纖維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)

紡織材料學(xué)纖維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)本章知識(shí)點(diǎn)1.纖維的大分子結(jié)構(gòu)2.纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)3.纖維結(jié)構(gòu)的研究測(cè)試方法及特點(diǎn)第一章纖維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)

我們已知,可供紡織加工使用的纖維原料品種有許多種類，他們具有不同的物理、化學(xué)特性，進(jìn)而在不同使用環(huán)境中表現(xiàn)出各自的使用特性，并決定其應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用領(lǐng)域范圍。

纖維是由一種或多種高分子通過某種形式集聚堆砌而成，其所表現(xiàn)出來(lái)的某種使用特性，取決于構(gòu)成纖維的大分子組成、結(jié)構(gòu)以及其聚集結(jié)構(gòu)狀態(tài)和纖維中各種組成成分含量比例、分布狀態(tài)。第一章纖維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)這些大分子的組成元素或基團(tuán)、排列方式以及它們之間的相互作用構(gòu)成纖維各項(xiàng)內(nèi)在性能。而他們又受到纖維加工工藝的影響，不同加工工藝的選擇，可以使材料性質(zhì)得到最大限度的表現(xiàn)。因此學(xué)習(xí)纖維結(jié)構(gòu)是開發(fā)新型纖維品種、設(shè)計(jì)纖維生產(chǎn)加工方式和工藝、了解纖維的各種物理性能和使用特性的基礎(chǔ)。

對(duì)于纖維結(jié)構(gòu)的研究和認(rèn)識(shí)有一個(gè)逐步發(fā)展的過程，其研究歷史可追朔到十九世紀(jì)中后期，其中代表人物為Nageli等，到二十世紀(jì)二十年代，人們開始應(yīng)用了X-射線衍射（WAXD）分析纖維，對(duì)纖維結(jié)構(gòu)有了逐步深入的認(rèn)識(shí)。

Seifriz、Meyer、Herrmann、Gerngross、Kratky、Mark、Frey-Wyssling、VanderWyk、Hermans、HessKiessig、Gotze、Hess、Mahl、Gutter、Bumn、Sherer、Alexander、Hudson、Stuart、Jane、Boulton、Battista、Hohenstein、Ullman、Cumberbirch和Harland等人分別提出過不同的纖維的細(xì)微結(jié)構(gòu)模型，對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的研究做出過重大貢獻(xiàn)。特別是Hearle和他的同事對(duì)纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不懈的探索，他們所提出的模型至今影響著現(xiàn)在人們對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)和閱讀上述科學(xué)工作的參考文獻(xiàn)，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和研究纖維結(jié)構(gòu)無(wú)疑是必不可少的。第一章纖維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)

纖維通過自然生物合成或人工制造的方法形成，是有成千上萬(wàn)根大分子組成，纖維內(nèi)大分子將會(huì)根據(jù)加工形成條件的不同，按照一定的規(guī)律排列構(gòu)成纖維整體結(jié)構(gòu)形態(tài)，不同纖維的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性。

為了能夠清晰地認(rèn)識(shí)和表征纖維結(jié)構(gòu)，一般采用將纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)（finestructure）按照不同的結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行分析，如圖1-1。

纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)容主要包括高分子鏈的結(jié)構(gòu)以及高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)（又稱聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)）以及形態(tài)結(jié)構(gòu)。第一章纖維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)圖1-1纖維的多層結(jié)構(gòu)

一、纖維大分子主鏈的化學(xué)組成及連接方式纖維大分子主鏈?zhǔn)怯赡硞€(gè)結(jié)構(gòu)單元（鏈節(jié)）以化學(xué)鍵的方式重復(fù)連接而成的線型長(zhǎng)鏈分子。鏈結(jié)構(gòu)中主要是由碳和氫兩元素構(gòu)成，還可以有氧、氮、磷、氯、硫、鋁、硅、硼等元素。這些元素是構(gòu)成纖維的基礎(chǔ)物質(zhì)，它們之間通常是以共價(jià)鍵的形式連接。

按主鏈構(gòu)成的化學(xué)組成，纖維大分子可以分為以下三種：第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)

1、均鏈大分子（homochainpolymer）

主鏈均由一種原子以共價(jià)鍵組成的大分子鏈，通常是以碳-碳共價(jià)鍵相連而成，這類大分子一般由加聚反應(yīng)制得。該類纖維品種如聚丙烯纖維、聚氯乙烯纖維等。第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)

2、雜鏈高分子（heterochainpolymer）

主鏈有兩種或兩種以上的原子組成的高分子鏈。

通常由碳-氧、碳-氮、碳-硫等以共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)而成，主要通過縮聚反應(yīng)或開環(huán)聚合而成。

該類纖維品種有聚酰胺纖維、聚酯纖維等，其特點(diǎn)為高分子鏈剛性較大，力學(xué)性能和耐熱性較好，但由于主鏈中含有極性基團(tuán)，易于產(chǎn)生水解、醇解和酸解。3、元素有機(jī)高分子（elementaryorganicpolymer）高分子主鏈上含有磷、硼、鋁、硅、鈦等元素，并在其側(cè)鏈上含有有機(jī)基團(tuán)的高分子。該類纖維品種有碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維等，此類纖維具有有機(jī)物的彈性和塑性，也具有無(wú)機(jī)物的高耐熱性，屬于高性能纖維。第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)構(gòu)成纖維大分子主鏈的結(jié)構(gòu)單元稱為“單基”，不同纖維大分子，其單基組成結(jié)構(gòu)是不同的。如纖維素的單基為α-葡萄糖剩基；蛋白質(zhì)單基是α-氨基酸剩基；聚酯單基是對(duì)苯二甲酸乙二酯。各種纖維的單基結(jié)構(gòu)式如表1-1所示。

大分子長(zhǎng)鏈中，大分子鏈的鍵接方式可以由一種結(jié)構(gòu)單元組成，稱其為均聚物纖維；

也可以由兩種或兩種以上的結(jié)構(gòu)單元組成，稱為共聚物纖維。

在均聚物纖維中，其單基可以是完全相同的（如纖維素、聚乙烯等），也可以是基本相同的（如蛋白質(zhì)等）。

第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)

此外，在均聚物纖維中，也會(huì)出現(xiàn)大分子鏈節(jié)內(nèi)各原子和基團(tuán)通過化學(xué)鍵所形成的空間排列以及鏈節(jié)之間的排列順序的不同，即大分子產(chǎn)生不同的“構(gòu)型”。其中若只是原子和基團(tuán)在順序上的改變稱為構(gòu)造同分異構(gòu)體；空間位置上的改變稱為立體同分異構(gòu)體。

不同構(gòu)型所形成的大分子，雖然組成物質(zhì)是相同的，但纖維性能也可能存在較大的差異。

結(jié)合我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)可知，構(gòu)成單基的組成特征不同，將會(huì)形成不同種類的物質(zhì)形式，也就是說纖維大分子的性能具有本質(zhì)的差異。

即單基的結(jié)構(gòu)特征是決定大分子性能的基礎(chǔ)。

因此可以通過學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)單基的組成基團(tuán)的特征，對(duì)纖維的性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。第一節(jié)

纖維大分子結(jié)構(gòu)二、側(cè)基與端基側(cè)基（sidegroups)是分布在大分子主鏈兩側(cè)并通過化學(xué)鍵與大分子主鏈連接的化學(xué)基團(tuán)。側(cè)基的性能、體積大小、極性等對(duì)大分子的柔順性、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)具有影響，進(jìn)而影響到纖維的加工工藝性，也影響到纖維熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和耐化學(xué)性質(zhì)等。在生產(chǎn)實(shí)踐中，可采用對(duì)大分子主鏈進(jìn)行接枝或組裝具有某種特性的側(cè)基基團(tuán)，使纖維實(shí)現(xiàn)功能化特征。端基（endgroups）是指大分子兩端的結(jié)構(gòu)單元，與主鏈“單基”結(jié)構(gòu)有很大差別，大分子端基的結(jié)構(gòu)取決于聚合過程中鏈的引發(fā)和終止方式，可以來(lái)自單體、引發(fā)劑、溶劑、分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑等，對(duì)纖維的熱穩(wěn)定性能、光熱穩(wěn)定性有較大影響?？衫枚嘶系幕钚怨倌軋F(tuán)對(duì)纖維進(jìn)行改性處理（如擴(kuò)鏈、嵌段等），也可通過準(zhǔn)確測(cè)定端基結(jié)構(gòu)和數(shù)量，研究大分子的相對(duì)分子質(zhì)量。二、側(cè)基與端基三、大分子鏈的柔性

大分子鏈的柔性（flexibility）是指其能夠改變分子構(gòu)象的性質(zhì)，也就是大分子鏈可以呈現(xiàn)出各種形態(tài)的性質(zhì)。

三、大分子鏈的柔性纖維的線性大分子，如果主鏈包含大量的旋轉(zhuǎn)性較好的σ鍵，主鏈四周圍側(cè)基分布比較均衡，側(cè)基比較小，且其之間結(jié)合力也較弱，從而使鏈節(jié)較容易繞主鏈鍵旋轉(zhuǎn)，大分子鏈伸直和彎曲比較容易，可呈現(xiàn)出多種構(gòu)象形態(tài)，大分子鏈較為“柔軟”。反之，大分子鏈較為“僵硬”，不宜彎曲或伸直。大分子旋轉(zhuǎn)示意圖如圖1-2。圖1-2大分子旋轉(zhuǎn)示意圖三、大分子鏈的柔性

大分子鏈的柔性可以用末端距表征，末端距是指大分子鏈兩端之間的直線距離，末端距越小，大分子鏈的柔性越高。

三、大分子鏈的柔性三、大分子鏈的柔性

大分子鏈柔性受到多方面因素的影響。一般情況下，主鏈結(jié)構(gòu)含有C-C、Si-O、C-O鍵的大分子鏈具有較好的柔性，如聚乙烯纖維；

主鏈結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵大分子鏈（-C=C-C=C-）的柔性會(huì)顯著降低，如聚乙炔纖維；

當(dāng)分子鏈中含有芳雜環(huán)時(shí)，大分子鏈的柔性較差，如聚苯硫醚纖維。

三、大分子鏈的柔性

當(dāng)大分子鏈含有側(cè)基時(shí)，如果側(cè)基極性越大，體積越大，則大分子鏈僵硬。

若在大分子之間形成氫鍵，大分子的剛性增加，如纖維素纖維。

此外，纖維所處的環(huán)境因素（溫度、濕度、應(yīng)力等）和制造加工或改性處理過程中的添加劑（如增塑劑）也會(huì)對(duì)大分子鏈的柔性產(chǎn)生影響。三、大分子鏈的柔性四、相對(duì)分子量及其分布

為了保證纖維的使用性能要求，纖維中的線性大分子鏈必須具有一定的長(zhǎng)度，通常大分子鏈的大?。ɑ蜷L(zhǎng)短）可采用單基的重復(fù)次數(shù)表示，如纖維素大分子式可表示為[C6H10O5]n。這樣就需要由n個(gè)重復(fù)單元（單基）相互連接而成，從而達(dá)到一定的聚合度。所謂“聚合度”是指大分子鏈中單基的重復(fù)個(gè)數(shù)，即纖維分子式中的n值，其可由大分子相對(duì)分子質(zhì)量和單基相對(duì)分子質(zhì)量的比值求得。

單基相對(duì)分子質(zhì)量可依據(jù)單基結(jié)構(gòu)式的元素構(gòu)成計(jì)算求得。

大分子相對(duì)分子質(zhì)量可通過化學(xué)法（端基分析法）、熱力學(xué)法（蒸氣壓法、滲透壓法、沸點(diǎn)升高和冰點(diǎn)下降法）、光學(xué)法（光散射法）、動(dòng)力學(xué)法（黏度法）、凝膠滲透色譜法測(cè)量得到。

特別強(qiáng)調(diào)，纖維大分子的相對(duì)分子量并不是一個(gè)定值，而呈現(xiàn)一個(gè)分布。因此，大分子相對(duì)分子質(zhì)量是一個(gè)統(tǒng)計(jì)的平均值。四、相對(duì)分子量及其分布四、相對(duì)分子量及其分布纖維大分子相對(duì)質(zhì)量的大小，對(duì)纖維的拉伸、彎曲、沖擊強(qiáng)度和模量、熱學(xué)及熱穩(wěn)定性能、光學(xué)性能、透通性能、耐化學(xué)藥品性能等具有較大影響，也影響到纖維的加工性能。如超高分子質(zhì)量的聚乙烯纖維（PE）與普通聚乙烯纖維相比，拉伸強(qiáng)度相差2-3倍。第二節(jié)纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)纖維從宏觀上講，是由大分子按一定方式規(guī)律堆集而成。纖維的性能，除了受到纖維大分子結(jié)構(gòu)的影響，大分子鏈的堆集形成的狀態(tài)規(guī)律也是重要的因素。在分子間作用力下，纖維內(nèi)大分子之間的排列和堆砌結(jié)構(gòu)稱為纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，或超分子（supermolecule）結(jié)構(gòu)。第二節(jié)纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)纖維凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的形成，取決于其組成大分子的結(jié)構(gòu)、纖維形成過程的條件，紡織后加工工藝也有重要的影響，并將最終影響到纖維的使用性能。因此，學(xué)習(xí)和掌握纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的表征參數(shù)，以及與大分子鏈結(jié)構(gòu)和各種外部條件之間的關(guān)系，成為進(jìn)一步學(xué)習(xí)纖維的成形加工過程的控制、纖維性能利用和紡織設(shè)計(jì)加工以及對(duì)纖維進(jìn)行物理改性必要的理論基礎(chǔ)。一、纖維大分子間的作用力1、作用力的種類和性質(zhì)纖維大分子之間的堆砌，分子間的作用力對(duì)纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)形式起著關(guān)鍵的作用，并影響纖維的力學(xué)、熱學(xué)等性能。

大分子之間的作用力形式有范德華力、氫鍵、鹽式鍵、化學(xué)鍵等。

一、纖維大分子間的作用力范德華力氫鍵鹽式鍵化學(xué)鍵熵聯(lián)鍵能（kJ/mol）2.1-23.05.4-42.7125.6-209.3209.3-837.431.0-48.6作用距離（nm）0.3-0.50.23-0.320.09-0.270.09-0.190.44-0.49表1-2作用力的鍵能和作用距離范德華力（VanderWaal’sforce）范德華力（VanderWaal’sforce）：范德華力包括靜電力、誘導(dǎo)力和色散力三種作用形式，其特點(diǎn)是普遍存在于大分子之間，沒有方向性和飽和性。靜電力存在于極性分子之間，是由極性基團(tuán)的永久偶極引起的，與相互作用的兩種極性分子的偶極矩大小的平方積成正比，與分子間距離的六次方成反比，并與材料絕對(duì)溫度（決定偶極的定向程度）成反比。靜電力的作用能為12-20kJ/mol,聚乙烯醇纖維、聚酯纖維等分子間作用力主要為靜電力。范德華力（VanderWaal’sforce）誘導(dǎo)力主要存在于極性分子與非極性分子之間，是由極性分子的永久偶極與其他分子的誘導(dǎo)偶極之間的相互作用，其大小與分子偶極距的平方和極化率的乘積成正比，與分子間距離的六次方成反比。色散力是由于分子間的瞬間偶極引起的相互作用，其作用能大小與兩種分子的電離能、分子極化率和分子間的距離有關(guān)。氫鍵

氫鍵：是氫原子與其他電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間形成的一種較強(qiáng)的相互作用，具有方向性和飽和性。氫鍵的作用能強(qiáng)度與其他原子的電負(fù)性和原子半徑有關(guān)，電負(fù)性越大，原子半徑越小，則氫鍵的作用強(qiáng)度越強(qiáng)。一些分子中含有極性基團(tuán)（如羧基、羥基等）的纖維如聚酰胺、纖維素、蛋白質(zhì)纖維中都可形成分子間的氫鍵。鹽式鍵鹽式鍵：部分纖維的側(cè)基在成對(duì)的某些專門基團(tuán)之間產(chǎn)生能級(jí)躍遷原子轉(zhuǎn)移，形成絡(luò)合物類型配價(jià)鍵性質(zhì)的化學(xué)鍵，稱為鹽式鍵。如在羧基-COOH與氨基-NH2接近時(shí)，羧基上的氫原子轉(zhuǎn)移到氨基上，形成一對(duì)羧基離子-COO-和氨基離子-NH3+，在它們之間結(jié)合成-COO-……+H3N-鹽式鍵?；瘜W(xué)鍵化學(xué)鍵：部分纖維的大分子之間，存在著化學(xué)鍵的形式聯(lián)接，如蛋白質(zhì)纖維中，蛋白質(zhì)大分子中的胱氨酸，用二硫鍵（化學(xué)鍵）將兩個(gè)大分子主鏈聯(lián)結(jié)起來(lái)。與分子內(nèi)化學(xué)鍵相比，雖然分子間力的鍵能要小1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，但由于大分子的分子鏈很長(zhǎng)，因此大分子間作用力的總和還是相當(dāng)可觀的。熵聯(lián)（entiopyunion）熵聯(lián)（entiopyunion）：高聚物大分子之間吸附的（溶劑）分子撤離后成為自由分子過程中，高聚物分子熵增加所顯示的相互吸引能。它主要存在于無(wú)氫鍵、鹽式鍵、化學(xué)鍵的分子之間，但其作用能顯著高于范德華力。

一、纖維大分子間的作用力2、內(nèi)聚能密度為了從宏觀整體上直觀地表達(dá)分子間作用的大小，常采用內(nèi)聚能和內(nèi)聚能密度指標(biāo)表征。

內(nèi)聚能是將1mol的固體氣化所需要的能量，定義為

ΔU=ΔH-RT

（1-4）ΔU為內(nèi)聚能，ΔH為摩爾汽化熱，RT為汽化時(shí)的膨脹功。

一、纖維大分子間的作用力內(nèi)聚能密度為單位體積的內(nèi)聚能（kJ/cm3），可表示為：

（1-5）式中V為摩爾體積。

一、纖維大分子間的作用力表1-3為部分纖維的內(nèi)聚能密度。纖維品種內(nèi)聚能密度（kJ/cm3）聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯477聚酰胺66774聚丙烯腈992聚乙烯260聚氯乙烯381表1-3部分纖維的內(nèi)聚能密度從表中可以看出，內(nèi)聚能密度越大，大分子的極性越大。由于纖維大分子氣化之前，化學(xué)鍵已經(jīng)斷裂，纖維的內(nèi)聚能可采用纖維能全面溶解的溶劑，以此溶劑的內(nèi)聚能密度估計(jì)纖維的內(nèi)聚能密度。二、纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)本節(jié)從纖維聚集態(tài)細(xì)微結(jié)構(gòu)對(duì)纖維物理和實(shí)用性能影響角度出發(fā)，介紹纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的基本特征。1、纖維結(jié)構(gòu)的一般特征纖維結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜問題，如前所述，歷史上曾經(jīng)有許多科學(xué)家提出過幾十種結(jié)構(gòu)模型對(duì)其進(jìn)行描述，其中圖1-3所示為Morton和Hearle提出的修正穗邊微束結(jié)構(gòu)模型的示意圖。1、纖維結(jié)構(gòu)的一般特征

取向度和結(jié)晶度取向度和結(jié)晶度大分子折疊結(jié)晶較低纖維結(jié)構(gòu)較高纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)圖1-3纖維修正穗邊微束結(jié)構(gòu)模型的示意圖1、纖維結(jié)構(gòu)的一般特征可以看出，纖維是由成千上萬(wàn)根線性長(zhǎng)鏈大分子組成，這些大分子局部排列整齊，他處排列紊亂；整齊排列區(qū)構(gòu)成結(jié)晶區(qū)，紊亂排列部分為非晶區(qū)；在結(jié)晶區(qū)中，數(shù)根大分子以某種形式進(jìn)行較整齊并且沿晶粒長(zhǎng)度方向上平行排列，在兩個(gè)結(jié)晶區(qū)之間，由“縛結(jié)分子”進(jìn)行連接，并由縛結(jié)分子進(jìn)行無(wú)規(guī)則地排列形成紊亂的非晶區(qū)（無(wú)定形區(qū)）。1、纖維結(jié)構(gòu)的一般特征每一根大分子可能間隔地穿越幾個(gè)結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，靠大分子之間的結(jié)合力以及大分子之間的纏結(jié)把大分子相互聯(lián)結(jié)在一起，又靠穿越兩個(gè)以上結(jié)晶區(qū)的縛結(jié)分子把各結(jié)晶區(qū)聯(lián)系起來(lái)，并由組織結(jié)構(gòu)比較疏松紊亂的非晶區(qū)把各結(jié)晶區(qū)間隔開來(lái)，使纖維形成一個(gè)疏密相間而又不散開的整體。纖維中大分子的排列方向與纖維長(zhǎng)度方向（軸向）呈現(xiàn)一定的取向。從總體上講，紡織纖維是由結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)構(gòu)成的混合體。宏觀上，上述結(jié)構(gòu)特征可以從兩個(gè)方面進(jìn)行表征：（1）紡織纖維中結(jié)晶區(qū)的大小占纖維的比例，通常用纖維的結(jié)晶度表達(dá)；（2）大分子的排列方向與纖維軸向符合程度，用纖維的取向度表達(dá)。1、纖維結(jié)構(gòu)的一般特征2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)（1）結(jié)晶結(jié)構(gòu)形態(tài)纖維中的結(jié)晶區(qū)是由晶體構(gòu)成，晶體是纖維大分子按照規(guī)則的三維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性有序排列所形成的結(jié)構(gòu)體，其中構(gòu)成晶體的最小單元為晶胞，也就是說晶體是由晶胞的周期性重復(fù)構(gòu)成的。晶胞的形態(tài)和大小，可用三維立體結(jié)構(gòu)中的三個(gè)邊的長(zhǎng)度a、b、c以及三個(gè)邊之間的夾角α、β、γ六個(gè)參量來(lái)表征，這些參數(shù)通常稱為晶格常數(shù)，如圖1-4所示（邊長(zhǎng)c的方向一般是纖維長(zhǎng)度軸方向）。目前已發(fā)現(xiàn)纖維高聚物中共有七個(gè)典型的晶胞結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)列舉在表1-4中。2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)七種典型晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)表1-4圖1-4晶胞結(jié)構(gòu)2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶胞的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，表示晶體中大分子的排列方式和結(jié)構(gòu)不同。對(duì)于相同大分子纖維，若所形成的晶體中的晶胞具有不同晶格參數(shù)，其性能特征具有較大差異。晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)取決于大分子性質(zhì)和纖維生長(zhǎng)（天然纖維）、加工過程中的條件。另外纖維在經(jīng)過紡織染整加工中某些條件處理后，其晶體晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)是可以改變的。2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)（2）纖維中的結(jié)晶形態(tài)

對(duì)纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)的研究，人們采用X射線衍射、中子散射、顯微分析等手段，分別研究了各種不同高聚物在不同條件下所形成的結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)高聚物中存在不同形式的結(jié)晶形態(tài)，包括單晶，球晶、樹枝狀晶、原纖狀晶、串晶和柱晶等，而組成這些晶體的片晶主要有折疊鏈片晶和伸直鏈片晶。

2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)單晶是一些具有規(guī)則幾何形狀的薄片狀的晶體，厚度通常在10nm左右，大小可以從幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米，一般是在小于0.01%極稀的溶液中緩慢結(jié)晶時(shí)生成，為折疊鏈片晶組成。樹枝狀晶是由單晶在特定方向上擇優(yōu)生長(zhǎng)，從而使結(jié)晶發(fā)展不均勻形成，一般當(dāng)高聚物分子量很大，而所形成的溶液濃度較高時(shí)，或低溫條件下，將會(huì)形成此類結(jié)晶。球晶是大分子在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，從濃溶液或熔體中緩慢冷卻形成的球狀的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，球晶中的晶片為折疊鏈片晶，在各片晶之間存在伸直鏈片晶的聯(lián)結(jié)。2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)原纖狀晶體是高聚物大分子在結(jié)晶過程中受到攪拌、拉伸或剪切作用時(shí)所形成，是由完全伸展的分子鏈所組成。串晶是由高分子溶液邊攪拌邊結(jié)晶形成的結(jié)晶形態(tài)，串晶的中心是伸直鏈結(jié)構(gòu)的原纖狀晶體，外延間隔地生長(zhǎng)著折疊鏈晶片。柱晶是高聚物熔體在應(yīng)力作用下冷卻結(jié)晶形成的以折疊鏈片晶為主的柱狀晶體?；瘜W(xué)纖維一般是在高壓力擠出加工條件下形成，在纖維的結(jié)晶區(qū)中，常存在著串晶、柱晶和原纖狀晶體等結(jié)晶形式，有時(shí)也會(huì)存在球晶形式。雖然在通常情況下球晶形式應(yīng)該在生產(chǎn)中盡量避免，但如果纖維被要求具有一些特殊的光學(xué)性質(zhì)時(shí)，球晶形式就是一種希望得到的結(jié)晶形態(tài)。2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)(3)結(jié)晶度

上述討論我們知道，結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)的性能存在著較大差異，纖維中結(jié)晶區(qū)的大小和所占纖維的比例，就直接影響到纖維的性能和加工工藝的控制，因此采用結(jié)晶度的概念對(duì)結(jié)晶部分的含量進(jìn)行定量表述。2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)

纖維中晶區(qū)部分的質(zhì)量或體積占纖維總質(zhì)量或總體積的百分?jǐn)?shù)稱為結(jié)晶度，可用以下表達(dá)式計(jì)算：

2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)式中：fm-質(zhì)量結(jié)晶度；fv-體積結(jié)晶度；Mc-纖維中晶區(qū)部分的質(zhì)量；Ma-纖維非結(jié)晶部分的質(zhì)量；Vc-纖維中晶區(qū)部分的體積；Va-纖維非結(jié)晶部分的體積。2、纖維的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試?yán)w維結(jié)晶度的方法有密度法、X射線衍射法、紅外光譜法、量熱分析法等。但要注意的是，在同一根纖維中晶區(qū)和非晶區(qū)相互交織，同時(shí)存在，并沒有明確的界限，而不同的測(cè)定方法對(duì)晶區(qū)和非晶區(qū)的界定不同。因此采用上述各種方法測(cè)試結(jié)晶度時(shí)，所得測(cè)定結(jié)果存在較大的差異，這樣給出某纖維的結(jié)晶度時(shí)，必須說明相對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法。而比較不同纖維結(jié)晶度時(shí)，必須采用相同方法的測(cè)試結(jié)果。3、纖維的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是指大分子鏈不具備三維有序的排列結(jié)構(gòu)。纖維中呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱為非晶區(qū)。3、纖維的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)目前對(duì)于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)認(rèn)識(shí)，主要是1942年P(guān).J.Flory從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)出發(fā)，提出的非晶態(tài)的“無(wú)規(guī)線團(tuán)模型”，該模型認(rèn)為非晶態(tài)的高聚物是由大分子的無(wú)規(guī)線團(tuán)組成，每條大分子鏈處于其他許多相同的大分子鏈的包圍中，分子內(nèi)和分子間的相互作用是相同的。根據(jù)無(wú)規(guī)線團(tuán)理論建立的數(shù)學(xué)模型，能較好的計(jì)算預(yù)測(cè)非晶態(tài)高聚物的行為。3、纖維的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)當(dāng)然對(duì)于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，也存在其它的觀點(diǎn)，比較典型的為1972年Yel提出的“兩相球粒模型”，認(rèn)為非晶態(tài)的高聚物是由折疊鏈構(gòu)象的“粒子相”和無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象的“粒間相”構(gòu)成。也就是說，在無(wú)規(guī)線團(tuán)中存在著局部有序的大分子排列。此模型也能夠解釋部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。纖維非晶態(tài)結(jié)構(gòu)也是一種非常重要的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，直接影響纖維的力學(xué)、熱學(xué)以及吸附等性能，尚需進(jìn)一步研究。4、纖維的取向結(jié)構(gòu)由于大分子鏈為細(xì)而長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)形式，其長(zhǎng)度與寬度比為幾千甚至上萬(wàn)倍，因此，纖維中大分子鏈、鏈段和晶體的長(zhǎng)度方向沿著纖維的幾何軸向呈現(xiàn)一定夾角排列，這種排列方式稱為纖維大分子的取向排列。取向后的纖維的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)稱為取向態(tài)結(jié)構(gòu)。4、纖維的取向結(jié)構(gòu)大分子排列方向與纖維幾何軸向符合的程度稱為取向程度。取向程度可用取向度或取向因子指標(biāo)表達(dá)，定義為：

（1-8）

上式中θ為大分子鏈節(jié)排列方向與纖維幾何軸線之間的夾角，cos2θ為平均取向因子。例如，當(dāng)大分子排列與纖維軸平行時(shí)，θ=0°，f=1.000，表示完全取向；當(dāng)大分子排列與纖維軸垂直時(shí)，θ=90°，f=-0.500；當(dāng)f=0.000時(shí)，θ=54.74°。4、纖維的取向結(jié)構(gòu)由于纖維中結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)的大分子排列狀態(tài)的不同，故分別有結(jié)晶區(qū)取向度、非晶區(qū)取向度和纖維平均取向度等指標(biāo)。結(jié)晶區(qū)取向度采用廣角X射線衍射法能夠精確的獲得，非晶區(qū)取向度的測(cè)試常用聲波傳播法、偏振熒光法、光學(xué)雙折射法、紅外二相色法等。4、纖維的取向結(jié)構(gòu)取向度是表征纖維材料各向異性結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，纖維中大分子的取向排列造成纖維的力學(xué)性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能所表現(xiàn)出的各向異性。4、纖維的取向結(jié)構(gòu)對(duì)于化學(xué)纖維，大分子取向排列的形成通常是由于加工過程中纖維受到拉伸（牽伸），大分子沿受力方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的?？刂苹w生產(chǎn)工藝參數(shù)，可獲得不同的取向結(jié)構(gòu)，天然纖維的取向度則取決于其種類和品種。5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)根據(jù)顯微分析方法對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的觀察，從高聚物大分子排列堆砌組合形成纖維，經(jīng)歷了多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)層次，且該微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為具有不同尺寸的原纖結(jié)構(gòu)特征。一般認(rèn)為纖維中包含了大分子、基原纖、微原纖、原纖、巨原纖、細(xì)胞、纖維等結(jié)構(gòu)層次。其各級(jí)原纖結(jié)構(gòu)特征有以下幾點(diǎn)。5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)（1）基原纖（protofibril或elementaryfibril）通常由幾根或十幾根直線鏈狀大分子，按照一定的空間位置排列，相對(duì)穩(wěn)定地形成結(jié)晶態(tài)的大分子束。其形態(tài)可以是伸直平行排列，也可以是螺旋狀排列，取決于大分子的組成結(jié)構(gòu)特征?；w的結(jié)構(gòu)尺寸為1～3nm(10～30?),是原纖結(jié)構(gòu)中最基本的結(jié)構(gòu)單元。

5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)(2)微原纖（microfibril）由若干根基原纖平行排列結(jié)合在一起的大分子束。微原纖內(nèi)一方面靠相鄰基原纖之間的分子間力聯(lián)結(jié)，一方面靠穿越兩個(gè)基原纖的大分子將兩個(gè)基原纖連接起來(lái)。在微原纖內(nèi)，由于基原纖之間存在一些縫隙和孔洞。微原纖的橫向尺寸一般為4-8nm(40-80?)，也有大到100nm。5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)（3）原纖（fibril）由若干根基原纖或微原纖基本平行排列結(jié)合在一起形成更粗大些的大分子束。原纖內(nèi)，由于兩基原纖或微原纖靠“縛結(jié)分子”連接，因此造成比微原纖中更大的縫隙、空洞，并已有非結(jié)晶區(qū)存在。在這些非晶區(qū)內(nèi)，可能存在一些其他分子的化合物。原纖中基原纖或微原纖之間也是依靠相鄰分子之間分子結(jié)合力和穿越“縛結(jié)分子”進(jìn)行聯(lián)結(jié)的。原纖的橫向尺寸為10-30nm(100-300?)。5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)（4）巨原纖（macrofibril）是由原纖基本平行堆砌得更粗大的結(jié)構(gòu)體。在原纖之間存在比原纖內(nèi)更大的縫隙、空洞和非晶區(qū)，各原纖之間的聯(lián)結(jié)主要靠穿越非晶區(qū)的大分子和一些其它物質(zhì)。巨原纖的橫向尺寸一般約0.1-1.5μm。5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)（5）細(xì)胞是構(gòu)成生物體的單元，包括細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)組成，細(xì)胞壁由巨原纖或微原纖堆砌而成，細(xì)胞壁內(nèi)存在納米到亞微米級(jí)的縫隙和孔洞，整個(gè)細(xì)胞具有明顯的細(xì)胞邊界。目前我們使用的具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的纖維主要包括棉纖維、麻纖維、毛纖維。其中棉麻纖維為單細(xì)胞纖維，毛纖維為多細(xì)胞纖維，其中細(xì)胞之間通過細(xì)胞間物質(zhì)粘結(jié)。

5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)5、纖維的原纖結(jié)構(gòu)并非所有纖維均具有上述每一個(gè)結(jié)構(gòu)層次，其中大部分合成纖維僅具有基原纖、微原纖到纖維等結(jié)構(gòu)層次，凝膠紡絲纖維和液晶紡絲纖維具有原纖結(jié)構(gòu)，天然纖維中也存在原纖結(jié)構(gòu)，棉纖維、毛纖維幾乎具有所有上述結(jié)構(gòu)層次，但棉纖維的單細(xì)胞層次構(gòu)成了纖維，而毛纖維存在多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并有多細(xì)胞構(gòu)成纖維。6、纖維的液晶結(jié)構(gòu)物質(zhì)具有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種形態(tài)，大多數(shù)物質(zhì)呈液態(tài)時(shí)，其分子結(jié)構(gòu)排列與非晶態(tài)固體中的分子排列結(jié)構(gòu)基本相同。但對(duì)于部分具有剛性結(jié)構(gòu)的大分子材料，當(dāng)滿足一定條件（受熱熔或被溶劑溶解）時(shí)，雖然其宏觀形態(tài)處于液體狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性，但其大分子的排列保留了晶態(tài)物質(zhì)分子排列的有序性，因而在物理性能上呈各向異性。通常把這種兼有晶體和液態(tài)部分性質(zhì)的過渡狀態(tài)稱為液晶態(tài)，處于液晶態(tài)的物質(zhì)叫液晶。6、纖維的液晶結(jié)構(gòu)能夠形成液晶的分子其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：（1）大分子應(yīng)含有苯環(huán)、雜環(huán)、多重鍵剛性結(jié)構(gòu)，同時(shí)還應(yīng)含有一定數(shù)量的柔性結(jié)構(gòu)，大分子總體表現(xiàn)為剛性鏈結(jié)構(gòu)；（2）分子具有不對(duì)稱的幾何結(jié)構(gòu)；（3）大分子應(yīng)含有極性或可以極化的基團(tuán)。6、纖維的液晶結(jié)構(gòu)按液晶的形成條件可分為溶致型液晶和熱致型液晶。溶致型液晶是把物質(zhì)溶解于溶劑中，在一定濃度范圍內(nèi)形成的液晶；熱致型液晶是將物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)或玻璃化溫度以上形成的液晶。6、纖維的液晶結(jié)構(gòu)液晶高分子由于具有各向異性的流變性能，使纖維可以在低序液晶態(tài)紡絲，從而使紡絲黏度明顯減小，具有更好的加工性能。液晶高分子形成的纖維通常具有高結(jié)晶度、高取向度的原纖結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和熱氧穩(wěn)定性能。6、纖維的液晶結(jié)構(gòu)因此常采用該方法紡制高性能纖維，目前商業(yè)化使用量最大的液晶高分子纖維為芳族聚合物纖維，如聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維（PPTA,Kevlar?）。7、纖維的織態(tài)結(jié)構(gòu)采用兩種或兩種以上的不同高分子材料以共混方式進(jìn)行紡絲，形成共混高聚物纖維，也可稱為“高聚物合金纖維”。通過共混方式可以達(dá)到提高纖維應(yīng)用性能、改善加工性能或降低生產(chǎn)成本的目的。在共混聚合物纖維中，由于不同的加工條件和多相的組分，會(huì)得到不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而會(huì)顯著的影響纖維性能。7、纖維的織態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)于熱力學(xué)上相容的共混體系，會(huì)形成均相的形態(tài)結(jié)構(gòu)；反之則會(huì)形成兩個(gè)或兩個(gè)以上的多相體系。纖維的織態(tài)結(jié)構(gòu)就是研究共混聚合物纖維中所呈現(xiàn)相體系的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及相體系中各單相材料的分布形式、狀態(tài)和各相之間的界面性質(zhì)。三、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.基本內(nèi)容纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，是指纖維在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡，乃至原子力顯微鏡(AFM)下能被直接觀察到的結(jié)構(gòu)。如纖維的外觀形貌、表面結(jié)構(gòu)、斷面結(jié)構(gòu)、細(xì)胞構(gòu)成和多重原纖結(jié)構(gòu)，以及存在于纖維中的各種裂隙與空洞等。一般將形態(tài)結(jié)構(gòu)按尺度和部位分為表觀形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和微細(xì)結(jié)構(gòu)三類。表觀形態(tài)，主要討論纖維外觀的宏觀形狀與尺寸，包括纖維的長(zhǎng)度、粗細(xì)、截面形狀和卷曲或轉(zhuǎn)曲等；表面結(jié)構(gòu)，主要涉及纖維表面的形態(tài)及表層的構(gòu)造，是微觀形態(tài)與尺度的問題；微細(xì)結(jié)構(gòu)，是指纖維內(nèi)部的有序區(qū)(結(jié)晶或取向排列區(qū))和無(wú)序區(qū)(無(wú)定形或非結(jié)晶區(qū))的形態(tài)、尺寸和相互間的排列與組合，以及細(xì)胞構(gòu)成與結(jié)合方式。三、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)纖維是柔軟細(xì)長(zhǎng)物，其微細(xì)結(jié)構(gòu)的基本組成單元大多為細(xì)長(zhǎng)纖維狀的物質(zhì)，統(tǒng)稱為原纖(fibril)，故纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)的主題內(nèi)容是纖維的原纖結(jié)構(gòu)與排列。三、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)2、纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)量纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)均是微米級(jí)及其以下，顯微觀察是必須的。對(duì)>0.2μm以上的微細(xì)及外觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，一般采用光學(xué)顯微鏡的方法。對(duì)于觀察結(jié)構(gòu)≤0.2μm以下的須借助掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)進(jìn)行觀察與記錄。對(duì)于纖維的多孔結(jié)構(gòu)，主要利用壓汞法測(cè)定其孔徑大小、分布及孔隙率等，也可采用氣體吸附法和密度法等常規(guī)方法進(jìn)行。常用纖維的縱橫向形態(tài)特征纖維種類縱向形態(tài)橫截面形態(tài)棉天然轉(zhuǎn)曲腰圓形、有中腔苧麻橫節(jié)豎紋腰圓形，有中腔，胞壁有裂紋亞麻橫節(jié)豎紋多角形，中腔較小黃麻橫節(jié)豎紋多角形，中腔較大大麻橫節(jié)豎紋不規(guī)則圓形或多角形，內(nèi)腔呈線形、橢圓形、扁平形綿羊毛鱗片大多呈環(huán)狀或瓦狀近似圓形或橢圓形，有的有毛髓山羊絨鱗片大多呈環(huán)狀，邊緣光滑，間距較大，張角較小多為較規(guī)則的圓形兔毛鱗片大多呈斜條狀，有單列或多列毛髓絨毛為非圓形，有一個(gè)中腔；粗毛為腰圓形，有多個(gè)中腔桑蠶絲平滑不規(guī)則三角形柞蠶絲平滑扁平的不規(guī)則三角形，內(nèi)部有毛細(xì)孔粘膠纖維多根溝槽鋸齒形、有皮芯結(jié)構(gòu)醋酯纖維1～2根溝槽梅花形腈綸平滑或1～2根溝槽圓形或啞玲形滌綸、錦綸、丙綸等平滑圓形氨綸平滑不規(guī)則圓形或土豆形復(fù)合纖維一根纖維由兩種高聚物組成，其截面呈皮芯形、雙邊形或海島形等滌綸中空纖維根據(jù)需要可制成一孔、四孔、七孔或九孔等異形纖維可根據(jù)需要制成各種異形截面，如三角形、扁平形、啞鈴形、L形等棉纖維縱橫向照片

絲光棉縱橫向照片

苧麻纖維縱橫向照片亞麻纖維縱橫向照片

黃麻纖維縱橫向照片

紅麻纖維縱橫向照片大麻纖維縱橫向照片

綿羊毛纖維縱橫向照片山羊絨纖維縱橫向照片

絲光毛和細(xì)化毛

牦牛毛和絨

兔毛駱駝毛纖維縱橫向照片桑蠶絲纖維縱橫向照片柞蠶絲纖維縱橫向照片

粘膠纖維纖維縱橫向照片

醋酯纖維縱橫向照片

第三節(jié)纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試分析方法

人們對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的逐步深入地認(rèn)識(shí)，建立在纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試方法和技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，每種新型測(cè)試方法的研究成功，無(wú)疑是對(duì)纖維結(jié)構(gòu)研究起到巨大推動(dòng)作用。因此，新型纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)的研究成為紡織材料學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。

第三節(jié)纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試分析方法目前我們?cè)谘芯看蠓肿渔溄M成方面，已廣泛采用色譜法、質(zhì)譜法、紫外和紅外吸收光譜法、拉曼光譜法、離子或電子探針能譜法等。在聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面，發(fā)明和研究出（光學(xué)、電子、原子力）顯微分析、各種射線（X射線、中子射線、電子射線）衍射和散射分析、固體小角激光散射分析、核磁共振分析、熱分析等各種測(cè)試方法。這些方法的學(xué)習(xí)和掌握，對(duì)認(rèn)識(shí)纖維結(jié)構(gòu)是必不可少的。第三節(jié)纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試分析方法表1-5列舉纖維結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究測(cè)試方法。本節(jié)將對(duì)常用測(cè)試方法原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述，使閱讀者能夠?qū)w維結(jié)構(gòu)測(cè)試幾種常用方法及其應(yīng)用有一個(gè)初步了解，更加詳細(xì)的內(nèi)容需要參考有關(guān)文獻(xiàn)和專業(yè)書籍。表1-5纖維結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法研究?jī)?nèi)容研究方法纖維大分子結(jié)構(gòu)大分子結(jié)構(gòu)和組成紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、拉曼光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜、氣相色譜、電子能譜、原子力顯微鏡、電子探針顯微鏡相對(duì)分子質(zhì)量及分布溶液光散射法、凝膠滲透色譜法、黏度法、溶液激光小角光散射法、滲透壓法、氣相滲透壓法、沸點(diǎn)升高法、端基滴定法、紫外吸收光譜、激光質(zhì)譜、電噴霧質(zhì)譜大分子鏈的構(gòu)象X射線衍射法、光譜分析、核磁共振纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)纖維結(jié)晶度X射線衍射、電子衍射、核磁共振、紅外光譜、密度法、熱分析纖維取向度X射線衍射、雙折射、聲速法、紅外光譜法、偏振熒光、拉曼光譜一、顯微分析技術(shù)顯微分析技術(shù)是采用透鏡光學(xué)放大原理或探針等方式，直接觀察纖維微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的方法，不同顯微分析技術(shù)具有不同放大倍率和分辨能力。一、顯微分析技術(shù)目前共有三種不同類型的顯微分析方式：（1）光學(xué)顯微鏡，其放大倍率為1000倍左右，分辨力約0.2μm；（2）電子顯微鏡，其放大倍率可達(dá)到100萬(wàn)倍以上，分辨力可到0.1-0.2nm；（3）原子力顯微鏡，分辨力橫向?yàn)?.2nm，縱向?yàn)?.1nm。一、顯微分析技術(shù)（1）光學(xué)顯微鏡十七世紀(jì)荷蘭人AntonieVanLeeuWenHoek發(fā)明，使人們第一次看到了細(xì)胞這種生命體。由于對(duì)操作環(huán)境條件要求較低，光學(xué)顯微鏡常被作為研究纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的主要工具。光學(xué)顯微鏡是由目鏡、物鏡、試樣臺(tái)、光源系統(tǒng)組成，其放大作用主要是置于試樣臺(tái)上的被觀察物體的反射或透射光線，經(jīng)過透鏡組中焦距很短的物鏡和焦距較長(zhǎng)的目鏡的放大實(shí)現(xiàn)，如圖1-5所示。一、顯微分析技術(shù)圖1-5光學(xué)顯微鏡原理示意圖一、顯微分析技術(shù)如果在顯微鏡中增加上各種相應(yīng)的附件，可以使顯微鏡具有某些特殊功能，形成特種規(guī)格的顯微鏡，如：偏振光顯微鏡、相差顯微鏡、干涉顯微鏡、熒光顯微鏡、紅外顯微鏡、X射線顯微鏡等。其中在纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試中常用的為偏振光顯微鏡。一、顯微分析技術(shù)偏振光顯微鏡是在普通光學(xué)顯微鏡中的試樣臺(tái)上下增加一塊起偏器和撿偏器，利用偏振片只允許某一特定振動(dòng)方向的光通過的特性，可以進(jìn)行纖維（或高聚物）結(jié)晶形態(tài)（特別是球晶）、高聚物或復(fù)合材料的多相體系結(jié)構(gòu)以及液晶相態(tài)結(jié)構(gòu)觀察研究。結(jié)合可加熱的試樣臺(tái)，則可以進(jìn)行高聚物結(jié)晶過程研究，也可以進(jìn)行纖維雙折射率的測(cè)定。一、顯微分析技術(shù)（2）電子顯微鏡1932年由德國(guó)HelmutRuska研制出第一臺(tái)電子顯微鏡。電子顯微鏡是利用具有波長(zhǎng)更短的電子束替代可見光，從而實(shí)現(xiàn)更大程度的放大倍率和分辨力。電子顯微鏡分為透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡兩種。一、顯微分析技術(shù)掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-6所示。包括電子發(fā)射和聚焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。一、顯微分析技術(shù)電子槍發(fā)射能量最高可達(dá)到30keV的電子束，經(jīng)過幾級(jí)電磁透鏡聚焦，電子束集中成為直徑僅幾埃到幾十埃的細(xì)線，在經(jīng)過水平和垂直偏轉(zhuǎn)線圈的磁場(chǎng)作用下，可使電子細(xì)束在樣品表面進(jìn)行X-Y方向的逐行掃描。電子束與樣品表面之間相互作用，產(chǎn)生二次激發(fā)電子、透射電子、背散射電子、吸收電子和X射線等，用各種接受轉(zhuǎn)換器分別接受這些信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器后供給轉(zhuǎn)換成像。一、顯微分析技術(shù)（3）掃描隧道顯微鏡1981年由德國(guó)G.Binnig和瑞士H.Roher發(fā)明。根據(jù)量子力學(xué)原理中的隧道效應(yīng)而設(shè)計(jì)。用一個(gè)極細(xì)的尖針，針尖頭部為單個(gè)原子去接近樣品表面，當(dāng)針尖和樣品表面靠得很近，即小于１納米時(shí)，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時(shí)若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓，針尖與樣品之間產(chǎn)生隧道效應(yīng)而有電子逸出，形成隧道電流。一、顯微分析技術(shù)通過控制針尖與樣品表面間距的恒定，并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關(guān)表面信息記錄下來(lái)。當(dāng)針尖沿X和Y方向在樣品表面掃描時(shí)，連續(xù)的掃描可以建立起原子級(jí)分辨率的表面結(jié)構(gòu)，并可繪出立體三維結(jié)構(gòu)圖像。

掃描隧道顯微鏡可在真空、常壓、空氣、甚至溶液中探測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其空間分辨率，橫向可達(dá)0.1nm，縱向可優(yōu)于0.01nm。一、顯微分析技術(shù)（4）原子力顯微鏡1986年由GerdBinnig、F.Quate和C.Gerber

發(fā)明，原子力顯微鏡是利用一懸臂探針在接近被測(cè)試樣表面并移動(dòng)時(shí)，探針針尖會(huì)受到力的作用而使懸臂產(chǎn)生偏移，其偏移振幅變化量經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)成像系統(tǒng)合成試樣表面的形態(tài)圖片信息。原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置、監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路、使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。一、顯微分析技術(shù)原子力顯微鏡可用于進(jìn)行纖維的表面形態(tài)、原子尺寸和納米級(jí)結(jié)構(gòu)、多組分共混纖維的相分布等研究，可給出試樣表面的三維立體形貌圖形，也可進(jìn)行納米尺寸下的材料性質(zhì)研究，以及進(jìn)行材料中原子重新排列等材料改性研究。二、X射線衍射法圖1-7為X射線衍射法的示意圖，由X射線管中的燈絲發(fā)射高速電子流轟擊銅靶產(chǎn)生特征X射線，經(jīng)單色器（濾光器）和準(zhǔn)直器分出一束計(jì)息的平行單色X射線（射線波長(zhǎng)0.1539nm），照射到纖維樣品，X射線會(huì)受到纖維中的各鏈節(jié)、原子團(tuán)等的散射、反射，這些散射或反射光會(huì)產(chǎn)生相互干涉。二、X射線衍射法圖1-7aX射線衍射照相示意圖1—X射線源，2—濾光片，3—X射線Kα，4—纖維束樣品，5—照相底片，6—照相衍射圖圖1-7bX射線衍射掃描示意圖1—X射線源，2—濾光片，3—X射線Kα，4—纖維束樣品，5—掃描軌道，6—接收器，7—掃描曲線圖二、X射線衍射法由物理光學(xué)可知，由于纖維結(jié)晶區(qū)中規(guī)則排列的原子間距離與X射線波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)，這些相互干涉的射線，在光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍的各方向上得到加強(qiáng)，而在光程差等于波長(zhǎng)的各整半倍數(shù)的各方向上相互抵消，從而形成特定的X射線衍射斑點(diǎn)圖樣，根據(jù)衍射方向（斑點(diǎn)的位置、形狀）和衍射強(qiáng)度（斑點(diǎn)黑度）確定現(xiàn)為晶胞的晶系、晶粒尺寸和完整性、結(jié)晶度以及晶粒的取向度。二、X射線衍射法根據(jù)獲取試驗(yàn)結(jié)果的方式不同，X射線衍射有兩種方法。一種為照相法，利用照相底片攝取試樣衍射圖像的方法；另一種掃描法，利用衍射測(cè)角儀核輻射探測(cè)器等裝置獲得X射線通過試樣的衍射強(qiáng)度與衍射角度的關(guān)系曲線。

二、X射線衍射法照相法常被用來(lái)確定晶胞的結(jié)構(gòu)特征和參數(shù)，不同纖維的衍射圖不同，可以根據(jù)衍射圖中斑點(diǎn)的位置、形狀、黑度等確定各組晶面間的距離，并由此推斷出顯微晶胞的晶系，各級(jí)重復(fù)周期和晶胞的結(jié)構(gòu)參數(shù)。二、X射線衍射法掃描法可以