紡織材料學(xué)第二章(07)課件

1、紡織材料學(xué)第二章(07)2022/9/25紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)2022/9/24紡織材料學(xué)第二章(研究纖維結(jié)構(gòu)的目的: 了解結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，以便我們正確選擇和使用纖維，更好地掌握生產(chǎn)條件，并通過各種途徑改變纖維結(jié)構(gòu)，有效地改變性能，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)具有指定性能的纖維和紡織產(chǎn)品。 紡織材料學(xué)第二章(07)研究纖維結(jié)構(gòu)的目的: 紡織材料學(xué)第二章(07)纖維結(jié)構(gòu) 大分子結(jié)構(gòu)：化學(xué)組成、單基結(jié)構(gòu)、端基組成、 聚合度及其分布、大分子構(gòu)象、大分子鏈柔曲性等聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：晶態(tài)、非晶態(tài)、結(jié)晶度、晶粒大小、取向度、側(cè)序分布等形態(tài)結(jié)構(gòu)：縱橫向幾何形態(tài)、徑向結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、孔洞結(jié)構(gòu)等紡織材料學(xué)第

2、二章(07)纖維結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)一、纖維的各級(jí)微觀結(jié)構(gòu)(1)原纖結(jié)構(gòu)特征纖維中的原纖(fibril)是大分子有序排列的結(jié)構(gòu)，或稱結(jié)晶結(jié)構(gòu)。纖維的原纖按其尺度大小和堆砌順序可分為基原纖微原纖原纖巨原纖細(xì)胞。紡織材料學(xué)第二章(07)一、纖維的各級(jí)微觀結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)單分子：直鏈狀大分子基原纖 (proto fibril) d=1-3nm微原纖 (microfibril) d=4-8nm原纖 (fibril) d=10-30nm巨原纖(macrofibril) d=0.1-1.5m纖維(fiber)紡織材料學(xué)第二章(07)單分子：直鏈狀大分子紡織材料學(xué)第二章(07)(2) 各

3、層次原纖的特征基原纖(proto-fibril或elementary fibril)是原纖中最小、最基本的結(jié)構(gòu)單元，亦稱晶須，無缺陷。微原纖(micro-fibril)是由若干根基原纖平行排列組合在一起的大分子束，亦稱微晶須，帶有在分子頭端不連續(xù)的結(jié)晶缺陷，是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。紡織材料學(xué)第二章(07)(2) 各層次原纖的特征紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)原纖(fibril)是一個(gè)統(tǒng)稱，有時(shí)可代表由若干基原纖或含若干根微原纖，大致平行組合在一起的更為粗大的大分子束。巨原纖(macro-fibril)是由多個(gè)微原纖或原纖堆砌而成的結(jié)構(gòu)體。細(xì)胞(cell)是由巨原纖

4、或微原纖直接堆砌而成的，并有明顯的細(xì)胞邊界。紡織材料學(xué)第二章(07)原纖(fibril)是一個(gè)統(tǒng)稱，有時(shí)可代表由若干基原纖或含若二、纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 具體所指纖維高聚物的結(jié)晶與非晶結(jié)構(gòu)、取向與非取向結(jié)構(gòu) .1. 纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)將纖維大分子以三維有序方式排列，形成穩(wěn)定點(diǎn)陣，形成有較大內(nèi)聚能和密度并有明顯轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)定點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)晶結(jié)構(gòu)。紡織材料學(xué)第二章(07)二、纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)結(jié)晶態(tài)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的狀態(tài)。 1）結(jié)晶區(qū)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的區(qū)域。 晶區(qū)特點(diǎn)： a.大分子鏈段排列規(guī)整； b.結(jié)構(gòu)緊密，縫隙，孔洞較少； c.相互間結(jié)合力強(qiáng)，互相接近的

5、基團(tuán)結(jié)合力飽和。 2) 結(jié)晶度：纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)占整個(gè)纖維的百分率。 重量結(jié)晶度：纖維內(nèi)結(jié)晶區(qū)的重量占纖維總重量的百分率。(p48 式2-9) 體積結(jié)晶度：纖維內(nèi)結(jié)晶區(qū)的體積占纖維總體積的百分率。 (p48 式2-8)紡織材料學(xué)第二章(07)結(jié)晶態(tài)：纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的狀態(tài)。 紡織材料學(xué)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)結(jié)晶度對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響：結(jié)晶度 纖維的拉伸強(qiáng)度、初始模量、硬度、尺寸穩(wěn)定性、密度；纖維的吸濕性、染料吸著性、潤脹性、柔軟性、化學(xué)活潑性。 結(jié)晶度 纖維吸濕性；容易染色；拉伸強(qiáng)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(xué)反應(yīng)性比較

6、活潑。紡織材料學(xué)第二章(07)結(jié)晶度對(duì)纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響：2. 纖維的非晶結(jié)構(gòu)纖維大分子高聚物呈不規(guī)則聚集排列的區(qū)域稱為非晶區(qū)，或無定形區(qū)。取向和無序排列的纓狀微胞結(jié)構(gòu) 紡織材料學(xué)第二章(07)2. 纖維的非晶結(jié)構(gòu)取向和無序排列的纓狀微胞結(jié)構(gòu) 紡織材料學(xué)3. 纖維的取向結(jié)構(gòu)取向度:大分子排列方向與纖維軸向符合的程度.纖維的取向結(jié)構(gòu)使纖維許多性能產(chǎn)生各向異性。取向度與纖維性能間的關(guān)系： 取向度大大分子可能承受的軸向拉力也大，拉伸強(qiáng)度較大，伸長較小，模量較高，光澤較好，各向異性明顯.紡織材料學(xué)第二章(07)3. 纖維的取向結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07

7、)結(jié)晶與取向是兩個(gè)概念，結(jié)晶度大不一定取向度高.一般說來，結(jié)晶度高，取向度也高。紡織材料學(xué)第二章(07)結(jié)晶與取向是兩個(gè)概念，結(jié)晶度大不一定取向度高.一般說來，結(jié)晶三、纖維的大分子結(jié)構(gòu)1.單基（鏈節(jié)）m:構(gòu)成纖維大分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)單元。2.聚合度 n:構(gòu)成纖維大分子的單基的數(shù)目，或一個(gè)大分子中的單基重復(fù)的次數(shù)。(n=int(M/m) 注:大分子的分子量單基的分子量聚合度 常用纖維的n：棉、麻的聚合度很高 ，成千上萬；羊毛 576； 蠶絲 400； 粘膠： 300-600； 且一根纖維中各個(gè)大分子的n不盡相同. n低時(shí)，一般來說，纖維的強(qiáng)度低些，濕強(qiáng)度也低些，脆性明顯些。紡織材料學(xué)第二章(07

8、)三、纖維的大分子結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)3.纖維大分子鏈的內(nèi)旋性及柔曲性 內(nèi)旋性 纖維大分子內(nèi)的單基之間在鍵長鍵角保持不變條件下，相鄰單基可繞單鍵旋轉(zhuǎn)的特性。 柔曲性纖維大分子在一定條件下，通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)而形成各種形狀的難易程度的特性。紡織材料學(xué)第二章(07)3.纖維大分子鏈的內(nèi)旋性及柔曲性紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)纖維大分子結(jié)構(gòu)與柔曲性的關(guān)系：1 主鏈上原子鏈彈性好，柔曲性； 2 側(cè)鏈較少，柔曲性；3 主鏈四周側(cè)基分布對(duì)稱，柔曲性；4 側(cè)基間（大分子間）作用力較少，柔曲性.紡織材料學(xué)第二章(

9、07)纖維大分子結(jié)構(gòu)與柔曲性的關(guān)系：紡織材料學(xué)第二章(07)柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長大，彈性較好，結(jié)構(gòu)不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成結(jié)晶。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是大分子鏈產(chǎn)生柔曲性的根源。對(duì)于高聚物而言，其中的大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)除了受分子內(nèi)原子或基團(tuán)相互影響外分子間作用力也有很大影響。紡織材料學(xué)第二章(07)柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長大，彈性較好，結(jié)構(gòu)不易堆砌第二節(jié) 典型纖維的結(jié)構(gòu)與特征一. 典型天然纖維的結(jié)構(gòu)與特征1. 棉纖維的結(jié)構(gòu)與特征(1) 分子構(gòu)成及分子間結(jié)構(gòu)棉纖維和麻纖維的主要成分是纖維素，其分子式為(C6H10O5)，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：紡織材料學(xué)第二章(07

10、)第二節(jié) 典型纖維的結(jié)構(gòu)與特征一. 典型天然纖維的結(jié)構(gòu)與特征紡特征基團(tuán)有：氧六環(huán)；6個(gè)-OH；氧橋O 單基連接方式：1-4甙鍵連接，在空間轉(zhuǎn)180.棉纖維大分子的聚合度為600015000，分子量為12.43百萬，其氧六環(huán)結(jié)構(gòu)是固定的，但六環(huán)之間夾角可以改變，所以分子在無外力作用的非晶區(qū)中，可呈自由彎曲狀態(tài)。紡織材料學(xué)第二章(07)特征基團(tuán)有：氧六環(huán)；6個(gè)-OH；氧橋O 紡織材料學(xué)第二章 (2)細(xì)胞形態(tài)與構(gòu)成紡織材料學(xué)第二章(07) (2)細(xì)胞形態(tài)與構(gòu)成紡織材料學(xué)第二章(07)初生層：棉纖維的外層，纖維細(xì)胞的初生部分厚度大約0.5m.次生層: S1約為0.1m. S2約為1-4m.S3約為0.

11、1m.中腔:胞壁內(nèi)遺留下來的空隙.雙邊結(jié)構(gòu):棉纖維干枯后壓扁扭轉(zhuǎn)成為轉(zhuǎn)曲,截面呈腰圓形的現(xiàn)象.紡織材料學(xué)第二章(07)初生層：棉纖維的外層，纖維細(xì)胞的初生部分厚度大約0.5m紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)2. 羊毛纖維的結(jié)構(gòu)特征(1) 羊毛纖維的組成 羊毛纖維的基本組成是氨基酸螺旋大分子，氨基酸是哺乳動(dòng)物組織的基本組成。羊毛角蛋白大分子的構(gòu)成及相互鏈接作用，是多交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，尤其是二硫鍵(SS)。由C、H、O、N、S元素組成。側(cè)基多而復(fù)雜，約25種氨基酸。空間形態(tài)： 羊毛的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是型，型加外力型，型去外力型； 分子間力:鹽式鍵、氫鍵、硫鍵力等紡織材料學(xué)第二章(07)2. 羊毛

12、纖維的結(jié)構(gòu)特征紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)(2) 羊毛纖維的組織結(jié)構(gòu)羊毛纖維是多細(xì)胞結(jié)構(gòu)體，有兩類細(xì)胞：鱗片細(xì)胞和皮質(zhì)細(xì)胞。每一個(gè)鱗片是一個(gè)細(xì)胞，稱為表皮細(xì)胞(cuticle cell)，由細(xì)胞間質(zhì)CMC(cell membrane complex)粘結(jié)組合成羊毛表面的連續(xù)覆蓋層。皮質(zhì)細(xì)胞(cortex cell)有正皮質(zhì)(ortho-cortex)細(xì)胞和副皮質(zhì)(para-cortex)細(xì)胞之分。羊毛的髓質(zhì)層。紡織材料學(xué)第二章(07)(2) 羊毛纖維的組織結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)(3) 羊毛的鱗片鱗

13、片為角質(zhì)化細(xì)胞，在成形后失去了細(xì)胞核和原生質(zhì)，形成為死細(xì)胞組織的角質(zhì)薄片。紡織材料學(xué)第二章(07)(3) 羊毛的鱗片紡織材料學(xué)第二章(07)(4) 羊毛的皮質(zhì)細(xì)胞由于正、副皮質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致一剛一柔，一伸一縮，使羊毛的整體外觀形態(tài)呈彎曲狀。正皮質(zhì)位于彎曲的外側(cè)；副皮質(zhì)位于彎曲的內(nèi)側(cè)。紡織材料學(xué)第二章(07)(4) 羊毛的皮質(zhì)細(xì)胞紡織材料學(xué)第二章(07)（5）細(xì)胞間質(zhì) (CMC)紡織材料學(xué)第二章(07)（5）細(xì)胞間質(zhì) (CMC)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)4. 蠶絲的結(jié)構(gòu)特（1）分子構(gòu)成及結(jié)構(gòu)蠶絲是昆蟲

14、加工的纖維，無細(xì)胞結(jié)構(gòu)。大分子也是氨基酸結(jié)構(gòu).紡織材料學(xué)第二章(07)4. 蠶絲的結(jié)構(gòu)特紡織材料學(xué)第二章(07)（2）微細(xì)結(jié)構(gòu)及形態(tài)蠶絲由絲膠和絲素構(gòu)成，絲膠包覆于絲素之外，絲素則是蠶絲纖維的主體. 紡織材料學(xué)第二章(07)（2）微細(xì)結(jié)構(gòu)及形態(tài)紡織材料學(xué)第二章(07)二、典型再生纖維素纖維的結(jié)構(gòu)特征1. 幾種粘膠纖維的典型結(jié)構(gòu)纖維結(jié)晶度(%)聚合度普通粘膠3035250300富強(qiáng)粘膠4550500左右強(qiáng)力粘膠5055300350Modal4246350450Tencel4852500550漿粕5565600紡織材料學(xué)第二章(07)二、典型再生纖維素纖維的結(jié)構(gòu)特征纖維結(jié)晶度(%)聚合度普通粘紡織

15、材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)紡織材料學(xué)第二章(07)2. Lyocell纖維 Lyocell纖維是可回收溶劑法制備的再生纖維素纖維。紡織材料學(xué)第二章(07)2. Lyocell纖維紡織材料學(xué)第二章(07)三、典型合成纖維的結(jié)構(gòu)1. 常規(guī)合成纖維(1) 滌綸纖維 (PET) 滌綸纖維或聚酯纖維，其大分子鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：單基由一個(gè)苯環(huán)、兩個(gè)酯基和兩個(gè)亞甲基(CH2)構(gòu)成。 紡織材料學(xué)第二章(07)三、典型合成纖維的結(jié)構(gòu)紡織材料學(xué)第二章(07)CH2CH2是柔性鏈；苯環(huán)使分子鏈的剛性增大，熔融熵減小，結(jié)晶速率減緩，所以按傳統(tǒng)的熔體紡絲法得到的初生纖維一般為非晶

16、態(tài)，但經(jīng)過拉伸取向可誘導(dǎo)快速結(jié)晶，不僅取向度高，而且結(jié)晶度也高。(挺括不皺)紡織材料學(xué)第二章(07)CH2CH2是柔性鏈；苯環(huán)使分子鏈的剛性增大，熔融熵減 (2) 錦綸纖維 (PA) 錦綸或聚酰胺纖維或尼龍主要特征是大分子鏈由酰胺鍵(CONH)連接，主要品種錦綸6和錦綸66，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：錦綸66錦綸6紡織材料學(xué)第二章(07) (2) 錦綸纖維 (PA) 紡織材料學(xué)第二章(07)(3) 腈綸纖維 (PAN) (4) 丙綸纖維(PP) (5) 維綸纖維 (PVA) (6) 氯綸纖維(PVC) P57-59紡織材料學(xué)第二章(07)(3) 腈綸纖維 (PAN) 紡織材料學(xué)第二章(07)常用纖維的單

17、基纖維素纖維：-葡萄糖剩基蛋白質(zhì)纖維：-氨基酸?；鶞炀]：對(duì)苯二甲酸乙二酯錦綸：己內(nèi)酰胺丙綸：丙烯腈綸：丙烯腈紡織材料學(xué)第二章(07)常用纖維的單基纖維素纖維：-葡萄糖剩基紡織材料學(xué)第二章(單基的化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類決定了纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸濕、染色性等，單基中極性官能團(tuán)的數(shù)量、極性強(qiáng)弱對(duì)纖維的性質(zhì)影響很大。 紡織材料學(xué)第二章(07)單基的化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類決定了纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸2. 差別化纖維(1) 異形與多孔差別化纖維在形態(tài)上改變，可引入異形和多孔。紡織材料學(xué)第二章(07)2. 差別化纖維紡織材料學(xué)第二章(07)例：(a)為單開孔，以增加表面積和內(nèi)凹蓄水和快速導(dǎo)水，但受壓后易于反滲水；(b)為中空帶微孔，若微孔與中空相通，則可以形成導(dǎo)水和擴(kuò)散；(c)為變異三葉形，大凹反射光性能優(yōu)良和減少接觸，葉頂小溝槽有利于導(dǎo)水和點(diǎn)狀接觸；(d)為表面多坑結(jié)構(gòu)，可柔和光澤和增加表面積極蓄水點(diǎn)。紡織材料學(xué)第二章(07)例：(a)為單開孔，以增加表面積和內(nèi)凹蓄水和快速導(dǎo)水，但受壓(2) 復(fù)合與超細(xì)復(fù)合纖維的常見結(jié)構(gòu)如圖2-28所示，主要為雙組份的，但也可以是多組份的，此時(shí)結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜。紡織材料學(xué)第二章(07)(2) 復(fù)合與超細(xì)紡織材料學(xué)第二章(07)對(duì)環(huán)芯多層結(jié)構(gòu)的夾層大量摻入碳黑，并