紡織材料學(xué)_纖維的細度

1、第二章第二章 紡織纖維的形態(tài)及基本性質(zhì)紡織纖維的形態(tài)及基本性質(zhì)本章知識點本章知識點 1.纖維的細度、長度、長度分布、卷曲及拉伸強度指標(biāo)的定義2.異形截面纖維的特征與指標(biāo)。 3.纖維細度、長度指標(biāo)與可紡性及紡織品性能的關(guān)系。 4.纖維的回潮率、公定回潮率以及吸濕機理，吸濕性對性能的影響。第一節(jié)第一節(jié) 纖維的細度及其分布纖維的細度及其分布 纖維細度是指纖維粗細的程度纖維細度是指纖維粗細的程度。 一、纖維的細度表征一、纖維的細度表征 纖維的細度指標(biāo)有直接和間接兩種。 直接指標(biāo)是纖維粗細的指標(biāo)，一般用纖維的直徑和截面積表示，適于圓形纖維。 間接指標(biāo)是以纖維質(zhì)量或長度確定，即所具有的質(zhì)量（定長制）或長度

2、（定重制）表示，無截面形態(tài)限制。定長制有纖度或稱旦數(shù)(Den)和線密度或稱特數(shù)(tex)、分特數(shù)(dtex)；定重制有公制支數(shù)。 1 1分特數(shù)分特數(shù)Ndt (dtex)Ndt (dtex) 我國法定的線密度單位為特克斯（tex），簡稱特，表示千米長的纖維或紗線在公定回潮率時的質(zhì)量克數(shù)。而為規(guī)范應(yīng)用于纖維，采用更細的分特（dtex）表達，即萬米長的纖維所具有的質(zhì)量克數(shù)，為1/10特。特的計算為： L1000ktGNLGNkdt10000 2 2旦數(shù)旦數(shù)NDND 旦數(shù)即旦尼爾數(shù)（Denier），較多地用于絲和化纖長絲中，又稱纖度。是指9000m長的纖維在公定回潮率時的質(zhì)量克數(shù)，即 dtkD109L

3、9000GNN 3 3公制支數(shù)公制支數(shù)NmNm 公制支數(shù)簡稱支數(shù)，是指在公定回潮率時1g纖維或紗線所具有的長度米(m)數(shù)，即 dtkm10000LNGN 4 4直徑與截面積直徑與截面積 通過光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡觀測直徑d和截面積A，常用于羊毛及其他動物毛，圓形化學(xué)纖維的細度表達。由于纖維很細，以微米為單位，近似圓形的計算為纖維直徑d可用于長絲線密度的計算。設(shè)纖維的密度為（g/cm3），則 N89.119104DD3Nd28.11104Ddt2NN28.111104mm6NN42dA 可以看出纖維細度值相同時，其的直徑可能不同，即有纖維密度的影響。其間換算為 式中，下標(biāo)1，2表示兩種不同的纖維

4、。1221dd 二、纖維細度不勻指標(biāo)二、纖維細度不勻指標(biāo) 纖維的細度不勻主要包括二層含義，一是纖維之間的粗細不勻，一是纖維本身沿長度方向上的粗細不勻。以往的表達，較多地關(guān)注纖維間的不勻，甚至更嚴(yán)格地說是纖維集合體之間的不勻，因為習(xí)慣采用的指標(biāo)是平均概念的“細度”。纖維如此細小，幾乎無人去一段段地切開、稱重，完成細度的測量。 現(xiàn)代光電和圖像分析測量方法提供了對單根纖維間細度（直徑）不勻的測量，如光學(xué)纖維直徑分析儀(OFDA)和激光纖維直徑分析儀(SiroLan- LaserScan)。甚至可以測量單根纖維內(nèi)的直徑不勻，即纖維的輪廓，如單纖維分析儀（SIFAN）。遠非過去切斷稱重、氣流儀等的測量，

5、只能給出纖維平均細度，無法給出纖維的細度不勻。 1 1細度不勻的概念細度不勻的概念 （1）對天然纖維 天然纖維在生長過程中，因為自然環(huán)境和各方面因素的影響，生長的纖維在粗細、形態(tài)上存在很大的差異。同一棉包的棉纖維，因胞壁厚度、生長部位的不同而粗細不同；同一根棉纖維還兩端細、中段粗并截面形態(tài)變化。 同一毛包的毛纖維，不僅纖維間因在羊體上的生長部位不同而粗細不同（變異系數(shù)達2035%），而且單纖維因生長季節(jié)和營養(yǎng)的影響也會有明顯的粗細差異（粗細差異可達310），并且有截面形態(tài)的變化。 蠶絲本身粗細差異在總長度上較為明顯，繭外層和內(nèi)層的絲較細，中間主繭層的絲相比較粗，由于繅絲的合并，均勻性較好。 麻

6、纖維的粗細差異更大，不僅單纖維的粗細差異大（變異系數(shù)達3040%），而且工藝?yán)w維因分離的隨機性粗細差異更大。 應(yīng)該說對纖維粗細不勻的表征，只有毛做得較好?？赡苁且驗槠渲睆胶椭睆讲粍蛱珵橹匾?。棉、麻、絲都未有很好的測量分析。 （2）對化學(xué)纖維 化纖短纖維與天然纖維一樣，甚至更糟，很少表達細度不勻。因為一方面其被認為細度均勻性比天然纖維好（一般CVd 1500根，即1.52mg的試樣，n小了，試樣代表性差， n大了點數(shù)的出錯和花時要增加。盡管如此，該方法卻是其他間接指標(biāo)測量方法的校驗基礎(chǔ)。 2 2直徑測量法直徑測量法 直接指標(biāo)直徑的測量是發(fā)展較快的，主要為國外的工作?；痉绞竭€是傳統(tǒng)的顯微觀測，只

7、是容入了試樣自動移動、光電信號轉(zhuǎn)換、圖像處理和計算機技術(shù)。 （1）傳統(tǒng)的顯微鏡觀測法 此方法又稱為顯微鏡投影測量法，多用于圓形或近圓形纖維直徑的測量，源于近圓形羊毛纖維的測量。其原理是通過普通光學(xué)顯微鏡加投影棱鏡，使纖維形態(tài)放大投影在平面上。 由專用的標(biāo)尺卡量纖維的直徑，并計數(shù)根數(shù)ni，滿300根以上后，計算直徑均方差不勻率CVd。 而CCD攝像器和計算機相聯(lián)的顯微鏡可以方便地在電腦屏幕上進行人工測量和計算機自動測量與計算，得到纖維直徑的各類指標(biāo)，如、CVd、D、d等，以及直徑分布圖。只是速度較慢，人工干預(yù)較多。光學(xué)顯微鏡法盡管操作繁雜，改進后有所改觀，但其基本原理和方法是其他直接指標(biāo)測量的基

8、礎(chǔ)，并成為其他方法或計算機圖像處理結(jié)果的校準(zhǔn)方法。 2）OFDA法 1991年前，瑞士Peyer公司和澳大利亞新南威爾士大學(xué)共同開發(fā)的“光學(xué)纖維直徑分析儀OFDA（Optical Fiber Diameter Analyser）”是當(dāng)今此類產(chǎn)品的元祖?，F(xiàn)有OFDA 100型儀器，功能和性能都有提高。 OFDA不僅可以測定羊毛及其它動物纖維的平均直徑及直徑分布，還可測定髓腔纖維含量、纖維彎曲度、纖維清潔度及纖維直徑不勻等指標(biāo)（圖3-18）。 除了OFDA 100型儀器外，OFDA 2000和OFDA 4000型儀器也開始使用。 OFDA測量的基本原理與光學(xué)顯微鏡測量測量一樣，只是試樣可自動分離散

9、落、試樣臺可自動x，y方向順序移動和快速復(fù)位，計算機配備專門軟件、快速識別、分離和測量纖維直徑和卷曲，給出纖維直徑分布圖及各指標(biāo)。不僅快速（min）、大樣本（2000根）、準(zhǔn)確、干擾因素少，而且適合于幾乎所有的纖維。是目前羊毛直徑檢測中IWTO的標(biāo)準(zhǔn)方法。 圖圖3-18 OFDA100測量儀測量儀 （3）激光纖維直徑測量法 20世紀(jì)70年代，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究組織（CSIRO）羊毛技術(shù)研究所應(yīng)用激光技術(shù)對羊毛纖維直徑進行了實用性、儀器化的測量，推出了纖維細度分析儀。目前商品化的是Sirolan-Laserscan激光掃描纖維直徑分析儀，為澳大利亞羊毛檢驗局（AWTA）羊毛直徑分析儀的專用

10、儀器?？捎糜诶w維直徑、變異系數(shù)、卷曲率、粗纖維含量，以及直徑分布圖的測量。 基本原理如圖3-13，是分散的纖維段在液體的帶動下，經(jīng)過一毛細管時平行管軸移動，利用纖維段對激光的遮擋量給出纖維的直徑?？稍?min內(nèi)測量“有效纖維”根數(shù)4000根以上，給出直徑分布圖。盡管測量中由纖維交疊、或垂直影響測量準(zhǔn)確性，但通過剔除，即只測“有效纖維”來回避，以大樣本概率達到精準(zhǔn)，故在羊毛中為IWTO采納的標(biāo)準(zhǔn)測量方法。由于使用異丙醇分散液，對化纖測量可能存在溶解或溶脹，一般專用于毛發(fā)類纖維。 纖維樣品 激光 泵 二級過 濾器 纖維 分散 容器 測量 傳感器 纖維 光電識別器 透鏡 異丙醇 測量 單元 過濾器

11、信號 處理 電路 計算機 參考 傳感器 微孔 分光 裝置 分束 器 圖圖3-19 激光掃描纖維直徑測量原理圖激光掃描纖維直徑測量原理圖 氣流儀很早就用于棉纖維細度的測量，是一種快速、簡便、精確的測量方法。基本原理如圖3-20所示，是依據(jù)氣流通過纖維塞時，兩端的壓力差，或氣流的流量Q與纖維塞的氣阻R有關(guān) 。而氣阻R又與纖維塞的填充率和所填充纖維的粗細d有關(guān)，即與纖維間的氣流通道大?。ɡw維塞的空隙率）和通道表面積S0有關(guān)。 L Q P0 QPR M, SS, K () Q P 圖圖3-20 氣流儀測量纖維細度原理示意圖氣流儀測量纖維細度原理示意圖 流儀測量可采用定壓差測流量（定壓法）或定流量測壓差

12、（定流法）來表達纖維集合體中纖維的平均細度值，但不能表達單根纖維的粗細。常用的方法是定壓法，典型的代表Wira的纖維密度儀和Micronaire儀，已有60年的歷史，但仍為標(biāo)準(zhǔn)方法，用于企業(yè)的棉、毛纖維細度的快速評價。由其測定的原棉細度為馬克隆尼值M，接近線密度值（），這是HVI系統(tǒng)測細度和成熟度的原模型。而氣流儀法在纖維原料流通領(lǐng)域中已逐漸被HVI、OFDA和LaserScan所取代。 4 4振動測量法振動測量法 振動法測纖維細度也有歷史了。主要適用于圓形，長度較長（30mm）的化學(xué)纖維。由于測量時必須加張力，故能適合于高卷曲纖維細度的測量。其原理如圖3-21，就是一個琴弦結(jié)構(gòu)。通過撥動被測

13、纖維這根弦，使其產(chǎn)生振動，其固有振動頻率與弦（纖維）的線密度nt以及弦長L和弦的繃緊張力T符合一定關(guān)系。 由此，纖維的線密度可測得。如果與拉伸性能同測，將能獲得該纖維的確切應(yīng)力值。但該法是假設(shè)纖維為均勻粗細的圓形纖維，故纖維形態(tài)和粗細變化將會影響測量結(jié)果。圖圖3-21 振動（撥弦）法測纖維細度原理示意圖振動（撥弦）法測纖維細度原理示意圖 四、纖維細度及其不勻表征的意義四、纖維細度及其不勻表征的意義 1 1基本現(xiàn)狀基本現(xiàn)狀 應(yīng)該說對已有四類方法的應(yīng)用，棉纖維較多地采用氣流儀法，其次為切斷稱重法；毛纖維幾乎采用OFDA和LaserScan方法，其次為顯微鏡法和氣流儀法；麻纖維為切斷稱重法，其次套用

14、顯微鏡法或OFDA法；絲纖維大多為絞絲稱重法（類切斷稱重），其次顯微鏡法；化纖短纖根據(jù)毛型、棉型分別采用各自纖維在紡織加工工藝體系中的測量方法，即上述，偶爾采用振動法測量；化纖長絲一般用絞絲稱重，或顯微鏡法，其次為振動法。顯然，麻、絲的細度測量是落后原始的。 已有四類方法基本上是圍繞纖維平均細度的概念進行的測量。顯然，光學(xué)顯微法、OFDA法、LaserScan法，甚至將切斷長度Lc或自振長度L減少至幾毫米，亦是纖維的或纖維束間的細度不勻。 而對于一根纖維的縱向輪廓的測量，對實際加工可能意義不大，但對纖維的可加工性和最終產(chǎn)品的外觀有影響，尤其是對高性能纖維的性質(zhì)和高支紗的外觀粗細影響甚大。這需要

15、纖維縱向輪廓的快速與精細測量。 雖然四類方法都能給出纖維的細度，但對纖維截面形態(tài)的表達卻十分乏力，或干脆限制在圓形纖維或等效為圓形?？焖佟?zhǔn)確，尤其是快速地測量纖維形態(tài)，則細度及細度不勻也就測量完畢。 2 2細度及其不勻?qū)w維集合體性細度及其不勻?qū)w維集合體性質(zhì)的影響質(zhì)的影響 纖維細度及其不勻雖是幾何尺度的概念，但對其本身和其集合體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)會產(chǎn)生多種影響。 （1）對纖維本身 纖維的粗細將影響其比表面積，進而影響纖維的吸附性能和染色性質(zhì)。纖維直徑d愈小，SS愈大，可及的表面積愈多，但可接觸點愈微小。 因此，纖維變細，連續(xù)介質(zhì)的可及性增大，單纖維變得易于吸、放濕和吸附染料，易于被加熱和冷卻，但

16、單向機械接觸因接觸點的變小和變少，接觸變得更溫和與柔性。 纖維變細還將影響反光面的曲率，形成更多的光散射，而內(nèi)部的多次折射、反射，又使纖維乳白化。纖維變粗，將使纖維的彎曲剛度增大，點接觸面積增大，纖維變得剛硬和觸感粘澀、偏冷。 更有趣的，纖維變粗會使纖維內(nèi)外層的結(jié)構(gòu)差異變大，造成纖維力學(xué)性質(zhì)的不均勻和纖維成形的異形化；或加工過程冷卻過慢而引起的異形截面形態(tài)的圓鈍化。纖度變細，可及性增大，成形后的結(jié)構(gòu)均勻性增大，纖維的力學(xué)性能提高，如碳纖維愈細、平均強度愈高，8的34GPa，56的57GPa。拉伸羊毛直徑從19變?yōu)?6，強度提高510%。纖維變細易于成形凝固，形態(tài)不易鈍化，但也引起對加工穩(wěn)定性和

17、精度的更高要求。 對纖維細度不勻來說，纖維間的細度不同，會引起纖維力學(xué)性質(zhì)的差異，形成集合體（紗線）堆砌排列的不均勻和加工控制及成形的困難；纖維內(nèi)細度的不同，會產(chǎn)生纖維形態(tài)的粗細變化，直接導(dǎo)致纖維的細頸弱節(jié)，影響外觀和品質(zhì)，甚至影響最終的使用。 （2）對紗線 纖維粗，單位截面內(nèi)的纖維根數(shù)減少，堆砌松、接觸點少，會引起紡紗的斷頭和加工困難；纖維細，紗截面中的纖維根數(shù)增加，有利于纖維間的相互接觸和紗條均勻性的增加，使纖維的可紡性提高，但纖維易彎曲、纏繞和混亂排列，使紗的結(jié)構(gòu)膨松，有序性下降。 從紗線可紡性的經(jīng)驗可知，纖維長度L越長、纖維細度ND越細、紗線截面中纖維根數(shù)n越多，纖維自身的細度不勻CV

18、d越小，可紡性S越好。 （3）對織物 不同細度尺度纖維會極大地影響織物的手感、透通性和舒適性，影響見表3-4所列。 表3-4中的計算，除納米尺度是以納米定義先定粗細尺度1100nm，即0.0010.1mm，再以纖維密度取值1.52.5g/cm3計算纖維的細密度范圍，因為納米尺度纖維材料有高性能碳、陶瓷類纖維，故纖維密度范圍取1.52.5g/cm3。其他均以一般線密度范圍， 0.91.6 g/cm3，計算纖維的直徑范圍。 由表中線密度（間接）和直徑（直接）指標(biāo)可以看出，由于纖維密度的影響，纖維幾何粗細有在變。而且不同細度纖維所提供給織物的性能和功能都不同，較細纖維制成的織物透氣、透濕而防風(fēng)、防水，如同皮革一樣。而且可提供膨松多孔的保暖、隔熱材料。通過表面起毛，還可制造觸感柔軟、溫暖的麂皮絨效果的面料。纖維細度種類線密度（dtex） 直徑（mm）性能特征細旦0.892.28.4117.7柔軟