07-第6章 纖維的表面性質(zhì)

第六章纖維的表面性質(zhì)6/18/20231表6-1不同尺度材料表面結(jié)構(gòu)所占體積比材料體積比1m直徑的圓柱體(4~6)×10-91mm直徑的圓柱體(4~6)×10-6纖維（1m~100m）(4~6)×10-4納米材料（10nm~100nm）0.36~0.516/18/20232第一節(jié)纖維表面的內(nèi)涵一、表面的基本概念

1.纖維表面的定義指纖維表層0.5~5nm內(nèi)的組成、結(jié)構(gòu)和其亞微米尺度及其以下的表觀形態(tài)。形態(tài)亞微米尺度（submicro-scale）、厚度納米尺度（nanoscale）和分子尺度（molecularscale）

6/18/20233圖6-1表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)及相互作用纖維表面結(jié)構(gòu)與組成：非對稱、不均勻、結(jié)構(gòu)和形態(tài)不穩(wěn)定表層厚度：表層粒子間相互作用的非對稱性達到基本對稱時的厚度。表觀形態(tài)：最外層粒子排列的輪廓線6/18/20234圖6-2A/B物質(zhì)的界面層示意圖纖維表面更多地關(guān)注界面問題：纖維與其他物質(zhì)間、纖維中不同組份間、纖維中不同結(jié)構(gòu)相間結(jié)合面或區(qū)域的特征6/18/20235

2.表面能

所謂表面能，又稱表面（自由）能，是指形成單位面積表面所消耗的功。

圖6-3液體表面增大所作的功γ＝F/L，為表面張力，指單位線長垂直移動或開裂所需的力6/18/20236二、纖維表面涉及的內(nèi)容

1.纖維表面結(jié)構(gòu)內(nèi)涵

表面厚度（2nm~50nm）、表面形態(tài)、表面組成（表層內(nèi)粒子的構(gòu)成及分布）、和表面結(jié)構(gòu)（狹義的：表面中分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）圖6-4AFM的表面原子像(a)羊毛(b)兔毛圖6-5羊毛和兔毛的鱗片像（SEM）6/18/20237

2.纖維表面所涉及的基本物理性質(zhì)

摩擦性質(zhì)、浸潤性質(zhì)、纖維表面的熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，以及表面缺陷引起的力學(xué)性質(zhì)劣化等

圖6-6纖維表面缺陷導(dǎo)致的斷裂6/18/20238

3.纖維表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的一般分析方法圖6-7電子束激發(fā)的各類信息示意圖6/18/20239表6-2常用表面分析方法名稱及用途探針表面分析方法用途激發(fā)粒子能量或分析深度電子低能電子衍射LEED反射高能電子衍射俄歇電子譜AES掃描電子顯微鏡SEM透射電子顯微鏡TEM掃描隧道顯微鏡STM表面及吸附層結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)表面組分，結(jié)合能表面形貌表面形貌表面輪廓、結(jié)構(gòu)與成分能量E050~500eVE010~100keVE02~5keV全膜覆蓋表面表面復(fù)制膜形態(tài)表面輪廓<10nm光子紫外光電子能譜UPSX射線光電子能譜XPS電子束縛能，吸附態(tài)電子能態(tài)表面吸附深度1.0~5.0nm深度1.0~5.0nm離子二次離子質(zhì)譜SIMS表面元素分析E0>500eV“探針”原子力顯微鏡AFM表面結(jié)構(gòu)、輪廓和成分<10nm6/18/2023104.纖維的表面改性

纖維表面改性是纖維表面分析研究的主要目的，是期望通過有效方便的表面處理獲得理想、實用、新型纖維的主要方法

6/18/202311第二節(jié)纖維的表面特征一、天然纖維的表面特征

1.棉纖維

棱脊?fàn)顥l紋：棉纖維干癟收縮，表層和S1層起拱所致。交叉移動時輕微跳動，錚錚作響，可紡性，“起縐”表面結(jié)構(gòu)

圖6-8棉纖維的表面形態(tài)6/18/202312

2.毛發(fā)類纖維圖6-9羊毛纖維表面的鱗紋圖6-10羊毛纖維表面的鱗片結(jié)構(gòu)偽棱脊（較大的橫向突紋）、鱗紋（較細小的平行于纖維軸向的條紋

）、類膜物質(zhì)（2~4nm厚）6/18/202313圖6-11羽絨表面的原纖排列及“膜層”(TEM)兔毛纖維：極好的滑糯性羽絨纖維：表層結(jié)構(gòu)為排列規(guī)整的原纖，表面存在“膜層”

蠶絲纖維：表層一排原纖緊密，表層呈層狀結(jié)構(gòu)，具有絲膠及微細溝槽，以及一些毛絲，縱向滑爽、橫向略糙，有絲鳴6/18/202314二、化學(xué)纖維的表面特征

1.再生纖維

2.普通合成纖維圖6-12不同紡絲速度滌綸的表面結(jié)構(gòu)（SEM）6/18/202315圖6-13腈綸纖維的表面形態(tài)與結(jié)構(gòu)（SEM）6/18/202316三、表面改性和高性能纖維的表面特征

1.纖維粗糙化改性

增加纖維的有效外露面積，增加單位面積表面的吸附能（表面張力）

2.纖維柔軟化改性改善纖維表面的摩擦性，上柔軟劑，或表面涂層覆膜

圖6-14羊毛的等離子體刻蝕處理表面（SEM）6/18/202317

3.合成纖維的絲光改性主要是通過表面刻蝕的方式，在纖維表面產(chǎn)生微坑，通過微坑的反光聚焦作用產(chǎn)生閃光點

圖6-15滌綸的絲光處理表面（SEM）6/18/202318

4.高性能纖維的表面特征芳綸（Kevlar）是液晶紡絲，無明確的表層結(jié)構(gòu)，受剪切作用后，產(chǎn)生原纖劈裂伸出的表面

圖6-16芳綸纖維的表面形貌（SEM）6/18/202319第三節(jié)纖維的摩擦性質(zhì)一、纖維摩擦中的基本現(xiàn)象

1.摩擦系數(shù)

傳統(tǒng)表達的局限6/18/202320表6-3纖維的動、靜摩擦系數(shù)（μS，μD）纖維μSμD粘膠與粘膠0.350.26錦綸與錦綸0.470.40羊毛與羊毛順鱗片方向逆鱗片方向同纖維方向0.130.610.210.110.380.15羊毛與粘膠順鱗片方向0.110.09逆鱗片方向0.390.35羊毛與錦綸順鱗片方向0.260.21逆鱗片方向0.430.35（1）相對滑移速度的影響6/18/202321圖6-17滑動速度v與摩擦系數(shù)μ的關(guān)系摩擦力F或摩擦系數(shù)與滑動速度v相關(guān)6/18/202322（2）表觀接觸面積的影響式中，α為與粗糙度和材料硬度相關(guān)的常數(shù)（3）正壓力的影響兩物質(zhì)間的正壓力N的大小與摩擦并非線性關(guān)系式中，a，b，c均為常數(shù)，n為2/3~1的常數(shù)6/18/202323（4）表面粗糙度的影響光滑表面增加物體間的相互接觸面積；粗糙表面增加兩物體間的機械鎖結(jié)圖6-18摩擦系數(shù)μ與粗糙度r的關(guān)系6/18/202324（5）表面硬度的影響（6）纖維外觀形態(tài)及表面附著物的影響（7）環(huán)境溫濕度的影響纖維的截面形狀：非圓形纖維易于產(chǎn)生螺旋狀的轉(zhuǎn)曲，影響相互靠近，相互間接觸概率低，摩擦作用弱

纖維的卷曲：影響纖維間的相互糾纏，抱合力增加抱合力：指纖維間的正壓力N＝0時的纖維間的滑移阻力，是纖維成網(wǎng)、成條的根本機制接觸點塑變，增大接觸面積，導(dǎo)致機械鎖結(jié)的解體6/18/202325

2.粘－滑現(xiàn)象

產(chǎn)生粘－滑現(xiàn)象的本質(zhì)原因是纖維的靜、動摩擦力或靜、動摩擦系數(shù)的差異所致圖6-19粘－滑過程及摩擦力曲線下板塊以v被拖動時，由于FS，上滑塊與其同步粘合移動，彈簧拉力F增大。當(dāng)F>FS，上滑塊因F作用回退，動摩擦產(chǎn)生；當(dāng)F<FD時，粘合移動→粘－滑周而復(fù)始。6/18/202326滌綸絲與滌綸絲的粘－滑作用產(chǎn)生與消失的相對移動速度范圍圖6-20纖維摩擦中的粘－滑現(xiàn)象相對移動速度>0.1m/min時粘－滑現(xiàn)象將消失6/18/202327

3.摩擦的對稱性圖6-21纖維的對稱和非對稱摩擦示意圖對稱摩擦：雙變點接觸摩擦，“X”摩擦，瞬間接觸作用，溫差小、摩擦作用程度小非對稱：單變點接觸摩擦，“＋”摩擦，動纖維溫度逐漸上升6/18/202328圖6-22羊毛差微摩擦效應(yīng)4、摩擦的方向性a.摩擦的各向異性：μ∥≠μ⊥b.差微摩擦效應(yīng)：羊毛特有，Δμ＝μ逆－μ順>06/18/202329圖6-23羊毛氈縮過程示意圖羊毛集合體的氈化：由差微摩擦效應(yīng)，羊毛的高彈性伸長率和促進彈性伸長與回復(fù)的熱、濕、機械綜合作用完成的6/18/202330二、摩擦機理與測量

1.纖維的摩擦機理Fad：粘附力，摩擦作用的大小與相對滑移速度有關(guān)Fl：鎖結(jié)力，宏觀形態(tài)的鎖結(jié)造成了接觸點處的卡扣和鎖結(jié)Fp：耕犁力，由于材料變形，剪切而被刨刮、耕犁的力Fad，F(xiàn)l和Fp均為接觸面積A、粗糙度r、相對滑移速度v的函數(shù)6/18/202331圖6-24絞盤法測量原理示意圖2.纖維摩擦性質(zhì)的測量若F=μN

代入上式得：T1=m；T0=m-FS,D；θ=π∴∴∵6/18/202332圖6-25

纖維抽拔法實驗原理（a）不加壓可測單纖維的抱合力F0f；加壓可測摩擦阻力Fτf

（b）可測單纖維在粘結(jié)劑中的粘結(jié)力6/18/202333圖6-26

刮動法測量裝置原理圖典型的非對稱測量6/18/202334第四節(jié)纖維的浸潤性與芯吸一、纖維浸潤（wetting）現(xiàn)象

1.平衡與非平衡浸潤圖6-27平衡浸潤模型（1）平衡態(tài)浸潤（靜態(tài)浸潤）氣、液、固三相交匯點b受力達到平衡（∑X=0），達到平衡不變的液體形狀Young-Dupré方程6/18/202335θ可否浸潤cosθ狀態(tài)θ＝0°完全浸潤1或稱鋪展0<θ<90可浸潤0正浸潤θ=90無浸潤0零浸潤90θ180不可浸潤0負浸潤θ=180完全不浸潤1隨遇穩(wěn)態(tài)表6-4平衡浸潤的幾種形式接觸角θ：指氣－液切面與固－液界面間，含液體的夾角接觸角θ值表達固體的浸潤性6/18/202336（2）非平衡浸潤（鋪展浸潤、動態(tài)浸潤）在理論上已轉(zhuǎn)化為氫鍵或化學(xué)鍵作用的吸附過程，Young-Dupré方程不再適用鋪展浸潤的特征：液滴在固體表面上的展開成膜，原有的固－氣界面消失6/18/202337

2.浸潤的滯后性

固體表面第一次浸潤（θ1）和第二次浸潤（θ2

）間存在的差異3.偽浸潤現(xiàn)象指由于材料的表觀形態(tài)與真實形態(tài)存在差異，或材料表面不同組份的組合使液滴的三相交匯點落在某一位置或組份中，而引起的表觀接觸角不能表達或不能完全表達真實浸潤性的現(xiàn)象6/18/202338圖6-28

粗糙表面浸潤模型圖圖6-29不同組份表面的浸潤模型形態(tài)偽浸潤組份偽浸潤表觀接觸角θA≠θB≠θ，θA’=θA’’=θB’=θB’’=θ為真正的接觸角不同組份的區(qū)域趨向于微觀化時，θA與θB的差異趨向一個穩(wěn)態(tài)值θAB

6/18/202339二、纖維浸潤性測量

1.接觸角θ測量圖6-30

插入轉(zhuǎn)動法示意圖圖6-31

懸滴法計算示意和實物圖6/18/202340圖6-32

浸潤的前進角和后退角的測量示意6/18/202341

2.浸潤力的測量

圖6-33浸潤力測量原理圖F為纖維拔出力；FP為浸潤力；Gf為纖維的重力；Fb為纖維浸潤段的浮力將F換算出表面張力的表達，并令纖維為圓形截面，可得（1）豎直拔出法6/18/202342圖6-34

典型的實驗曲線及過程示意圖(2)水平浸入拉出法6/18/202343圖6-35液面和纖維的接觸點的關(guān)系示意圖6/18/202344圖6-36實驗曲線中力值變化分析示意圖浸潤因子w為FAB和FCD分別為AB和CD段得力值當(dāng)θ＝β時不考慮纖維架和纖維的浮力作用6/18/202345表6-5浸潤因子與接觸角θ的關(guān)系力值關(guān)系浸潤因子接觸角FCDw→∞θ=0FAB1<w