至一定程度，強力趨于不變。ln n低時，一般來說，纖維的強度低些，濕低時，一般來說，纖維的強度低些，濕強度也低些，脆性明顯些強度也低些，脆性明顯些。 強度 P聚合度 n no 制造化纖時，要控制制造化纖時，要控制n n的大小的大小n n太小太小強度不好；強

8、度不好；n n太大太大紡絲困難紡絲困難ln n的分布：希望的分布：希望n n的分布集中些，分散度的分布集中些，分散度小些，這對纖維的強度，耐磨性、耐疲小些，這對纖維的強度，耐磨性、耐疲勞性、彈性都有好處。勞性、彈性都有好處。l制造化纖時，要控制制造化纖時，要控制n n的大小。的大小。ln n太小太小強度不好；強度不好；n n太大太大紡絲困紡絲困難。難。 纖維大分子的形狀由于單基的鍵接方式纖維大分子的形狀由于單基的鍵接方式的不同，可以分為三種構造形式：的不同，可以分為三種構造形式：l線型線型linearlinearl枝型枝型branchedbranchedl網(wǎng)型網(wǎng)型network(crossli

9、nkednetwork(crosslinked) )l大分子鏈中的單鍵能繞著它相鄰的鍵按大分子鏈中的單鍵能繞著它相鄰的鍵按一定鍵角旋轉，稱為鍵的內(nèi)旋轉。一定鍵角旋轉，稱為鍵的內(nèi)旋轉。l分子鏈由于圍繞單鍵內(nèi)旋轉而產(chǎn)生的原分子鏈由于圍繞單鍵內(nèi)旋轉而產(chǎn)生的原子在空間的不同排列形式稱為構象。子在空間的不同排列形式稱為構象。l紡織纖維大分子一般都呈卷曲著的構象。紡織纖維大分子一般都呈卷曲著的構象。 1) 1) 定義：指纖維大分子在一定條件下，定義：指纖維大分子在一定條件下，通過內(nèi)旋轉或振動而形成各種形狀的難通過內(nèi)旋轉或振動而形成各種形狀的難易程度的特性。易程度的特性。 單鍵的內(nèi)旋轉是大分子鏈產(chǎn)生柔曲性的

10、單鍵的內(nèi)旋轉是大分子鏈產(chǎn)生柔曲性的根源。對于高聚物而言，其中的大分子根源。對于高聚物而言，其中的大分子鏈的內(nèi)旋轉除了受分子內(nèi)原子或基團相鏈的內(nèi)旋轉除了受分子內(nèi)原子或基團相互影響外分子間作用力也有很大影響。互影響外分子間作用力也有很大影響。l主鏈上原子鏈彈性好，鏈節(jié)易繞主軸旋轉，主鏈上原子鏈彈性好，鏈節(jié)易繞主軸旋轉， 柔曲性柔曲性；l側鏈較少，鏈節(jié)易繞主軸旋轉，側鏈較少，鏈節(jié)易繞主軸旋轉，柔曲性柔曲性l主鏈四周側基分布對稱，鏈節(jié)易繞主軸旋主鏈四周側基分布對稱，鏈節(jié)易繞主軸旋 轉，轉，柔曲性柔曲性；l側基間（大分子間）作用力較少，鏈節(jié)易側基間（大分子間）作用力較少，鏈節(jié)易 繞主軸旋轉，繞主軸旋轉，

11、柔曲性柔曲性；l溫度溫度，內(nèi)旋轉加劇，大分子鏈柔曲性，內(nèi)旋轉加劇，大分子鏈柔曲性。l大分子的柔曲性是判斷高聚物彈性的主大分子的柔曲性是判斷高聚物彈性的主要條件之一，長鏈分子由于熱運動而變要條件之一，長鏈分子由于熱運動而變成彎曲形狀使高度柔曲性，這就是高聚成彎曲形狀使高度柔曲性，這就是高聚物產(chǎn)生彈性的原因。物產(chǎn)生彈性的原因。l柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長大，彈性較好，結構不易堆砌的十分密大，彈性較好，結構不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成結晶成結晶。小結：小結：l纖維大分子是由許多個纖維大分子是由許多個單

12、基單基通過通過共價鍵共價鍵連接而成連接而成的的線型大分子線型大分子。l纖維大分子分子量大，分子鏈長。纖維大分子分子量大，分子鏈長。l 纖維大分子的主鏈一般都具有一定的纖維大分子的主鏈一般都具有一定的內(nèi)旋轉內(nèi)旋轉自自由度，使大分子鏈具有一定的由度，使大分子鏈具有一定的柔曲性柔曲性。l由于熱運動，在不同條件下，纖維大分子的由于熱運動，在不同條件下，纖維大分子的構象構象可以不斷改變?？梢圆粩喔淖儭?一、大分子間作用力（次價鍵力）一、大分子間作用力（次價鍵力） 纖維大分子間的作用力與大分子鏈間的相對位纖維大分子間的作用力與大分子鏈間的相對位 置，鏈的形狀、大分子排列的密度及鏈的柔曲置，鏈的形狀、大分子

13、排列的密度及鏈的柔曲 性等有關。這種作用力使纖維中的大分子形成性等有關。這種作用力使纖維中的大分子形成 一種較穩(wěn)定的相對位置，或較牢固的結合，使一種較穩(wěn)定的相對位置，或較牢固的結合，使 纖維具有一定的物理機械性質(zhì)纖維具有一定的物理機械性質(zhì)。名稱名稱產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因特點特點范范得得華華力力定向力定向力產(chǎn)生于極性分子間，是由它們的永產(chǎn)生于極性分子間，是由它們的永久偶極矩作用而產(chǎn)生的久偶極矩作用而產(chǎn)生的作用能量作用能量3 35 5千卡千卡/ /克分克分子子 與溫度有關與溫度有關誘導力誘導力由相鄰分子間的誘導電動勢產(chǎn)生的，由相鄰分子間的誘導電動勢產(chǎn)生的，產(chǎn)生于極性分子與非極性分子之間產(chǎn)生于極性分子與非

14、極性分子之間1.51.53 3千卡千卡/ /克分克分子子 與溫度有關與溫度有關色散力色散力由相鄰原子上的電子云旋轉引起瞬由相鄰原子上的電子云旋轉引起瞬時的偶極矩而產(chǎn)生的。產(chǎn)生一切非時的偶極矩而產(chǎn)生的。產(chǎn)生一切非極性分子中。極性分子中。0.20.22 2千卡千卡/ /克分克分子子 與溫度無關與溫度無關氫鍵氫鍵大分子側基（或部分主鏈上）極性大分子側基（或部分主鏈上）極性基團之間的靜電吸引力（如基團之間的靜電吸引力（如NHNH， COOHCOOH，OHOH，CONHCONH等）等）能量能量1.31.310.210.2千卡千卡/ /克克分子距離分子距離2.32.33.23.2A A 與與溫度有關溫度有

15、關鹽式鍵鹽式鍵在部分大分子側基上，某些成對基在部分大分子側基上，某些成對基團之間接近時，產(chǎn)生能級躍遷的原團之間接近時，產(chǎn)生能級躍遷的原子轉移，從而基團間形成相互結合子轉移，從而基團間形成相互結合的化學鍵的化學鍵是化學鍵中作用力較弱是化學鍵中作用力較弱的一種，能量的一種，能量30305050千千卡卡/ /克分子克分子 化學鍵化學鍵少數(shù)纖維的大分子之間存在這橋式少數(shù)纖維的大分子之間存在這橋式側基。側基?；瘜W鍵化學鍵主要包括共價鍵、離主要包括共價鍵、離子鍵和金屬鍵子鍵和金屬鍵能量能量5050200200千卡千卡/ /克分克分子子 l四種結合力的能量大小：四種結合力的能量大?。夯瘜W鍵鹽式鍵氫鍵范得華力

16、化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力l四種結合力的作用距離：四種結合力的作用距離：化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力l范德華力范德華力 存在于一切分子之間的一種吸引力。 包括定向力、誘導力、色散力。 作用范圍小于1納米，作用能比化學鍵小1-2個數(shù)量級。l 氫鍵氫鍵 極性很強的X-H鍵上的氫原子，與另一個鍵上電負性很大的原子Y上的孤對電子相互吸引而形成的一種鍵（XHY)。 發(fā)生在分子極性基團之間的作用力。 鍵能與范德華力的數(shù)量級相同 紡織纖維中常見的氫鍵： OHO NH O NH N CH Nl鹽式鍵鹽式鍵 存在于部分纖維大分子間。 如羊毛、蠶絲大分子側基上的羧基（COOH）和氨基（NH 2

17、）可形成鹽式鍵 COO + H 3 N 鹽式鍵鍵能大于氫鍵，小于化學鍵 l 化學鍵化學鍵 網(wǎng)狀構造的大分子可由化學鍵構成交聯(lián)。 部分纖維，如羊毛和蠶絲的橋式側基中存在二硫鍵和（SS）酯鍵（CO） O纖維大分子主要是通過范德華力和氫鍵聚集在一起。分子間力的大小取決于： 1.單基化學組成（原子團多少、極性集 團數(shù)目、極性強弱） 2.聚合度 3.分子間距離二、聚集態(tài)結構聚集態(tài)結構 超分子結構（聚集態(tài)結構）超分子結構（聚集態(tài)結構）：具有一定構象的大分子鏈通過分子鏈間的作用力而相互排列、堆砌而成的結構。 纖維的超分子結構是在天然纖維的生長過程或化學纖維的紡絲成形及后加工過程中形成的。 l高聚物的基本性質(zhì)

18、取決于大分子結構，而實際高聚物材料或制品的使用性能則直接取決于在加工過程中形成的超分子結構（聚集態(tài)結構）。 1 1、結晶、結晶 Crystallinity （1 1）結晶區(qū)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的區(qū)域。）結晶區(qū)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的區(qū)域。（2 2）結晶態(tài)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的狀態(tài)。）結晶態(tài)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的狀態(tài)。（3 3）結晶度：纖維內(nèi)部結晶區(qū)占整個纖維的百分率。）結晶度：纖維內(nèi)部結晶區(qū)占整個纖維的百分率。（4 4）非晶態(tài)：纖維大分子無規(guī)律地亂排列的狀態(tài)。）非晶態(tài)：纖維大分子無規(guī)律地亂排列的狀態(tài)。（5 5）非晶區(qū)：纖維大分子無規(guī)律地亂排列的區(qū)域。）非晶區(qū)：纖維

19、大分子無規(guī)律地亂排列的區(qū)域。Crystalline regions: adjacent polymers are packed with spatial orderAmorphous regions: no spatial orderl 重量結晶度：纖維內(nèi)結晶區(qū)的重重量結晶度：纖維內(nèi)結晶區(qū)的重量占纖維總重量的百分率。量占纖維總重量的百分率。l 體積結晶度：纖維內(nèi)結晶區(qū)的體體積結晶度：纖維內(nèi)結晶區(qū)的體積占纖維總體積的百分率積占纖維總體積的百分率。 1) 1)大分子鏈段排列規(guī)整大分子鏈段排列規(guī)整 2)2)結構緊密，縫隙，孔洞較少結構緊密，縫隙，孔洞較少 3)3)相互間結合力強，互相接近的基團結合力

20、飽和相互間結合力強，互相接近的基團結合力飽和 結晶度結晶度 纖維的拉伸強度、初始模量、纖維的拉伸強度、初始模量、 硬度、硬度、尺寸穩(wěn)定性、密度尺寸穩(wěn)定性、密度，纖維的吸濕性、染料吸著，纖維的吸濕性、染料吸著性、潤脹性、柔軟性、化學活潑性性、潤脹性、柔軟性、化學活潑性。 1)1)大分子鏈段排列混亂，無規(guī)律；大分子鏈段排列混亂，無規(guī)律；2)2)結構松散，有較多的縫隙，孔洞；結構松散，有較多的縫隙，孔洞；3)3)相互間結合力小，互相接近的基團結合力沒相互間結合力小，互相接近的基團結合力沒 飽和。飽和。 結晶度結晶度纖維吸濕性纖維吸濕性；容易染色；拉伸強；容易染色；拉伸強度較小，變形較大，纖維較柔軟，

21、耐沖擊性，度較小，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊性，彈性有所改善，密度較小，化學反應性比較活彈性有所改善，密度較小，化學反應性比較活潑潑 。 1) 1)定義：指大分子或鏈段等各種不同結構單元定義：指大分子或鏈段等各種不同結構單元 包括微晶體沿纖維軸規(guī)則排列程度。包括微晶體沿纖維軸規(guī)則排列程度。Highly oriented: large proportion of polymer chains are aligned with the fiber axis 結晶與取向是兩個概念，結晶度大不一定取向度高，結晶與取向是兩個概念，結晶度大不一定取向度高，取向應包括微晶體的取向。除了卷繞絲，一般說來，取

22、向應包括微晶體的取向。除了卷繞絲，一般說來，結晶度高，取向度也高。結晶度高，取向度也高。 2)2)取向度與纖維性能間的關系：取向度與纖維性能間的關系： 纖維的取向度大，大分子可能承受的軸纖維的取向度大，大分子可能承受的軸向拉力也大，拉伸強度較大，伸長較小，向拉力也大，拉伸強度較大，伸長較小，模量較高，光澤教好，各向異性明顯模量較高，光澤教好，各向異性明顯 。微形態(tài)結構：微形態(tài)結構：用電子顯微鏡能觀測到用電子顯微鏡能觀測到的結構。如微纖，微孔，裂縫等的結構。如微纖，微孔，裂縫等宏形態(tài)結構：用光學顯微鏡能觀測到的宏形態(tài)結構：用光學顯微鏡能觀測到的結構。如皮芯結構，表面形態(tài)等結構。如皮芯結構，表面形

23、態(tài)等。l形態(tài)結構與纖維性質(zhì)密切相關形態(tài)結構與纖維性質(zhì)密切相關 抱合力、可紡性、摩擦性能、粘合性、抱合力、可紡性、摩擦性能、粘合性、光澤、手感、保暖性、吸濕性光澤、手感、保暖性、吸濕性一、纖維素纖維的大分子結構一、纖維素纖維的大分子結構纖維素大分子的基本鏈結是纖維素大分子的基本鏈結是- -葡萄糖?；Ｆ咸烟鞘；?纖維素纖維大分子中纖維素二糖由相鄰纖維素纖維大分子中纖維素二糖由相鄰2 2個葡萄糖?；聪?qū)ΨQ、一正一反連接個葡萄糖?；聪?qū)ΨQ、一正一反連接而成，它的空間結構屬于椅式結構：而成，它的空間結構屬于椅式結構： 結晶結構的最小單元（晶胞）是由五個結晶結構的最小單元（晶胞）是由五個平行排列的

24、纖維素大分子在兩個氧六環(huán)平行排列的纖維素大分子在兩個氧六環(huán)的一段上組成的一段上組成：1 1、棉纖維的形態(tài)結構、棉纖維的形態(tài)結構 棉纖維由外向內(nèi)是由初生層、次生層和棉纖維由外向內(nèi)是由初生層、次生層和中腔三個部分組成中腔三個部分組成：（1 1）初生層）初生層 其外皮是一層極薄的蠟質(zhì)與果膠的淀積其外皮是一層極薄的蠟質(zhì)與果膠的淀積層，外層之內(nèi)是纖維的初生胞壁。一般層，外層之內(nèi)是纖維的初生胞壁。一般認為初生胞壁由原纖呈網(wǎng)狀結構組成。認為初生胞壁由原纖呈網(wǎng)狀結構組成。初生層很薄，纖維素含量不多。初生層很薄，纖維素含量不多。（2 2）次生層）次生層 次生胞壁占棉纖維的絕大部分。它在棉次生胞壁占棉纖維的絕大部

25、分。它在棉纖維生長期間由外向內(nèi)逐漸分層沉淀，纖維生長期間由外向內(nèi)逐漸分層沉淀，形成日輪。次生胞壁也分為三層：外層形成日輪。次生胞壁也分為三層：外層S S1 1，中層，中層S S2 2，內(nèi)層，內(nèi)層S S3 3。（3 3）中腔）中腔 棉纖維的中空部分，其內(nèi)留有少數(shù)原生棉纖維的中空部分，其內(nèi)留有少數(shù)原生質(zhì)和細胞核殘余，它對棉纖維顏色有影質(zhì)和細胞核殘余，它對棉纖維顏色有影響響。 棉纖維成熟后截面呈腰圓形，次生胞壁棉纖維成熟后截面呈腰圓形，次生胞壁各個位置上的密度發(fā)生變化，微原纖的各個位置上的密度發(fā)生變化，微原纖的集積方式也要隨之改變，因此原纖的膨集積方式也要隨之改變，因此原纖的膨化能力和試劑的可及性都

26、不一樣化能力和試劑的可及性都不一樣。l麻纖維成束聚集生長在植物的韌皮部或麻纖維成束聚集生長在植物的韌皮部或葉中。單纖維是管狀的植物細胞，兩端葉中。單纖維是管狀的植物細胞，兩端封閉。纖維之間用果膠相粘接，經(jīng)脫膠封閉。纖維之間用果膠相粘接，經(jīng)脫膠后纖維分離。后纖維分離。l麻纖維具有初生層，次生層和第三層，麻纖維具有初生層，次生層和第三層，其內(nèi)纖維素分層沉積，纖維素大分子也其內(nèi)纖維素分層沉積，纖維素大分子也將集成原纖結構將集成原纖結構。l粘膠纖維中纖維素大分子聚集成微原纖，原纖粘膠纖維中纖維素大分子聚集成微原纖，原纖和聚原纖再形成纖維；和聚原纖再形成纖維；l粘膠纖維部分初生層和次生層，沒有粘膠纖維部

27、分初生層和次生層，沒有“日輪日輪”層。但有皮芯結構和鋸齒形截面；層。但有皮芯結構和鋸齒形截面；l一般而言，皮芯層凝固速度差別越大，截面形一般而言，皮芯層凝固速度差別越大，截面形狀越不規(guī)則，皮層與芯層相比，具有較小的結狀越不規(guī)則，皮層與芯層相比，具有較小的結晶區(qū)和無定形區(qū)，結構比較均一，溶脹性較小，晶區(qū)和無定形區(qū)，結構比較均一，溶脹性較小，可能存在亞纖維管空隙，密度較小，取向度較可能存在亞纖維管空隙，密度較小，取向度較高高。一、蛋白質(zhì)纖維的大分子結構一、蛋白質(zhì)纖維的大分子結構 蛋白質(zhì)大分子的基本鏈節(jié)是蛋白質(zhì)大分子的基本鏈節(jié)是-氨基酸氨基酸?；揽侩逆I連結而成，其化學結構是?；揽侩逆I連結而成，其化學結構是如下圖。如下圖。lR R基團不同形成的基團不同形成的-氨基酸也不同，有氨基酸也不同，有酸性，堿性和中性