紡織物理第一章纖維的結(jié)構(gòu)

1、第一章纖維的結(jié)構(gòu)1纖維結(jié)構(gòu)：纖維的固有特征和本質(zhì)屬性，決定纖維性質(zhì)；涵蓋微觀到分子組成，宏觀到纖維形貌；結(jié)構(gòu)多樣性與結(jié)構(gòu)層次有多種劃分。2結(jié)構(gòu)層次的模糊，纖維的微細結(jié)構(gòu)(fine structure)：可以追溯到19世紀。但卓有成效的研究和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)理論和分析方法上有新的突破。3纖維微細結(jié)構(gòu)的研究，通常采用的研究方法有：光學顯微術(shù)(optical microscopy)和電子顯微術(shù)(electron microscopy)：掃描電子顯微鏡SEM (scanning electron microscope)和透射電子顯微鏡TEM (tran

2、smission electron microscope)，X射線和電子衍射法（X-ray & Electron diffraction），紅外（infra-red）、紫外（ultraviolet）、熒光（fluorescence）和喇曼光譜法（Raman spectrum），太赫茲光譜分析法核磁共振法（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 a

3、nalysis），動態(tài)和斷裂力學法，質(zhì)譜分析法（mass spectrometry）。4纖維結(jié)構(gòu)的研究的發(fā)展、問題、未知性和不確定：基本形式：對纖維微細結(jié)構(gòu)作文字或簡單模型圖來描述?；驹颍航Y(jié)構(gòu)的復雜和多樣性、表征方法的局限性、以及人們的認識。第一節(jié) 纖維結(jié)構(gòu)理論一、纓狀微胞理論 一百多年前Ngeli的理論認為，在淀粉及植物的細胞膜中，均由亞微觀的結(jié)晶顆粒所組成。這種顆粒，他稱之為微胞(micelle)，如圖1- 1所示。Meyer和Mark (1928) 等提出了一種改進的微胞學說，如圖1- 2所示。Spearkman(1931)對羊毛結(jié)構(gòu)的討論也提出類似的模型。 圖1- 1 Ngeli的

4、微胞結(jié)構(gòu) 圖1- 2 Meyer的微胞結(jié)構(gòu)及微胞中結(jié)晶形式30年代的爭論：纖維素及其他聚合物分子的長度的問題。早期的微胞說（micelle theory）1930年以前，由于對分子長度的不確定。Hengstenberg和Mark等（1928）根據(jù)射線衍射法觀察認為苧麻的微胞約600長，50寬，而粘膠纖維的則為300長，40寬。因為300-600與其分子長度的估計相接近，故把這個長度作為纖維素分子的長度。關(guān)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。Staudinger(1932)發(fā)展了這種認識，他通過對聚合物的詳細測定，得出分子長度尺寸比上述微胞長度要大得多的結(jié)論，如圖

5、1- 3所示。Neale(1933)等也認為，天然棉纖維素是由連續(xù)的單元所組成，它們之間由化學價鍵所鍵合，而不是由分離的，象磚塊一樣的微胞單元組合而成。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，在再生纖維素中，約400-800。分別相當于10000及2000-4000長度。圖1- 3 Staudinger的結(jié)晶高聚物的連續(xù)結(jié)構(gòu)由于纖維分子長度比原猜測的要長得多，因此，對原來分離狀的微胞學說產(chǎn)生沖擊?！袄t狀微胞”（fringed-micelle）說出現(xiàn)，如圖1- 4所示。假設分子將通過若干個微胞，而在微胞之間則為一非結(jié)晶

6、區(qū)，或稱之為無定型區(qū)。通過這些連續(xù)的分子網(wǎng)絡將微胞結(jié)合在一起。長鏈分子間的規(guī)整排列構(gòu)成結(jié)晶微胞。而伸出的無規(guī)則排列的分子成為纓狀須叢。故稱為纓狀微胞理論(fringed micelle theory)。 圖1- 4 纓狀微胞結(jié)構(gòu), a) Abitz等假設, b) Kratky假設 圖1- 5 從結(jié)晶到無定型的分子有序度纓狀微胞結(jié)構(gòu)理論，初步統(tǒng)一了關(guān)于微胞及連續(xù)結(jié)構(gòu)之間的矛盾。但邊界解釋，存在分歧。兩種看法：結(jié)晶區(qū)是由分散的結(jié)晶體所組成，在結(jié)晶區(qū)之間，由無序排列的分子鏈連接起來，而結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)的界面是明確的。（兩相結(jié)構(gòu)）Howsmon和Sisson(1954)則認為，在結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)之間，

7、不存在著明確的界限，但是確實存在著高序區(qū)向低序區(qū)的逐步轉(zhuǎn)化，如圖1- 5所示。（單相不均勻）這兩種觀點的典型纓狀微胞結(jié)構(gòu)的畫法如圖1- 6所示。兩相結(jié)構(gòu)觀點，略占上風。圖1- 6 兩種纓狀微胞說的畫法纓狀微胞理論，至今還是很成功的。它適合于纖維素纖維和一些化纖的結(jié)構(gòu)解釋。與射線衍射結(jié)果和電子顯微鏡觀察結(jié)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(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)的比例來說明; 纖維分子的取向度，可用結(jié)晶區(qū)及非結(jié)晶區(qū)中分子排列的整齊度來解釋; 纖維的各向異性，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。電子顯微鏡對纖維更微細原

8、纖組織的觀察及結(jié)果，提出了新解釋。20世紀40年代以來，由于電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，可以對纖維的微細結(jié)構(gòu)進行直接的觀察，使得問題更為復雜化了。在電子顯微鏡中，發(fā)現(xiàn)在許多天然和再生纖維素纖維中，存在著直徑為100 數(shù)量級的原纖 (fibril) 組織。Frey-Wissling(1936)認為在纖維中，還存在著一種微原纖(microfibril)，即纖維狀的微細組織。并認為韌皮纖維的微細結(jié)構(gòu)即由這種原纖所組成。蘇聯(lián)學者Kargin(1958)也得到此結(jié)果。1. 原纖內(nèi)的纓狀微胞組織的說法2. 原纖即結(jié)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(jié)構(gòu)Hearle (195

9、8),提出了纓狀原纖理論(fringed-frbril theory)，其目的是將明確的兩相結(jié)構(gòu)和單相結(jié)構(gòu)理論結(jié)合起來。二、纓狀原纖理論纓狀原纖理論，放棄了纓狀微胞理論采用的晶區(qū)是微胞的假設。纓狀原纖理論，則把結(jié)晶區(qū)認為是連續(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，有的進入無定形區(qū)，有的重新進入其他的原纖組織中，某些晶格的缺陷和混亂是可能產(chǎn)生的。因此原纖也可能是曲線狀態(tài)的，或者分成若干分枝，如圖1- 7所示。纓狀原纖的形成，可以由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(jié)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

10、發(fā)展而形成原纖化結(jié)晶，如圖1- 8所示。圖1- 7 Hearle的纓狀原纖結(jié)構(gòu) 圖1- 8 纓狀原纖的形成過程纓狀微胞理論可以作為纓狀原纖理論的一部特殊情況，從本質(zhì)上來講，主要是一個尺寸上的區(qū)別。這種理論，目前較普遍地被接受, 是因為它與電子顯微鏡觀察到的一些纖維結(jié)構(gòu)相一致。而且又能解釋諸如纖維的吸濕特性，膨脹各向異性，成形加工中的取向誘導結(jié)晶以及與化學品反應等性能。在天然纖維和部分化學纖維中被較多地接受，來解釋纖維的結(jié)構(gòu)與成形。這種理論當由于在高分子溶液結(jié)晶的電子顯微鏡觀察中發(fā)現(xiàn)存在折疊鏈片晶(chain-folding lamella)后，發(fā)生變化。三、折疊鏈片晶理論在化學纖維的成形加工過

11、程中，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，可能部分分子或分子的某些鏈段處于伸展狀態(tài)。但定會存在折疊狀態(tài)的分子鏈。這些折疊狀的分子鏈段，只要位置、距離合適，就極易形成規(guī)整有序的排列，組成結(jié)晶體。這種晶體成片狀，分子鏈段垂直于片狀表面，并在兩片狀層面間來回折疊構(gòu)成晶區(qū)，如圖1- 9所示，我們稱之為折疊鏈片晶。某些大分子也會從折疊狀伸展出來，形成須頭，這種須頭可用插線板模型，如圖1- 10來表示。這些伸出分子可能無規(guī)的存在于無序空間，如同纓狀須頭；也有可能再進入另一片狀晶體，成為縛結(jié)分子（tie macromolecule）。圖1- 9 折疊鏈片晶 圖1- 10

12、 插線板模形這種折疊鏈片晶，很容易與纓狀微胞說中的微胞相比較，而產(chǎn)生出新的解釋，纓狀折疊鏈片晶理論(fringed-micelle with chain-folding)，或簡稱纓狀片晶理論(圖1- 11)。從本質(zhì)上來講，主要是分子形的不同。圖1- 11 纓狀片晶結(jié)構(gòu), a)取向, b)隨機 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。其結(jié)構(gòu)變化如圖1- 12。隨牽伸倍數(shù)的增大，會導致片晶的微粒化以及部分折疊鏈的伸直和結(jié)晶，形成混雜的結(jié)構(gòu)。也會產(chǎn)生類似于纓狀原纖狀結(jié)構(gòu)或伸展鏈片晶。圖1- 13 給出了普通牽伸過程形成的折疊鏈片晶結(jié)構(gòu)，以及在超大牽伸條件下形成

13、的伸展鏈片晶結(jié)構(gòu)。圖1- 12 牽伸過程中纖維折疊鏈片晶的取向及變化圖1- 13 折疊鏈片晶(a)和伸展鏈結(jié)構(gòu)(b)模型四、纖維結(jié)構(gòu)的其他理論1. 準結(jié)晶狀態(tài)結(jié)構(gòu)Hosemann(1967)認為,，纖維存在準結(jié)晶(Paracrystalline) 狀態(tài)，如圖1- 14所示。在此結(jié)構(gòu)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(jié)晶。同時，在此結(jié)構(gòu)中，也會存在少量的無序區(qū)和一維或二維有序結(jié)構(gòu)。因此，該準晶結(jié)構(gòu)是一個晶區(qū)與非晶區(qū)共存，折疊鏈與伸直鏈都有的綜合結(jié)構(gòu)。而纖維就是由這一綜合結(jié)構(gòu)連續(xù)堆砌而成。圖1- 14 Hosemann準晶結(jié)構(gòu)2. 無定型結(jié)構(gòu)圖1- 15 無規(guī)線團模型用

14、統(tǒng)計熱力學觀點導出的無規(guī)線團(random coil)模型圖(圖1- 15)，在理論上說明了非晶態(tài)高聚物中，存在象溶液中的分子鏈構(gòu)象，是無規(guī)纏結(jié)的線團模型，分子鏈間有一定的相互作用。這種結(jié)構(gòu)廣泛存在于聚合物切片和初生絲中，或纖維局部結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)不否定纖維分子的部分取向排列，甚至有序定向排列，如Kargin高序無定形結(jié)構(gòu)8。3. 缺陷結(jié)晶結(jié)構(gòu)有人從金屬結(jié)構(gòu)的概念出發(fā)，并引用到纖維結(jié)構(gòu)中去，認為纖維結(jié)構(gòu)中的無序區(qū)，是由結(jié)晶區(qū)中的缺陷所形成。這種缺陷結(jié)晶（crystal with distributed defects）理論認為纖維并非分成結(jié)晶區(qū)及非結(jié)晶區(qū)，而是在結(jié)晶區(qū)內(nèi)部存在分散性的缺陷，而形

15、成局部的不規(guī)整性。應該說，纖維中原纖和微原纖的結(jié)晶主要是這種帶缺陷的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。4. 串晶結(jié)構(gòu)(Shish-kebab fibrillar crystals) 串晶結(jié)構(gòu)是以伸展鏈構(gòu)成的原纖晶體與折疊鏈形成的片晶組合形成的結(jié)晶形式，通常稱為“羊肉串”結(jié)晶，如圖1- 16所示。串晶結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)較復雜的復合結(jié)構(gòu)，一般認為在纖維中有可能少量存在。圖1- 16 串晶結(jié)構(gòu)模型(a)及其實物電鏡照片(b)五、纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)特征1弱節(jié)的定義與內(nèi)涵纖維弱節(jié)的概念，由Peirce最早提出，但只是指在力學性質(zhì)上較弱部位。而這種力學性質(zhì)上的弱點，必然與該部位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，故又稱其為“結(jié)構(gòu)弱節(jié)”或“形態(tài)弱節(jié)”。所謂纖

16、維的結(jié)構(gòu)弱節(jié)是指纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)中和外觀形態(tài)上存在著明顯的結(jié)構(gòu)不均勻性和缺陷。而形態(tài)弱節(jié)則是指纖維明顯的幾何細頸部位，纖維生長或加工過程中的缺陷，以及纖維受自然和人為作用的損傷處。由此定義，取羊毛纖維為例，其弱節(jié)可以分為三類。其一是纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱節(jié)，一般采用電子顯微術(shù)和微區(qū)電子衍射和X射線衍射技術(shù)分析，但弱節(jié)區(qū)域太小太少，尋找與觀察都極為困難。其二是形態(tài)細節(jié)或細頸，即纖維生長的較細部位，這類特征大都采用纖維輪廓測量法來表征,。其三是自然侵蝕和人為損傷的形態(tài)結(jié)構(gòu)缺陷，采用SEM觀察。應該說，人們認識到纖維結(jié)構(gòu)弱節(jié)的重要，并有許多觀察和討論,，但眾多觀察和研究中，均較多地給出纖維的一般常見的結(jié)構(gòu)描述

17、和分析,。而很少涉及影響纖維使用特性和品質(zhì)的主要結(jié)構(gòu) “弱節(jié)”的觀察和分析。如羊毛弱節(jié)的界定、弱節(jié)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，以及纖維中具有弱節(jié)纖維所占的比例等。顯然，弱節(jié)是結(jié)構(gòu)不勻和纖維品質(zhì)最本質(zhì)特征的表現(xiàn)，甚至可以說是對纖維實用性影響最大的結(jié)構(gòu)特征。研究纖維結(jié)構(gòu)不應該僅關(guān)心那些容易觀察到的一般結(jié)構(gòu)，相反應該更注重那些幾乎在幾何尺寸上只占極小部分的弱節(jié)結(jié)構(gòu)，并以此來解釋纖維的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。2纖維弱節(jié)的特征 纖維弱節(jié)的成因多種多樣，而形式主要為上述三種。這里主要以羊毛纖維為例，對其一些特征作描述，其方法可延伸到其他纖維。 (1) 纖維的細節(jié)： 實際觀察結(jié)果如SEM照片（圖1- 17）所示，細節(jié)的主要特征是

18、纖維均勻、逐漸地由粗變細，再由細變粗的形態(tài)。其變細的速度不同，如圖1- 17 (a)(b)所示的其間差別。一般逐漸變細、變粗是羊毛形態(tài)的正常觀象，其很難構(gòu)成羊毛真正意義上的弱節(jié)。只有當羊毛纖維本身，在整個長度上為均勻結(jié)構(gòu)或為力學性質(zhì)均勻相時，幾何形態(tài)上的最細部位才會成為纖維的弱節(jié)。對圖1- 17 (c)所示的快速變細的形態(tài)，有可能構(gòu)成纖維的弱節(jié)。這種較為突然的粗細變化波長，往往只有纖維直徑的34倍。圖1- 17 羊毛纖維的細節(jié)特征照片 (a)緩慢；(b)快；(c)突變 (2) 天然生長的形態(tài)缺陷： 羊毛纖維天然生長中的缺陷如圖1- 18所示，如圖1- 18 (a)所示的纖維表面風蝕部位；圖1-

19、 18 (b) 的鱗片鼓脹和受損點；圖1- 18 (c)纖維的局部畸形變化。造成纖維生長中缺陷的原因（除風蝕作用外）和是否成為弱節(jié)，目前尚不清楚。理論上可能是羊受刺激，皮膚和生理疾病所致。其有待于羊毛生長過程的實時跟蹤觀察和羊毛形態(tài)弱節(jié)受力過程中的原位顯微觀測。圖1- 18 羊毛纖維的天然生長中的形態(tài)弱節(jié)(a)風蝕；(b)鱗片鼓脹；(c)畸形 (3) 人為加工中的損傷： 由于纖維在運輸、清潔和準備，以及紡織加工中，人為的機械作用，均會對纖維形成損傷12，其損傷形式主要如圖1- 19所示。圖1- 19中(a)為纖維受大曲率的彎曲和擠壓作用結(jié)果；(b)為平壓的壓扁結(jié)果；(c)為銳器損傷的變形等的損

20、傷。纖維的機械作用損傷，會造成纖維形態(tài)的劇烈畸變和纖維強伸性的衰減。如與力學測量同步進行21，特別是針對弱節(jié)處的同步觀測，可有效地觀察弱節(jié)的破壞過程和定量地表征弱節(jié)的力學行為。 圖1- 19 羊毛纖維的加工損傷形態(tài)弱節(jié) (a)彎曲；(b)壓扁；(c)銳器擠壓 (4) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷：纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷是一個很難確切發(fā)現(xiàn)和表征的結(jié)構(gòu)部位，尤其是微區(qū)結(jié)構(gòu)弱節(jié)，即導致纖維破壞的應力集中點，或裂紋與缺陷。其原因是因為這種結(jié)構(gòu)的幾何尺寸太小，發(fā)生幾率按單位空間數(shù)太少，如以最弱節(jié)的出現(xiàn)來說，在整個纖維體積中幾乎為零。而其對纖維的破壞和斷裂來說，其為100%的對應發(fā)生幾率。通常的內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱節(jié)是以定性的方式來描

21、述，即纖維兩相結(jié)構(gòu)中的無序低密和無縛結(jié)分子的部位；或纖維微細組織結(jié)構(gòu)中，組織塊間的間隙和孔洞；以及晶格結(jié)構(gòu)中的缺陷與錯位。盡管如此，這些缺陷是否對應纖維的弱節(jié)仍存在疑問。故較多的研究與表征是針對纖維的斷裂面特征。如圖1- 20（a）纖維表面的裂紋或缺陷引起的“V”字漏斗形加平面斷口，以及圖1- 20（b）纖維結(jié)構(gòu)的缺陷引起的多階梯加滑移面的斷裂端。圖1- 20 滌綸纖維的斷裂端形態(tài) (a) V-字型漏斗端面；(b) 階梯斷裂端六、 結(jié)語纖維結(jié)構(gòu)理論有其獨特的歷史和發(fā)展過程，貫穿其發(fā)展的是觀察方法的進展和被觀察對象的演變。纖維微細結(jié)構(gòu)理論的多樣化，顯然是由于纖維結(jié)構(gòu)本身的多樣化和多層次所致。綜上

22、所述，纖維微細結(jié)構(gòu)理論大致可分為三類，即單相結(jié)構(gòu)，過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和兩相結(jié)構(gòu)理論，見表1- 1所列。表1- 1 纖維微細結(jié)構(gòu)的不同理論單相結(jié)構(gòu)1無定形略有序結(jié)構(gòu)2準晶結(jié)構(gòu)3具有缺陷的結(jié)晶結(jié)構(gòu)過渡態(tài)4微原纖的集合體5串晶結(jié)構(gòu)兩相結(jié)構(gòu)6纓狀微胞及改良型纓狀微胞7纓狀原纖及改良型纓狀原纖8纓狀折疊鏈片晶結(jié)構(gòu)由于人造纖維、天然纖維、合成纖維之間，本來就存在著結(jié)構(gòu)上的許多差別，因此，用單一的模型來解釋，顯然是不合適的。纓狀微胞模型，迄今看來最適合于人造絲結(jié)構(gòu)，而纓狀原纖模型則適合于棉、麻、絲、毛部分結(jié)構(gòu)的描述以及部分合成纖維。纓狀片晶則較適合于聚乙烯纖維、粘膠纖維和部分合成纖維的結(jié)構(gòu)。第二節(jié)紡織纖維結(jié)構(gòu)特征與

23、表征一、紡織纖維的結(jié)構(gòu)特征作為紡織纖維，客觀上有一定的基本特征要求。在宏觀形態(tài)上要求纖維具有一定的長度和細度，較高的長寬比。在微觀分子排列上，要求有一定的取向，以提高纖維必要的軸向強度。并具有較好的側(cè)向作用力，即分子間的作用力，以保持纖維形態(tài)的相對穩(wěn)定。對纖維結(jié)構(gòu)特征的基本要求是：對紡織纖維的要求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；分子應該是線型長鏈分子，支鏈要短，側(cè)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；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；分子排列要有一定取向和結(jié)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

24、吸濕可染特性。這些要求只是對常規(guī)纖維而言。對特殊要求纖維，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，須具備其他特殊條件。二、纖維結(jié)構(gòu)的表征1. 聚合度反映纖維大分子單基構(gòu)成的個數(shù)，其與纖維分子量有關(guān)，直接影響分子鏈的長度以及纖維的強度。聚合度可由分子量和單基分子量的比值求得，對纖維來說大分子的分子量不是一個定值，而是一個分布，即聚合度也是一個分布。分子量的均值有數(shù)均Mn、重均Mw、Z均Mz、粘均M分子量等，可由端基法、光散射法和粘度法測得，并有 Mz Mw M Mn (1. 1)分子量的分布特性可由凝膠色譜法(GPC)測出，其對纖維性質(zhì)影響較大。如纖維長度分布對紗線性

25、質(zhì)的影響一樣，很值得討論。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(gòu)象數(shù)，或稱分子的柔順性， (1. 2)顯然 LpL。單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘 0，Lp L, 為最柔性鏈。與分子柔順性相關(guān)的還有大分子的自由鍵數(shù)n，以及均方末端距h2值， (1. 3)式中，為分子鏈的鍵角。當然構(gòu)象數(shù)與分子量也有密切的關(guān)系。鏈段長度是一個較抽象的理論參數(shù)，是當今大分子統(tǒng)計熱力學、運動學和纏結(jié)理論中所關(guān)注的值。3. 結(jié)晶度結(jié)晶度是指纖維中結(jié)晶部分占纖維整體的百分比例，是建立在兩相結(jié)構(gòu)理論基礎上的。其只反映結(jié)晶成分的均值，不討論晶區(qū)的形式

26、與分布。在理論上，可分為體積結(jié)晶度XV 和重量結(jié)晶度XW。通?？捎擅芏确y量與計算，即 (1. 4) (1. 5)式中，a，C 分別為纖維的整體密度，無序區(qū)密度和結(jié)晶區(qū)密度；W和V分別為纖維的整體重量和體積；Wc和Vc分別為纖維結(jié)晶部分的重量與體積。結(jié)晶度顯然界于01之間。纖維是全結(jié)晶時，結(jié)晶度為1。反之，全無序結(jié)構(gòu)時，結(jié)晶度為0。結(jié)晶度的常用測定方法有多種，如射線衍射法，測結(jié)晶區(qū)衍射強度峰面積與背景面積及其關(guān)系；差熱分析法，測結(jié)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(guān)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

27、等，均可表達纖維的結(jié)晶度，但結(jié)果有較大差異。4. 結(jié)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(jié)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)如圖1- 21所示。分布形式表示纖維結(jié)構(gòu)的均一性較好，結(jié)晶度基本穩(wěn)定在一個定值，峰的位置反映分子排列有序度的高低，分布形式的結(jié)構(gòu)排列有序度并不高；則為一離散分布的典型結(jié)構(gòu)，各種有序度形式的區(qū)域都有；而側(cè)是典型的兩相結(jié)構(gòu)的纖維。但這種結(jié)果的產(chǎn)生，顯然與晶區(qū)的大小，以及測量微區(qū)的大小有關(guān)，隨微區(qū)測量的微細化這種結(jié)果可能發(fā)生變化。常用的測量方法有微區(qū)射線衍射技術(shù)和電子衍射法。纖維的晶格

28、形式包括晶格參數(shù)和晶格點陣形式，這是結(jié)構(gòu)化學和射線衍射學中討論的典型問題。 圖1- 21 結(jié)晶區(qū)的三種分布形式 圖1- 22 纖維徑向取向分布5. 取向度取向度的理論定義是指纖維大分子鏈節(jié)與纖維軸的平行程度，是一個平均值，其以分子鏈節(jié)軸與纖維軸夾角的統(tǒng)計均方值的大小來表示： (1. 6)f = 0時為無取向，統(tǒng)計值=54o44； f =1時，為完全取向，=0。當=90時，f = -0.5，表示分子鏈垂直于纖維軸排列。取向度的高低主要影響纖維的強伸性，其測量方法有，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

29、，如射線或電子衍射法；無序區(qū)分子取向度fam，如染色二色性法；纖維大分子的取向度，如聲速法雙折射率法；分子極性基團的取向度，如紅外二色性法；形狀或界面取向度fform，如有染色法、電子顯微鏡法和雙折射法等，因此分析中需注意。嚴格地說, 取向度是一個綜合值, 即 (1. 7)式中k為系數(shù)，XV 為體積結(jié)晶度。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。盡管纖維徑向各層的取向值測量有許多困難，但已有確實有效的測量方法出現(xiàn)，如圖1- 22就是高強滌綸的實測徑向取向分布和理論分布情況，纖維徑向取向分布研究是纖維皮芯和多層結(jié)構(gòu)的有效方法。

30、常用的方法有電子衍射法和雙折射率測量法。7微細結(jié)構(gòu)尺寸微細結(jié)構(gòu)尺寸反映纖維各層次結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其大小，以及特有組織結(jié)構(gòu)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(shù)，如表面復形、超薄切片、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(jié)構(gòu)特征。而近代圖象分析技術(shù)的應用與發(fā)展，使這些微細結(jié)構(gòu)的觀察與分析更為清晰準確。纖維微細結(jié)構(gòu)的大致數(shù)量級概念如表1- 2所示。表1- 2 纖維結(jié)構(gòu)的尺寸(近似值)10 cm纖維長度 （毛型）1 cm纖維長度 （棉型）1 mm毛纖維卷曲長度0.1 mm (100 m)棉纖維轉(zhuǎn)曲節(jié)距，原纖長度1

31、0 m纖維直徑1 m (10- 4 cm)大分子長度，0.1 m (100 nm)巨原纖直徑，伸展鏈片晶長度10 nm微原纖上限，原纖下限，片晶厚度1 nm (10 )晶胞尺寸，分子寬度上限1 (0.1 nm) (10- 8 cm)原子(C,N,O,H,S,Cl等)尺寸8. 孔隙形態(tài)與大小纖維的固有孔隙人們不太關(guān)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(guān)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。對于這些參數(shù)的測量方法并不多，常用的有：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

32、顯微鏡分辨率低些(0.4m)，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，可測孔徑大小，用于炭、硅膠微孔的測量尤其是200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(guān)系為： (1. 8)式中為汞的表面張力480 dyne/cm，為汞與纖維的接觸角。汞壓法不能給出孔的形態(tài)及分布，尤其不貫通孔及其表面性質(zhì)與纖維表面性質(zhì)不一時，精度和準確性較差。9總結(jié)在以上結(jié)構(gòu)參數(shù)中，結(jié)晶度與取向度是不同概念，結(jié)晶是指三維有序的結(jié)構(gòu)，而取向只是一維有序的

33、概念。在極端情況下，它們常趨于一致。一個全結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，一定是完全定向的。而一個完全無序的結(jié)構(gòu)，則一定是完全不定向的。實際情況下，問題要復雜得多。在中間狀態(tài)時，兩個指標是沒有關(guān)聯(lián)的。一個高結(jié)晶度的結(jié)構(gòu)可以是完全不取向的。因為，這時纖維可以由各個方向的結(jié)晶體組成。而在很低的結(jié)晶度時，也可由各取向度很高的分子所組成。這種很低結(jié)晶度的纖維，可以是由于長鏈分子在某二維的無規(guī)排列所構(gòu)成。三、纖維弱節(jié)結(jié)構(gòu)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，這種斷裂不是發(fā)生在纖維的最細部位，就是斷裂在結(jié)構(gòu)缺陷處?？傊?，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(jié)構(gòu)相的力學行為，稱為“正

34、常拉伸斷裂”；和缺陷結(jié)構(gòu)的力學行為，稱“結(jié)構(gòu)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(guān)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。從纖維的拉伸行為看，拉伸曲線分為：拉伸曲線各變形階段清晰完整的“完整曲線”和拉伸曲線僅有應力較低且應變較小的“非完整曲線”，尤其是羊毛纖維，如圖1- 2

35、3所示。我們稱“完整曲線”為“正常拉伸斷裂曲線”，因為是非弱節(jié)行為；稱“非完整曲線”為“弱節(jié)拉伸斷裂曲線”，因為是典型的弱節(jié)力學行為。顯然，纖維弱節(jié)斷裂應力和應變低于圖1- 23中的臨界應力和臨界應變。這一曲線特征和臨界應力、應變值，可用于纖維弱節(jié)和非弱節(jié)（正常）斷裂的判斷。 圖1- 23 不同斷裂行為的拉伸應力應變曲線 圖1- 24 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。由纖維的實際斷裂應力（或比強度T）和斷裂應變，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

36、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- 24。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Xbrok處斷裂。根據(jù)其實際斷裂部位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（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(jié)構(gòu)一、天然纖維素纖維棉、麻纖維的分子組成與結(jié)構(gòu)已有明確的描述，是由葡萄糖?；?C6H10O5)連接而成、聚合度約104數(shù)量級的線型大分子。各單基間通過型苷鍵（或稱氧橋）在1,4位碳間的銜接而成。6號位碳（-CH2OH）為側(cè)基，有三種構(gòu)型方式，通常用gt

37、，gg，tg表示；g為旁式，t為反式。棉、麻纖維組成的區(qū)別在于，麻有較多的非纖維素物質(zhì)。 天然纖維素大分子的鏈結(jié)構(gòu)為背背椅式結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)形如圖1- 25 所示。圖1- 25 纖維素分子構(gòu)型一般gt構(gòu)型有利于3號位-OH與相鄰單基氧六環(huán)上的氧形成氫鍵作用；而tg構(gòu)型，除此氫鍵作用外，還有6與2號位羥基間的氫鍵，如圖1- 26所示。而此均造成分子鏈的扭曲，形成無序結(jié)構(gòu)。在棉、麻纖維中，整個大分子鏈的構(gòu)象絕大多數(shù)為伸展鏈形式, 極少部分為無規(guī)線團構(gòu)象。圖1- 26 gt 和 tg 構(gòu)型天然纖維素大分子的堆砌形式，即聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要指結(jié)晶與非晶結(jié)構(gòu)，取向與非取向結(jié)構(gòu)。天然纖維素的結(jié)晶形式主要

38、是纖維素和纖維素。纖維素的晶格參數(shù)a=8.35，b=10.3（沿纖維軸向），c=7.9，=84，為單斜晶系(Meyer和Misch 1937)，是棉、麻纖維的基本晶格形式。棉纖維經(jīng)堿絲光處理后，會由纖維素I轉(zhuǎn)變成纖維素II，其晶格參數(shù)為a=8.14，b=10.3，c=9.14，=62o，見圖1- 27，而且纖維的結(jié)晶度會有所降低。圖1- 27 纖維素(b)和纖維素(c)晶胞結(jié)構(gòu) 棉、麻纖維大分子的取向都很高,并隨原纖的螺旋排列,而傾斜。棉纖維傾角20 23o；麻約6 o，為取向最高的。天然纖維素纖維的結(jié)構(gòu)層次，目前已較清楚：分子鏈相互有序排列成晶胞；晶胞的規(guī)整擴展形成可見的最小結(jié)構(gòu)層次單元基原

39、纖（protofibril/elementary fibril）。Frey-Wyssling(1954)提出的基原纖模型如圖1- 28, 是苧麻纖維超薄切片觀察結(jié)果，寬70-90，厚30。Mhlethaler(1969)提出的基原纖為36根纖維素大分子鏈構(gòu)成，如圖1- 29(a) 所示, 是由試樣負染色電子顯微鏡觀察獲得。若干個基原纖(約4個)構(gòu)成微原纖，粗細約為100-150；縱向的周期變化約為500-600 。纖維的微原纖一般可通過水解和超聲波方法，或振動研磨等分離出來。纖維素纖維微原纖形態(tài)的綜合性觀察研究由Johnson和Sikorski所做，但未發(fā)表?；镜奈⒃w截面尺寸，棉纖維為60

40、-400，一般為100200；亞麻為60125；大麻寬為60130，厚30左右；黃麻寬7085，厚2535；苧麻寬為60370，一般為60100，厚3035。這些纖維的微原纖均存在縱向的小周期重復，一般為100200，如棉為100170；苧麻的縱向重復周期為150170，但不十分明顯。其重復周期大致如圖1- 29(b)所示。圖1- 28 纖維素纖維微原纖及基原纖模型圖1- 29 纖維素微原纖(a)和縱向重復周期(b)示意圖 Hess等(1957)提出微原纖周期 (150) 明確模型圖1-30。 若干微原纖相互組合成原纖，原纖的寬度大約在m，長度上有上百個微米。原纖又相互堆砌成棉纖維的“日輪”層

41、。這些原纖的排列均有一定的螺旋角，并時而換向，是造成棉纖維轉(zhuǎn)曲的主要因素之一。 應該說纖維微細結(jié)構(gòu)的理論與模型，大都建立在對天然纖維素纖維分析的基礎上。如纓狀微胞說，纓狀原纖理論，有缺陷結(jié)晶結(jié)構(gòu)理論等。前二者都能很好地解釋天然纖維素纖維的微細結(jié)構(gòu)及其形態(tài)尺寸，以及X射線衍射結(jié)果。如吸濕后衍射圖不發(fā)生變化，因晶區(qū)不吸濕等。其中纓狀原纖模型更適用于微原纖和原纖結(jié)構(gòu)的討論。 棉纖維是二頭細中段粗，梢端封閉，根部開口的管狀，截面為腰圓形，并帶有轉(zhuǎn)曲的扁帶形單細胞纖維。纖維分為表皮層，初生層，次生層和中腔。次生層為纖維的主體，有明顯的日輪層特征，是纖維成熟期中逐漸加厚沉積而形成。表皮層主要為果膠、棉蠟，

42、對纖維的加工與儲存影響很大。棉纖維截面各部位的收縮應力，表皮棉蠟果膠分布均不同，故各部位的化學可及性不同。如圖1- 31，A區(qū)曲率最大，結(jié)構(gòu)較緊，B區(qū)次之，N區(qū)為過渡區(qū)，C區(qū)內(nèi)可及性最大，且易存積其他物質(zhì)。 圖1- 30 Hess 等微原纖周期變化模型 圖1- 31 棉纖維截面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)圖2-10 棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)模型 麻纖維品種較多，有能單纖維紡紗的苧麻和只能以工藝纖維(束纖維)紡紗的大、亞、黃、槿麻等。而且單細胞纖維的截面形態(tài)各異，如黃麻呈多角形，苧麻呈不規(guī)則橢圓形，亞麻為五角形或六角形等。麻纖維都要經(jīng)過脫膠加工，即對麻纖維間和麻纖維表層的膠質(zhì)進行去除。麻的單纖維主體為纖維素，單纖維亦為管

43、狀物，存在中腔層。二、天然蛋白質(zhì)纖維天然蛋白質(zhì)纖維有絲蛋白纖維(各種蠶絲)和角蛋白纖維(羊毛及各種毛發(fā)纖維)。其結(jié)構(gòu)從分子組成、鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，到微細組織結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)，都是纖維中最復雜的。1天然蛋白質(zhì)纖維的組成與分子間作用形式總的說來，天然蛋白質(zhì)纖維是由氨基酸(NH2CHRCOOH)通過肽鏈(-CO-NH-)聯(lián)接而成的長鏈分子。其分子通式為： (1. 9)長鏈分子中的基，隨纖維的不同，其形式與含量均不同。在天然蛋白質(zhì)纖維中至今已知的氨基酸形式大致有20多種。蛋白質(zhì)大分子間的作用形式主要有三類。1) 氫鍵作用： (1. 10)2) 鹽式鍵作用： (1. 11)3) 二硫鍵作用： (1. 1

44、2)此3種作用直接影響蛋白質(zhì)纖維的性質(zhì)。絲蛋白質(zhì)纖維半胱氨酸含量極少，氨基酸形式簡單，側(cè)基小，故大都為氫鍵作用形式。角蛋白質(zhì)纖維氨基酸形式復雜多樣，故三種鍵接形式都有。2天然蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)天然絲蛋白分子和角蛋白分子的固有構(gòu)象形式是不同的，絲蛋白分子主要是曲折鏈構(gòu)象，故又稱角朊；角蛋白分子的主要形式螺旋形構(gòu)象，又稱角朊。如圖1- 32 (a),(b)所示。折疊物象較易形成規(guī)整排列，伸直性較好。螺旋物型分子的伸展可能性大，彈性好。螺旋結(jié)構(gòu)的螺距為5.4 (Pauling等1951)，一個完整螺旋中有3.6個氨基酸?；?，每個剩基沿大分子軸向長約1.5，即構(gòu)型轉(zhuǎn)化至構(gòu)型時，可變?yōu)?2.5，即伸展到原來

45、的2倍多，折疊鏈的一個氨基酸長度為3.5。角朊分子除了自身的螺旋形態(tài)外，并可與其他分子共同形成規(guī)整螺旋，前者稱為次螺旋；后者為主螺旋，見圖1- 33。 圖1- 32 角朊分子(a)角朊分子(b) 的構(gòu)象 圖1- 33 角朊分子的雙螺旋排列3蛋白質(zhì)纖維的結(jié)晶取向結(jié)構(gòu) 圖1- 34 角朊分子規(guī)整排列示意圖 圖1- 35 絲朊分子結(jié)晶形式羊毛和蠶絲天然蛋白質(zhì)纖維均存在一定的結(jié)晶形式，也就是說螺旋型大分子和折疊型大分子各自均能相互規(guī)整堆砌，形成有序排列，或結(jié)晶。只是折疊型大分子更易形成規(guī)整排列，其形式如圖1- 34所示。天然桑蠶絲素蛋白質(zhì)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)參數(shù)為，a=4.7，b=6.97，c=9.2。其簡單側(cè)

46、基重復單元構(gòu)成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)如圖1- 35所示。螺旋大分子也能由幾個大分子(2-4個)相互螺旋規(guī)則排列構(gòu)成，形成與型分子相似的相互作用，而成穩(wěn)定的結(jié)晶形式。由于羊毛大分子間存在較多和作用穩(wěn)定的二硫鍵，使其富有彈性的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定和具有加工可塑性。二硫鍵主要由胱氨酸形成，因此根據(jù)含硫量的不同，分為高硫蛋白質(zhì)，大多存在于羊毛的非結(jié)晶區(qū)；和低硫蛋白質(zhì)，主要在結(jié)晶區(qū)。羊毛的結(jié)晶結(jié)構(gòu)因螺旋大分子本身構(gòu)成的復雜而變得更復雜，其結(jié)晶顆粒較小，連續(xù)性較差。羊毛的x射線衍射圖為較模糊的暈圈，說明纖維結(jié)晶的不完善。取向度也隨螺旋的變化以及微細結(jié)構(gòu)的不同而變化。一般來說羊毛纖維分子的取向度也較低。螺旋型結(jié)構(gòu)在受外力拉伸時

47、，會轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)，而外力去除后，結(jié)構(gòu)將部分的恢復為結(jié)構(gòu)。如加一定熱濕條件，或時間允許，還可完全恢復。4羊毛纖維的微細結(jié)構(gòu)羊毛的微細結(jié)構(gòu)首先要從其形態(tài)組織結(jié)構(gòu)上來討論，羊毛是多細胞結(jié)構(gòu)的纖維，其由皮質(zhì)細胞(cortical cell)和細胞間質(zhì)(cell membranes)堆砌而成毛干，表面覆有鱗片細胞 (cuticle cell)。通常將羊毛纖維分為鱗片層(scale)、皮質(zhì)層(cortex)和髓質(zhì)層(medulla)，如圖1- 36所示。 圖1- 36 羊毛結(jié)構(gòu)形態(tài) 圖1- 37 羊毛鱗片結(jié)構(gòu)示意圖羊毛的鱗片層是由許多個鱗片相互交疊，粘著而成的，每個鱗片為一個單細胞。鱗片上會有偽棱脊，見圖1

48、- 37。鱗片細胞內(nèi)又分為，外表皮層(epicuticle)高硫含量的細胞膜，約為20-40厚；次表皮層(exocuticle)含硫量略低于表皮層，厚為1000-2000；內(nèi)表皮層(endocuticle)厚1000-1500，低含硫量有結(jié)晶。鱗片與鱗片之間由細胞間質(zhì) (cell membrane complex)粘結(jié)，胞間質(zhì)本身是三明治形式的物質(zhì)，其總厚度為38與鱗片相靠部分是低含硫量的角朊，兩邊各5 左右，稱帶。當中夾層是含硫量較高的角朊其厚度基本為常數(shù)，約18左右，稱帶。使細胞間質(zhì)既具有良好的粘結(jié)性，又有較好的可變形性，見圖1- 38。鱗片與鱗片間的握持除了細胞間質(zhì)的粘結(jié)外，還存在一定的

49、鎖結(jié)(圖1- 39)。這種物理鎖結(jié)，為一般分離方法難以分開。羊毛的皮質(zhì)層是羊毛纖維的主體即毛干，其有許多如紡錘狀(spindle-shaped)皮質(zhì)細胞，沿纖維軸向基本平行排列而組成。皮質(zhì)細胞又分為正皮質(zhì)細胞(orthocortical cell)，副皮質(zhì)細胞(parecortical cell)和偶爾出現(xiàn)的仲皮質(zhì)細胞(mesocortical cell)。皮質(zhì)細胞間物質(zhì)由高含硫量分子，但分子量較低的蛋白質(zhì)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對也較疏松。時而存在一些分散的細胞核殘留物(Nuclear remnant)。其結(jié)構(gòu)和組成與髓腔相近。圖1- 38 羊毛鱗片(a)及鱗片間粘結(jié)劑(b)結(jié)構(gòu)圖正皮質(zhì)細胞是由粗細為0

50、.20.4m，長為50100m的巨原纖組成，粗細約為25m，長與巨原纖基本相當。巨原纖由微原纖的六角或同心園環(huán)狀排列構(gòu)成，微原纖又由基原纖構(gòu)成。目前認為基原纖是由3個雙螺旋，或2+2個多重復螺旋的型大分子組成，直徑20左右。Filshie和Rogers(1961)及Johnson和Sikorski(1962)提出微原纖的結(jié)構(gòu)模型為9+2，如圖1- 40，并得以基本證實。即由周圍一圈9根基原纖，加上中間二根而構(gòu)成，微原纖的直徑大約有70，至于中間是否是二根基原纖，尚有爭論。原因是圖象分析微原纖中心的結(jié)果較模糊。目前羊毛皮質(zhì)細胞中的巨原纖，微原纖都已清晰地被電子顯微鏡所觀察到，借助于圖像處理和光學

51、衍射技術(shù)能分離出基原纖的特征。而且通過一定的化學物理分離技術(shù)，能將單一的巨原纖，乃至微原纖分離開來。正皮質(zhì)細胞為三級原纖構(gòu)成，含硫量低，結(jié)晶度、取向度相對來說較高，故其性質(zhì)較穩(wěn)定，伸長小，強力大。副皮質(zhì)細胞又稱偏皮質(zhì)細胞，是皮質(zhì)細胞的另一種形式。其直接由微原纖和原纖間質(zhì)構(gòu)成，但間質(zhì)成份較多，故含硫量較高。副皮質(zhì)細胞內(nèi)有較明顯的細胞核殘留。微原纖排列較松，微原纖中心距在88106，有六角規(guī)整排列也有無序排列。在長度方向的排列遠不及正皮質(zhì)細胞規(guī)整，如圖1- 41。時松時緊的排列，使副皮質(zhì)存在縱向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，如圖1- 41b 圖1- 42 的模型圖和TEM照片。副皮質(zhì)細胞應該說是二級原纖構(gòu)成體，即基原

52、纖構(gòu)成微原纖，微原纖堆砌成副皮質(zhì)細胞。 圖1- 39 鱗片間鎖結(jié)現(xiàn)象 圖1- 40 羊毛微原纖結(jié)構(gòu)示意圖(a) 副皮質(zhì)細胞P位置 (b) 副皮質(zhì)細胞中微原纖排列 圖1- 41 羊毛截面象及副皮質(zhì)細胞 圖1- 42 羊毛皮質(zhì)細胞 (a)結(jié)構(gòu)模型圖；(b)TEM照片仲皮質(zhì)細胞在綿羊毛中較少見，在兔毛和一些山羊毛中時而出現(xiàn)，是一種結(jié)構(gòu)介于正、副皮質(zhì)間的原纖組合形式。其細胞區(qū)域一般較小，含硫量適中，巨原纖結(jié)構(gòu)不是十分明顯，微原纖排列不如正皮質(zhì)細胞規(guī)整呈六角或同心環(huán)分布，但比副皮質(zhì)細胞的微原纖排列稍緊密。其與正、副皮質(zhì)細胞較大的區(qū)別在于金屬染色性質(zhì)上有所區(qū)別其染色深度介于正、副皮質(zhì)之間。羊毛的髓質(zhì)層是結(jié)

53、構(gòu)疏松、充滿空氣的薄壁細胞，其中存在原生質(zhì)的沉積物，色素和一些低分子物。羊毛纖維自然狀態(tài)下的空間形態(tài)，主要取決于羊毛的皮質(zhì)細胞的分布形式。由于正、副皮質(zhì)細胞的結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，當正、副皮質(zhì)呈明顯雙邊分布(bilateral structure)并相互纏繞時，就會導致羊毛的卷曲(圖1- 43)；如呈環(huán)芯偏態(tài)分布時會發(fā)生螺旋；如為散亂無規(guī)分布，則無卷曲而伸直。羊毛分子中的二硫鍵和正副皮質(zhì)結(jié)構(gòu)是羊毛能熱定型的主要機制。羊毛分子型螺旋構(gòu)型和折疊構(gòu)型的相互轉(zhuǎn)化以及羊毛的天然卷曲，是羊毛有良好彈性回復的重要原因。而羊毛的可氈縮性是羊毛鱗片的棘齒特征和皮質(zhì)細胞的彈性特征的綜合表現(xiàn)。圖1- 43 羊毛的雙邊結(jié)構(gòu)(

54、a)與卷曲(b) (陰影部分為副皮質(zhì))5蠶絲的微細結(jié)構(gòu)蠶絲為蠶的分泌液，通過噴液成絲，其結(jié)構(gòu)較為簡單。宏觀上說，蠶絲由絲膠(silk glue)和絲素(silk fibroin)構(gòu)成。絲膠包覆于絲素之外，絲素是蠶絲纖維的主體。絲膠分為、四種，為層狀包覆在絲素上，水溶性依次變小，結(jié)晶度依次變大。內(nèi)層最靠絲素的為絲膠，很難被熱水或堿液溶解，精煉一般較難去除，其性質(zhì)與絲素有點接近，并對成品手感和彈性有幫助。絲素是由微原纖和原纖二級結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)成絲素的層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在絲素主體的表層尤為明顯，是導致蠶絲優(yōu)良光澤的

55、主要因素之一。絲素中的原纖是良好的原纖狀晶體，其長度較長，這一方面是由于絲素大分子的分子量較高，約為33,000-84,000，隨測量方法不同而異。另一方面，絲素大分子側(cè)基較簡單，故原纖晶區(qū)較長。絲素的取向度，因蠶噴絲的高壓擠出和合理固化，使其具有很高的取向度。絲素中胱氨酸含量極少，分子又呈構(gòu)型，故是天然纖維中強伸性較優(yōu)的纖維。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(zhì)纖維。人造纖維素纖維有粘膠纖維，銅氨纖維和纖維素酯（包括醋酸酯、皂化醋酸酯和硝酸酯）纖維。但最主要的是粘膠和醋酸纖維

56、。人造蛋白質(zhì)纖維有酪朊，絲朊和大豆蛋白纖維，但產(chǎn)量和使用極少，故在結(jié)構(gòu)方面的討論很少，一般認定分子結(jié)構(gòu)同天然蛋白質(zhì)纖維，結(jié)晶略好，是型鏈的微小結(jié)晶顆粒。人造纖維素纖維的分子及組成與天然纖維素纖維完全一致，且純度更高，只是紡絲溶液不同分為粘膠與銅氨纖維。人造纖維素分子的鏈結(jié)構(gòu)形式比天然纖維素纖維要復雜些，主要是因人為的紡絲加工過程而造成。其結(jié)構(gòu)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。人造纖維素纖維隨加工條件與方式的不同，其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有很大的差異，其結(jié)晶晶格形式主要是纖維素，有別于天然纖維素的晶格形式纖維素，且分子來回折疊形成規(guī)整的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通常相鄰分子是反向的，如圖1- 44。人

57、造纖維素除纖維素、晶格形式外，還有纖維素、形式，這在天然纖維素中是不存在的。纖維素大都是液態(tài)氨，乙基胺或甲基胺膨潤纖維素所生成的氨纖維素，再蒸發(fā)去氨或胺后，生成的一種晶格變體。其單元晶胞與纖維素接近，a=7.74，b=10.3，c=9.9，=58。纖維是由纖維素或在極性液體中加以高溫處理而成的，故又稱“高溫纖維素”，其晶胞參數(shù)a=8.11，b=10.3，c=7.9，=90為正交晶系，纖維素V是用濃HCl(38%-40.3%)作用于纖維素產(chǎn)生的。圖1- 44 纖維素晶格結(jié)構(gòu)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，其尺寸為厚40，寬80100,長度為500，屬片晶，為人造纖維素的典型結(jié)

58、晶結(jié)構(gòu)。粘膠纖維，因為凝固冷卻速度不同，表、芯層結(jié)構(gòu)不同。表層(即皮層)的結(jié)晶度相對較小，結(jié)晶顆粒細小，但結(jié)晶分布較均，尤其是分子的取向排列較高，呈現(xiàn)為高強，高韌性特征。芯層結(jié)晶度較大，結(jié)晶顆粒亦較大，非晶區(qū)缺陷也較大，屬吸濕穩(wěn)定性較好的結(jié)構(gòu)，但有一定脆性。由此發(fā)展出的濕強損失較小，吸濕后結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的富強粘膠屬全芯層結(jié)構(gòu)；強度和模量高，伸長小的高強粘膠，則屬全皮層(Polynosic)結(jié)構(gòu)。纖維素酯纖維主要為醋酸纖維，通過乙?；磻?，有二和三醋酸纖維之分，主要是指纖維素分子單基上的三個羥基與醋酸酐作用生成醋酸酯(-CO-O-CH3)的量。常用取代度n或酯化度P來表示。 (1. 13) Ma

59、為醋酸(CH3COOH)的分子量；Mo 為乙?；w維素單基的分子量。四、合成纖維合成纖維是由低分子物質(zhì)經(jīng)化學合成的高分子聚合物，再經(jīng)紡絲加工而成的纖維。 根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)，可分為碳鏈合成纖維：如聚乙烯(polyethylene)，聚丙烯(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。其單基分子

60、式見表1-3。表1- 3 主要合成纖維單基結(jié)構(gòu)式纖維品種 主要重復單元化學式聚酯纖維(滌綸) -O-CO- -CO-O-CH2-CH2-聚酰胺纖維(尼龍或錦綸) 錦綸X -NH-(CH2)X-1-CO-錦綸XY -NH-(CH2)X-NH-CO- (CH2)Y-2-CO-聚烯烴纖維 聚乙烯纖維(乙綸)-CH2-CH2-聚丙烯纖維(丙綸)-CH2-CH(CH3)-聚丙烯腈纖維(腈綸)-CH2-CH(CN)-聚乙烯醇縮甲醛纖維(維綸)-CH2-CH(OH)- -CH2-聚氯乙烯纖維(氯綸)-CH2-CH(Cl)-; -CH2-C (Cl) 2- 合成纖維除上述的單一組成形式外，可通過共聚、共混、復