紡織材料學(xué)_纖維的細(xì)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(shí)點(diǎn)本章知識(shí)點(diǎn) 1.纖維的細(xì)度、長度、長度分布、卷曲及拉伸強(qiáng)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(xì)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(jī)理，吸濕性對(duì)性能的影響。第一節(jié)第一節(jié) 纖維的細(xì)度及其分布纖維的細(xì)度及其分布 纖維細(xì)度是指纖維粗細(xì)的程度纖維細(xì)度是指纖維粗細(xì)的程度。 一、纖維的細(xì)度表征一、纖維的細(xì)度表征 纖維的細(xì)度指標(biāo)有直接和間接兩種。 直接指標(biāo)是纖維粗細(xì)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?cái)?shù)(tex)、分特?cái)?shù)(dtex)；定重制有公制支數(shù)。 1 1分特?cái)?shù)分特?cái)?shù)Ndt (dtex)Ndt (dtex) 我國法定的線密度單位為特克斯（tex），簡(jiǎn)稱特，表示千米長的纖維或紗線在公定回潮率時(shí)的質(zhì)量克數(shù)。而為規(guī)范應(yīng)用于纖維，采用更細(xì)的分特（dtex）表達(dá)，即萬米長的纖維所具有的質(zhì)量克數(shù)，為1/10特。特的計(jì)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(shí)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(jiǎn)稱支數(shù)，是指在公定回潮率時(shí)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(cè)直徑d和截面積A，常用于羊毛及其他動(dòng)物毛，圓形化學(xué)纖維的細(xì)度表達(dá)。由于纖維很細(xì)，以微米為單位，近似圓形的計(jì)算為纖維直徑d可用于長絲線密度的計(jì)算。設(shè)纖維的密度為（g/cm3），則 N89.119104DD3Nd28.11104Ddt2NN28.111104mm6NN42dA 可以看出纖維細(xì)度值相同時(shí)，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(xì)度不勻指標(biāo)二、纖維細(xì)度不勻指標(biāo) 纖維的細(xì)度不勻主要包括二層含義，一是纖維之間的粗細(xì)不勻，一是纖維本身沿長度方向上的粗細(xì)不勻。以往的表達(dá)，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?yàn)榱?xí)慣采用的指標(biāo)是平均概念的“細(xì)度”。纖維如此細(xì)小，幾乎無人去一段段地切開、稱重，完成細(xì)度的測(cè)量。 現(xiàn)代光電和圖像分析測(cè)量方法提供了對(duì)單根纖維間細(xì)度（直徑）不勻的測(cè)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(cè)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(yuǎn)非過去切斷稱重、氣流儀等的測(cè)量，

5、只能給出纖維平均細(xì)度，無法給出纖維的細(xì)度不勻。 1 1細(xì)度不勻的概念細(xì)度不勻的概念 （1）對(duì)天然纖維 天然纖維在生長過程中，因?yàn)樽匀画h(huán)境和各方面因素的影響，生長的纖維在粗細(xì)、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(xì)不同；同一根棉纖維還兩端細(xì)、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(xì)不同（變異系數(shù)達(dá)2035%），而且單纖維因生長季節(jié)和營養(yǎng)的影響也會(huì)有明顯的粗細(xì)差異（粗細(xì)差異可達(dá)310），并且有截面形態(tài)的變化。 蠶絲本身粗細(xì)差異在總長度上較為明顯，繭外層和內(nèi)層的絲較細(xì)，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(xì)差異更大，不僅單纖維的粗細(xì)差異大（變異系數(shù)達(dá)3040%），而且工藝?yán)w維因分離的隨機(jī)性粗細(xì)差異更大。 應(yīng)該說對(duì)纖維粗細(xì)不勻的表征，只有毛做得較好?？赡苁且?yàn)槠渲睆胶椭睆讲粍蛱珵橹匾?。棉、麻、絲都未有很好的測(cè)量分析。 （2）對(duì)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(dá)細(xì)度不勻。因?yàn)橐环矫嫫浔徽J(rèn)為細(xì)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(diǎn)數(shù)的出錯(cuò)和花時(shí)要增加。盡管如此，該方法卻是其他間接指標(biāo)測(cè)量方法的校驗(yàn)基礎(chǔ)。 2 2直徑測(cè)量法直徑測(cè)量法 直接指標(biāo)直徑的測(cè)量是發(fā)展較快的，主要為國外的工作。基本方式還是傳統(tǒng)的顯微觀測(cè)，只

7、是容入了試樣自動(dòng)移動(dòng)、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)。 （1）傳統(tǒng)的顯微鏡觀測(cè)法 此方法又稱為顯微鏡投影測(cè)量法，多用于圓形或近圓形纖維直徑的測(cè)量，源于近圓形羊毛纖維的測(cè)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(jì)數(shù)根數(shù)ni，滿300根以上后，計(jì)算直徑均方差不勻率CVd。 而CCD攝像器和計(jì)算機(jī)相聯(lián)的顯微鏡可以方便地在電腦屏幕上進(jìn)行人工測(cè)量和計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與計(jì)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(jìn)后有所改觀，但其基本原理和方法是其他直接指標(biāo)測(cè)量的基

8、礎(chǔ)，并成為其他方法或計(jì)算機(jī)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(cè)定羊毛及其它動(dòng)物纖維的平均直徑及直徑分布，還可測(cè)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(cè)量的基本原理與光學(xué)顯微鏡測(cè)量測(cè)量一樣，只是試樣可自動(dòng)分離散

9、落、試樣臺(tái)可自動(dòng)x，y方向順序移動(dòng)和快速復(fù)位，計(jì)算機(jī)配備專門軟件、快速識(shí)別、分離和測(cè)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(cè)中IWTO的標(biāo)準(zhǔn)方法。 圖圖3-18 OFDA100測(cè)量儀測(cè)量儀 （3）激光纖維直徑測(cè)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(duì)羊毛纖維直徑進(jìn)行了實(shí)用性、儀器化的測(cè)量，推出了纖維細(xì)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(yàn)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(cè)量。 基本原理如圖3-13，是分散的纖維段在液體的帶動(dòng)下，經(jīng)過一毛細(xì)管時(shí)平行管軸移動(dòng)，利用纖維段對(duì)激光的遮擋量給出纖維的直徑?？稍?min內(nèi)測(cè)量“有效纖維”根數(shù)4000根以上，給出直徑分布圖。盡管測(cè)量中由纖維交疊、或垂直影響測(cè)量準(zhǔn)確性，但通過剔除，即只測(cè)“有效纖維”來回避，以大樣本概率達(dá)到精準(zhǔn)，故在羊毛中為IWTO采納的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。由于使用異丙醇分散液，對(duì)化纖測(cè)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(jí)過 濾器 纖維 分散 容器 測(cè)量 傳感器 纖維 光電識(shí)別器 透鏡 異丙醇 測(cè)量 單元 過濾器

11、信號(hào) 處理 電路 計(jì)算機(jī) 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(cè)量原理圖激光掃描纖維直徑測(cè)量原理圖 氣流儀很早就用于棉纖維細(xì)度的測(cè)量，是一種快速、簡(jiǎn)便、精確的測(cè)量方法?；驹砣鐖D3-20所示，是依據(jù)氣流通過纖維塞時(shí)，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(xì)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(cè)量纖維細(xì)度原理示意圖氣流儀測(cè)量纖維細(xì)度原理示意圖 流儀測(cè)量可采用定壓差測(cè)流量（定壓法）或定流量測(cè)壓差

12、（定流法）來表達(dá)纖維集合體中纖維的平均細(xì)度值，但不能表達(dá)單根纖維的粗細(xì)。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(xì)度的快速評(píng)價(jià)。由其測(cè)定的原棉細(xì)度為馬克隆尼值M，接近線密度值（），這是HVI系統(tǒng)測(cè)細(xì)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(dòng)測(cè)量法振動(dòng)測(cè)量法 振動(dòng)法測(cè)纖維細(xì)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(cè)量時(shí)必須加張力，故能適合于高卷曲纖維細(xì)度的測(cè)量。其原理如圖3-21，就是一個(gè)琴弦結(jié)構(gòu)。通過撥動(dòng)被測(cè)

13、纖維這根弦，使其產(chǎn)生振動(dòng)，其固有振動(dòng)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(cè)得。如果與拉伸性能同測(cè)，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(xì)的圓形纖維，故纖維形態(tài)和粗細(xì)變化將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。圖圖3-21 振動(dòng)（撥弦）法測(cè)纖維細(xì)度原理示意圖振動(dòng)（撥弦）法測(cè)纖維細(xì)度原理示意圖 四、纖維細(xì)度及其不勻表征的意義四、纖維細(xì)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(duì)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(cè)量方法，即上述，偶爾采用振動(dòng)法測(cè)量；化纖長絲一般用絞絲稱重，或顯微鏡法，其次為振動(dòng)法。顯然，麻、絲的細(xì)度測(cè)量是落后原始的。 已有四類方法基本上是圍繞纖維平均細(xì)度的概念進(jìn)行的測(cè)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(xì)度不勻。 而對(duì)于一根纖維的縱向輪廓的測(cè)量，對(duì)實(shí)際加工可能意義不大，但對(duì)纖維的可加工性和最終產(chǎn)品的外觀有影響，尤其是對(duì)高性能纖維的性質(zhì)和高支紗的外觀粗細(xì)影響甚大。這需要

15、纖維縱向輪廓的快速與精細(xì)測(cè)量。 雖然四類方法都能給出纖維的細(xì)度，但對(duì)纖維截面形態(tài)的表達(dá)卻十分乏力，或干脆限制在圓形纖維或等效為圓形?？焖?、準(zhǔn)確，尤其是快速地測(cè)量纖維形態(tài)，則細(xì)度及細(xì)度不勻也就測(cè)量完畢。 2 2細(xì)度及其不勻?qū)w維集合體性細(xì)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(xì)度及其不勻雖是幾何尺度的概念，但對(duì)其本身和其集合體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生多種影響。 （1）對(duì)纖維本身 纖維的粗細(xì)將影響其比表面積，進(jìn)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(diǎn)愈微小。 因此，纖維變細(xì)，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(jī)械接觸因接觸點(diǎn)的變小和變少，接觸變得更溫和與柔性。 纖維變細(xì)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(diǎn)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(huì)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(xì)，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(xì)、平均強(qiáng)度愈高，8的34GPa，56的57GPa。拉伸羊毛直徑從19變?yōu)?6，強(qiáng)度提高510%。纖維變細(xì)易于成形凝固，形態(tài)不易鈍化，但也引起對(duì)加工穩(wěn)定性和

17、精度的更高要求。 對(duì)纖維細(xì)度不勻來說，纖維間的細(xì)度不同，會(huì)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(xì)度的不同，會(huì)產(chǎn)生纖維形態(tài)的粗細(xì)變化，直接導(dǎo)致纖維的細(xì)頸弱節(jié)，影響外觀和品質(zhì)，甚至影響最終的使用。 （2）對(duì)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(diǎn)少，會(huì)引起紡紗的斷頭和加工困難；纖維細(xì)，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(yàn)可知，纖維長度L越長、纖維細(xì)度ND越細(xì)、紗線截面中纖維根數(shù)n越多，纖維自身的細(xì)度不勻CV

18、d越小，可紡性S越好。 （3）對(duì)織物 不同細(xì)度尺度纖維會(huì)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(jì)算，除納米尺度是以納米定義先定粗細(xì)尺度1100nm，即0.0010.1mm，再以纖維密度取值1.52.5g/cm3計(jì)算纖維的細(xì)密度范圍，因?yàn)榧{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(jì)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(xì)有在變。而且不同細(xì)度纖維所提供給織物的性能和功能都不同，較細(xì)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(xì)度種類線密度（dtex） 直徑（mm）性能特征細(xì)旦0.892.28.4117.7柔軟