纺织物理讲义1要点.pdf

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1、1 第一章纤维的结构 概述 1纤维结构：纤维的固有特征和本质属性，决定纤维性质； 涵盖微观到分子组成，宏观到纤维形貌； 结构多样性与结构层次有多种划分。 2结构层次的模糊，纤维的微细结构（fine structure ） ：可以追溯到19 世纪。但卓有成效的研究和结构 理论的提出与验证是在20 世纪的上半叶，近五十年又在许多纤维结构理论和分析方法上有新的突破。 3纤维微细结构的研究，通常采用的研究方法有： 光学显微术（optical microscopy ）和电子显微术（electron microscopy ） ：扫描电子显微镜SEM 和透 射电子显微镜TEM X 射线和电子衍射法（Xray

2、 Electron diffraction ） 红外（ infra-red ） 、紫外（ ultraviolet ） 、荧光（ fluorescence）和喇曼光谱法（Raman spectrum） 核磁共振法（nuclear magnetic resonance） 表面分析法（surface analysis） 原子力显微镜AFM （atomic force microscope ） 或扫描隧道显微镜STM （scanning tunneling microscope ） 等方法 热分析法（ thermal analysis） 动态和断裂力学法 质谱分析法（mass spectrometry

3、） 4.纤维结构的研究和发展、问题、未知性和不确定： 基本形式：对纤维微细结构作文字或简单模型图来描述。 基本原因：结构的复杂和多样性、表征方法的局限性、人们的认识。 第一节纤维结构理论 一、缨状微胞理论 1历史 N?geli 理论； Meyer 和 Mark 的微胞学； Spearkman 模型。 30 年代的争论： 纤维素及其他聚合物分子的长度的问题。 关于纤维究竟是由分离的晶体所组成，还是由连续的均匀的分子所组成的问题。Meyer 认为分子是 相当短的，其聚合度约为200。而 Staudinger 则认为，在天然纤维素中，聚合度在2000 以上。 “缨状微胞” （fringedmicel

4、le ）说的出现，分子通过若干个微胞，在微胞之间为非结晶区，通过 这些连续的分子网络将微胞结合在一起。长链分子间的规整排列构成结晶微胞。而伸出的无规则排列的 分子成为缨状须从。故称为缨状微胞理论（fringed micelle t theory ） 。 边界解释分歧，两种看法：两相结构；单相不均匀。 2作用 缨状微胞理论，至今还是很成功的。它适合于纤维素纤维和一些化纤的结构解释。 2 与 x 射线衍射结果和电子显微镜观察结果吻合； 可解释纤维的吸湿和吸收染料性； 纤维密度的不同，可用不同的结晶区与非结晶区的比例来说明； 纤维分子的取向度，可用结晶区及非结晶区中分子排列的整齐度来解释； 纤维的各

5、向异性，可以用纤维分子及微胞的部分取向排列来说明； 纤维的力、热、电、光学特征，可用缨状微胞说来解释。 二、缨状原纤理论 1理由与理论 电子显微镜对纤维更微细组织的观察，提出了原纤解释。 1） 原纤内的缨状微胞组织的说法 2） 原纤即结晶区解释 3） 原纤是晶区与非晶区的交替形式 4） 原纤是高有序排列的无定形结构 Hearle（1958）提出了缨状原纤理论（fringed-frbril theory） ，其目的是将明确的两相结构和单相结 构理论结合起来。 2特点 缨状原纤理论，放弃了晶区是微胞的假设，结晶区是连续的缨状原纤。由许多长链分子组成。这些 分子沿着本身的长度方向，在原纤的不同位置上

6、分裂出来，有的进入无定形区，有的重新进人其他原纤 组织中，晶格的缺陷和混乱是可能产生的。用化纤成形过程来解释。当熔体离开喷丝板后，分子将形成 晶核，成为后续结晶发展的源。当分子的定向流动和外界牵伸作用时，晶核会发展而形成原纤化结晶。 缨状微胞理论可以作为缨状原纤理论的特殊情况即尺寸的区别。 三、折叠链片晶理论 1片晶的事实 产生： 高分子熔体或溶液中的分子，大部处于无规纠缠状态。经喷丝孔喷出和导向牵伸后，可能分 子的某些链段处处于伸展状态或会存在折叠状态的分子裢。这些折叠状的分子链段极易形成规整的晶 体。 几种模型：折叠链片晶，插线板模型，缚结分子（tie macromolecule ） 。这

7、种折叠链片晶与缨状微胞 说中的微胞相比，产生出新解释，缨状折叠链片晶理论（fringedmicelle with chain-folding） ，或简称缨 状片晶理论。 成形：折叠链片晶在牵伸中能发生取向和部分晶体破裂、滑移，形成较小、均匀、有取向的片晶、 随牵伸度数的增大，形成混杂的结构。在超大牵伸条件下形成类似于缨状原纤状的伸展链片晶结构。 四、纤维结构的其他理论 1准结晶状态结构 Hosemann（ 1967）认为，纤维存在准结晶（Paracrystalline）状态。在此结构中，晶格参数在一定 程度上受到随机性的干扰不可能有长片段的良好结晶，会存在少量的无序区和一维或二维有序结构。 2

8、无定型结构 用统计热力学观点导出的无规线团（random coil）模型图，在理论上说明了非晶态高聚物中，是无 3 规缠结的线团模型，分子链间有一定的相互作用。这种结构不否定纤维分子的部分取向排列，甚至有序 定向排列。 3缺陷结晶结构 有人从金属结构的概念出发，认为纤维结构中的无序区，是由结晶区中的缺陷所形成。 4串晶结构（ Shish-kebab fibrillar crystals ） 串晶结构是以伸展链构成的原纤晶体与折叠链形成的片晶组合形成的结晶形式，通常称为“羊肉串” 结晶。 五、纤维的弱节结构特征 1弱节的定义与内涵 纤维弱节的概念，由Peirce 最早提出。力学性质上的弱点，与该

9、部位的结构状态有关，故又称“结 构弱节”或“形态弱节”。 结构弱节是指纤维内部结构中和外观形态上存在的明显结构不均匀性和缺陷。形态弱节是指纤维明 显的几何细颈部位。 由此定义，取羊毛纤维为例，其弱节可以分为三类：内部结构弱节；形态细节或细颈；自然侵蚀和 人为损伤的结构缺陷。 2纤维弱节的特征 （ 1）纤维的细节； （2）天然生长的形态缺陷；（ 3）人为加工中的损伤： （4）内部结构缺陷。 六、结语 纤维微细结构理论大致可分力三类，即单相结构，过渡态结构和两相结构理论。 由于纤维结构上有许多差别，单一模型解释不合适。缨状微胞模型，适合于人造丝结构，而缨状原 纤模型则适合于棉、麻、丝、毛部分结构的

10、描述以及部分合成纤维。缨状片晶则较适合乙聚乙烯纤维、 粘胶纤维和部分合成纤维的结构。 第二节 纺织纤维结构特征与表征 一、纺织纤维的结构特征 基本特征要求：在宏观形态上要求；在微观分子排列上的要求。 1分子链要具有一定的长度，即具有一定的聚合度（DP） ，使纤维具有必要的强度； 2分子应该是线型长链分子，支链要短，侧基要小，以保证分子具有一定的柔性和运动自由度，使纤 维柔软； 3分子间要具有相互作用，使纤维形态稳定和必要的吸附性； 4分子排列要有一定取向和结晶，但又有一定空隙或空间使纤维既保持基本的物理性能，又具有吸湿 可染特性。 其他要求是：如阻燃、耐高温、导电、显色、变温、抗菌、高强、高模

11、，以及智能等纤维，将须具备其 他特殊条件。 4 二、纤维结构的表征 1聚合度MzMw M Mn （1.1） 2链段长度 链段是指分子可以运动的最小独立单元，是一个热力学统计值，并不等于单个链节的长度L。链段 长度 Lp 直接影响纤维分子的构象数，或称分子的柔顺性。 )/exp(kTELLP （1.2） 与分子柔顺性相关的还有大分子的自由键数n，以及均方末端距h 2 值， cos1 cos1 22 Lnh(1.3) 3.结晶度 )/()(/ acaCV VVX(1.4) ) 11 /() 11 (/ caa CW WWX(1.5) 结晶度的测定方法有多种，如X 射线衍射法，测结晶区衍射强度峰面积

12、与背景面积及其关系；差 热分析法， 测结晶或晶体熔融的吸、放热峰面积； 红外光谱法，测晶带和非晶带特征吸收峰的峰值或峰 面积及其相互比值关系；吸湿法、重水交换法等，测水对非晶区和晶体表面的可及度；以及密度梯度法 等，但结果有较大差异。 4结晶区分布 晶区的分布可以在整个纤维上，也可指在几个分子宽度上的分布。这种分布涉及结晶颗粒或晶区的 大小，晶区与非晶区的过渡程度，以及晶格的形式与组合。晶区与非晶区分布状态常用微区X 射线衍 射技术和电子衍射法测量。 5取向度 22 sin 2 3 1)1cos3( 2 1 f(1.6) 取向度的高低主要影响纤维的强伸性，其测量方法有， X 射线或电子衍射法，

13、红外光谱法、 染色法、 声速法， 双折射法等。 测量原理不同， 给出的取向度概念也不同。其分别有晶区分子和晶体取向度 cry f； 无序区分子取向度 am f：纤维大分子的取向度；分子极性基团的取向度；形状或界面取向度 form f等。 严格地说，取向度是一个综合值，即 formamVcryV kffXfXf)1 (1.7) 6取向度分布 取向度分布是指纤维分子在纤维径向各层或在纤维长度方向各段的取向度，尤其是前者实际意义更 为重要。 7 微细结构尺寸 微细结构尺寸反映纤维各层次结构的形态及其大小，以及特有组织结构和表面的形态特征。主要测 量方法是电子显微镜和光学显微镜，并借助于各种制样技术，

14、如表面复形、超薄切片、冷冻断裂、撕裂 剥离、超声波分离、化学腐蚀、酶分解、等离子体刻蚀，拉伸断裂等，再现纤维各微细结构特征。而近 5 代图像分析技术的应用与发展，使这些微细结构的观察与分析更为清晰准确。纤维微细结构的大致数量 级概念。 8孔隙形态与大小 纤维的固有孔隙人们不太关心，而在高吸性、 膜分离过滤纤维中的微孔形态及其孔径分布，却是一 个至关重要的特征参数。其包括，孔径大小分布，孔的容积、孔的形态及分布形式。 密度法， 测孔的容积， 用不渗透与渗透液体的比容差求得但其精确性有限制；显微镜法，可测 孔径、孔的形态及分布，光学显微镜分辨率低些（0.4 m） ，电子显微镜分辨率高，但存在制样的

15、畸 变和观察数量的限制；气体吸附法，可测孔径大小，用于碳、硅胶微孔的测量尤其是200? 孔径的 测量，但受多层吸附的影响：X 射线和电子小角衍射，可测200? 孔的测定，尤其是小孔的存在与 形状的测定；压汞法，可测孔径大小及其分布，最为有效和常用，孔径测量范围大。汞压强P 与孔 径 R 的关系为： RP/cos2（1.8） 9小结 在以上结构参数中，结晶度与取向度是不同概念，结晶是指三维有序的结构，而取向只是一维有序 的概念。 在极端情况下， 它们常趋于一致。 一个全结晶的结构，一定是完全定向的。而一个完全无序的结构， 则一定是完全不定向的。 三、纤维弱节结构的表征 1 纤维弱节的力学特征 纤

16、维在外力作用下会伸长并最终断裂，这种断裂不是发生在纤维的最细部位，就是断裂在结构缺陷 处。总之，纤维的断裂总是发生在纤维的最弱部位。 纤维力学行为可分为均匀结构相的力学行为，称为“正常拉伸断裂”；和缺陷结构的力学行为，称 “结构弱节拉伸断裂” 。 可以发现， 传统讨论中有意识、或无意识地较多地关注纤维的正常断裂过程和指标，其原因是： 人们很少真正地测量纤维的应力，而是纤维的受力值与纤维平均直径的相对比值；纤维弱节的几何尺 寸对整个纤维来说太小、太隐蔽，而纤维的断裂，却实实在在地是由于这些极小部分的作用而致；纤 维弱节的最主要表现为纤维的力学性能的退化。因此在理论和实践上，最方便和最直接的方式是

17、以纤维 的力学行为来表征其弱节的特征和弱节量。 6 图 1-1 不同断裂行为的拉伸应力一应变曲线图 1-2 纤维粗细的轮廓图 2 纤维弱节断裂的判定准则与方法 纤维弱节断裂的判断准则 8 ，即为上面提到的纤维的临界应力 cri，或临界比强度 Tcri(cN/tex) 和临 界应变 cri。由纤维的实际断裂应力 （或比强度T）和断裂应变 ，以及其拉伸曲线的特征，便可判断 纤维是弱节断裂，还是正常断裂，并可计算纤维弱节断裂的概率。 由于实测中可以测得纤维沿其长度方向上的粗细轮廓，见图1-2。由此可以分出纤维断裂的部位， 最细点（ XDmin）处断裂和非最细点Xbro处断裂。根据其实际断裂部位的粗细

18、值可以换算得纤维的截面 面积或线密度值，求出纤维的实际断裂应力 （或比强度T）和断裂应变 值，从而给出纤维弱节的特 征和比例的综合评价。 第三节各种纤维的实际结构 一、天然纤维素纤维 1分子特征：葡萄糖剩基（C6H10O5）连接而成、聚合度约 104的线型大分子。棉、麻纤维组成的区别 在于，麻有较多的非纤维素物质。 2背背椅式结构 1 1 2 5 3 5 4 2 4 3 O O O O O O O O O 2 2n 3结晶结构 天然纤维素的结晶形式主要是纤维素I 和纤维素，为单斜晶系。 4 高次结构 棉、麻纤维大分子的取向都很高，原纤的螺旋排列结构。天然纤维素纤维的结构层次，原纤、微原 纤、原

19、纤、“日轮”层。 5 形态结构 表皮层，初生层，次生层和中腔。果胶、棉蜡，化学可及性。 麻纤维品种较多，有能以单纤维纺纱的苎麻和能以工艺纤维（束纤维） 纺纱的大、 亚、黄、槿麻等。 二、天然蛋白质纤维 1天然蛋白质纤维的组成与分子间作用形式 1）氢键作用；2）盐式键作用；3）二硫键作用。 2 天然蛋白质分子结构 丝蛋白分子主要是曲折链构象，故又称角朊；角蛋白分子的主要形式螺旋形构象，又称 角朊。 折叠构象较易形成规整排列，伸直性较好。螺旋构型分子的伸展可能性大，弹性好。 3蛋白质纤维的结晶取向结构 7 羊毛和蚕丝天然蛋白质纤维均存在一定的结晶形式。折叠型大分子易形成规整排列；螺旋大分 子也能由

20、几个大分子相互螺旋规则排列构成稳定的结晶形式。 取向度也随 螺旋的变化以及微细结构的不同而变化。 4羊毛纤维的微细结构 羊毛的鳞片层：多个鳞片交叠，有伪棱脊，多层结构，有细胞间质（cell membrane complex ）粘结， 有锁结。 羊毛的皮质层： 有许多如纺锤状 （spindle-shaped）皮质细胞， 沿纤维轴向基本平行排列而组成。 又分为正皮质细胞（orthocortical cell ） ，副皮质细胞（parecortical cell ）和偶尔出现的仲皮质细胞 (mesocortical cell) 。 微原纤又由基原纤构成。目前认为基原纤是由3 个双螺旋，或2+2 个多

21、重复螺旋的型大分子组 成，直径20? 左右。正皮质细胞为三级原纤构成副皮质细胞是二级原纤构成体。 羊毛的髓质层是结构疏松、充满空气的薄壁细胞，其中存在原生质的沉积物，色素和一些低分子物。 羊毛纤维的空间形态结构：取决于羊毛皮质细胞的分布形式。 5蚕丝的微细结构 蚕丝由丝胶（sericin）和丝素（ fibroin ）构成。丝胶包覆于丝素之外，丝素是蚕丝纤维的主体。 丝胶分为、四种，为层状包覆在丝素上，水溶性依次变小，结晶度依次变大。内层最靠丝 素的为丝胶，很难被热水或碱液溶解。 丝素是由微原纤和原纤二级结构构成，微原纤直径约为4090? ，原纤为250300 ?。微原纤组合 成原纤，原纤基本上

22、呈同心环状分布，构成丝素的层状结构。这种结构在丝素主体的表层尤为明显，是 导致蚕丝优良光泽的主要因素之一。 三、人造纤维 人造纤维的划分与叫法，主要指再生纤维，即用天然高分子材料，经化学、物理加工而成的纤维， 其与天然高分子纤维相对应，分为人造纤维素纤维和人造蛋白质纤维。 人造纤维素纤维有粘胶纤维，铜氨纤维和纤维素醋酸酯纤维。人造蛋白质纤维有酪朊，丝朊和大豆 蛋白纤维， 但产量和使用极少，放在结构方面的讨论很少，一般认定分子结构同天然蛋白质纤维，结晶 略好，是型链的微小结晶颗粒。 人造纤维素分子的链结构形式比天然纤维素纤维要复杂些，主要是因人为的纺丝加工过程而造成。 其结构除与天然纤维相同的伸

23、展链和无规排列外，还有折叠链的形式。 人造纤维素纤维结晶晶格形式主要是纤维素，还有纤维素、形式，这在天然纤维素中是 不存在的。 纤维素大都是液氨纤维素，再蒸发去氨或胺后，生成的一种晶格变体。纤维是由纤维素 或在极性液体中加以高温处理而成的，故又称“高温纤维素”。纤维素V 是用浓 HCl(38 -40.3） 作用于纤维素产生的。 纤维素分子折叠链的规整排列，使单晶胞连续形成基原纤，有片晶，为人造纤维素的典型结晶结构。 粘胶纤维，因为凝固冷却速度不同，表、芯层结构不同。 四、合成纤维 合成纤维是由低分子物质经化学合成的高分子聚合物，再经纺丝加工而成的纤维。根据其分子结构， 可分为碳链合成纤维：如聚

24、乙烯 （polyethylene ） ，聚丙烯 （polypropylene ）,聚丙烯腈 （polyacrylonitrile ）, 聚乙烯醇缩甲醛 （polyvinyl-alcohol ） ，聚氯乙烯 （polyving chloride ） ，或聚氟乙烯 （polyvinyl fluoride） 纤 8 维；杂链合成纤维：如聚酰胺（polyamide）纤维，聚酯（polyethylene terephthalate ）纤维等。 合成纤维除上述的单一组成形式外，可通过共聚、共混、复合、接枝、渗入、涂层等方法改变其组 成，获得不同的结构与性能；也可通过变形，异形，超细、切断等加工方法改变纤维

25、形态；还可通过特 殊的纺丝及后加工方式，获得高性能的纤维。这些纤维与常规纤维在分子结构，分子间结构、 形态结构、 表面结构上有区别。 1聚酯纤维 在涤纶的结晶区中分子链节的构型为反式结构： C O O CH2 CH2 O C O 在非晶区则为顺式，或称旁式结构： C O O CH2CH2 O C O 折叠链片晶的厚度一般在250300? ，而伸展链结晶厚度在10002000? 。涤纶是取向诱导结晶，故 通常是高取向高结晶的结构。涤纶的微细结构（P28 图 1-46） ，用缨状折叠链片晶理论来解释。 2聚酰胺纤维 聚酰胺纤维的分子， 不管是聚酰胺6 （-NH（ CH2）5-CO-） 、 聚酰胺

26、66 （-NH（ CH2）6-NH-CO-（ CH2）4-CO-） 、 或是其他聚酰胺系列，其通式聚酰胺X 为：-NH-（CH 2）x-1-CO-; 和聚酰胺XY 为：-NH（CH2）x-NH-CO- （ CH2）y-2-CO-，均是由柔性链亚甲基的多个组合，并由酰胺键 -CONH- 联接而成的。 聚酰胺分子极易通过一定的链段运动和氢键作用，形成稳态结构。 初生丝的结晶度一般也可达50 60。锦纶分子链构象一般为折叠链形式，也有伸直链，折叠链结晶是主要形式。折叠链片晶随热处 理作用，会发生变化，其结果是，折叠链片晶增加，片晶厚度增加，晶区增多增大，空穴也相应变大。 聚酰胺纤维分子中的亚甲基链，

27、换成苯环， 产生出新一代的芳香族聚酰胺纤维，如锦纶 6T， Nomax， KevIar 等。 3聚乙烯纤维 聚烯烃纤维主要是聚乙烯（PE）聚丙烯（ PP）纤维，普通聚乙烯纤维柔性较高，延伸性太大，故 作为纺织纤维较少。其主要形式有：低密度聚乙烯（LDPE ） ，中密度聚乙烯（MDPE）和高密度聚乙烯 （HDPE） 。聚乙烯纤维分子可以形成规整的晶格排列，结晶为立方晶系。是折叠链结晶，片晶厚度为 100? 左右。 高强高模聚乙烯70 年代出现，为超高分子量聚乙烯（UHMW PE ） ，经超拉伸（ super drawing）和 区域拉伸法（Zone drawing ） ，或冻胶纺丝超拉伸法制成。

28、可形成较多的三维有序排列。加之分子的高 度取向，使纤维具备高强高模的特征，强度达2530CN/dtex ，模量达 80-100GPa。为断续的伸展链微晶 结构。 4聚丙烯纤维 聚丙烯纤维分子与聚乙烯相比只是H 换了个甲基（ CH3） 。甲基在链上的排列位置不同，形成不同 的立体构型，分为等规、间规和无规。等规和间规能形成规则有序的排列，导致纤维的结晶。尤其是等 规形式，其空间构型是螺旋结构，构成结晶形式。低密度的近晶型或称准晶型的结构有较高的透明度。 等规、间规聚丙烯，结晶有 、 、 、和拟六方变体五种，丙纶纤维的结晶度为6570，未经 9 CHCH2 O CH 2 O CH 拉伸的只有30

29、50。膜裂加工的丙纶纤维，是由丙纶膜单轴向拉伸球晶和片晶的分裂。 5聚丙烯腈纤维 腈纶纤维的聚集态结构复杂，结晶形式是一准晶结构。造成这种结构的原因是在聚丙烯腈分子结构 本身中引入的第二、三单体，也有认为是极性氰基（-C N）的作用。 分子链的螺旋构型，同丙纶分子。 由于强极性的氰基作用，使分子的取向成为一个很难测量表征的量。 纯聚丙烯睛大分子的主要空间构型是螺旋棒状结构，其堆砌排列，如教材P33 图 1-57，螺旋周期 为 3 个链节，直径约为6? 。强极性氰基，使其以等角度转动120，以形成最稳态的排列。这种规整 螺旋棒构成的晶格为六角晶系或正交晶系。 腈纶纤维结构中几乎很难寻找到与分子轴

30、向垂直的层面，故定义腈纶聚集态结构为侧向有序，轴向 无序的准晶结构。 6聚乙烯醇纤维 聚乙烯醇纤维（ PVA）严格地说是聚乙烯醇缩甲醛纤维，简称维纶或维尼纶。维纶分子中的羟基是 极性基团， 是维纶优良吸湿性的主要作用部位。而缩醛化后产生的是维纶耐水和稳定的部 分。维纶长链分子上-OH 在空间的排布有全同立构（等规）I-PVA，间同立构（间规）S-PVA 和无规立 构（无规） A-PVA。不同的立构形式，对-OH 形成氢键的难易程度不同。S-PVA 最易形成氢键，所以该 立构度的增加其耐水性提高。 聚乙烯醇的晶胞属单斜晶系，晶胞含有两个单元链节，晶格参数为a=7.81? ， b=2.52 ? ，

31、C=5.51 ? ， =91? 42?，结构形式如教材图1-59。常规维纶的结晶度约为30。晶格密度为1.345gcm 3。纤维的结 晶度越高，耐水溶性越好。 维纶纤维的结构有皮芯结构，皮层取向高，结构致密，芯层结晶度略高，结构较疏松，截面形状为 腰圆形。 皮芯结构差异是导致染色不匀的主要原因。其微细结构中有原纤和微孔，增加原纤化结构是提 高该纤维性质的有效途径。 高性能维纶，如高强高模；功能性维纶， 如水溶性维纶， 离子交换型生物医药用维纶和卫生医用维 纶；以及共混类维纶，在结构上力求合理化，性能上趋于功能化。 6聚氯乙烯纤维 聚氯乙烯（ PVC）纤维简称氯纶，其目前作为单一成分的纤维较少。

32、而与腈纶，维纶共混加工的较 多。如果纯氯纶纤维的立构规整性好，构型单一性强，结晶度可达90。一般聚氯乙烯结晶度较低。 氯纶的晶格形式属正交晶系，每个晶胞含4 个单元链节，晶胞参数为，a10.6 0.1? ，b540.1? ， c=5.1? ，结晶区密度为1.44g/cm 3，非结晶区的密度为 1.3891.390 g/cm 3。 五、弹性纤维结构 弹性纤维主要是指聚氨酯类纤维，主要特征是很大的弹性变形（400 800） 。弹性纤维的分子 是由软链段和交朕组成。 （a）物理交联（b）化学交联 10 聚氨酯弹性纤维根据链结构中软链段是聚酯还是聚醚，可分为聚酯型和聚醚型聚氨酯弹性纤维。 美国橡胶公司

33、的Vyrene 是聚酯型，美国Dupont 的 Lycra 是聚醚型。 第四节特种纤维结构一般概述 特种纤维（ Special fibre）主要是指那些与普通三大类纤维（天然、人造和合成纤维）有别的，具 有特殊使用价值，或特殊性能和功能的纤维。 高性能纤维（high performance fibre ） ，主要体现在高强、高模、耐高温特性上； 功能化纤维，体现一定的或某一方面的自引发作用功能其发展为智能化纤维； 差别化纤维，主要在某一或某些性质上优于普通纤维，更利于使用或加工，更接近天然化和更为舒 适。 一、聚合物共混体纤维结构 聚合物混合体纤维，又称混合聚合物纤维，也有人称其为“聚合物合金

34、”纤维。物理混合与化学共 混。 从纤维聚集态角度出发，不管聚合物是单聚物还是共聚物，聚合物混合体纤维或称共混聚合物纤维 可分为三种。 均相共混聚合物，其不同组分的分子在分子水平上互相混合而成，结构讨论中主要关心分子间 的相容性，即适合的自由能 F0。 非均相共混聚合物，其不同分子不能达到分子水平混合（ F0） ，各成一相，可连续或分散，其 一般以亚微观结构为特征。 双组份复合聚合物，其直接以两种聚合物在宏观结构上的相互合并混合形成，又称双成分、 双组 分纤维、或复合纤维。 二聚四氟乙烯纤维结构 聚四氟乙烯是一种高度对称，整体不带极性的高分子化合物，为不含任何支链的线型高分子，原因 在于，作用力

35、极强的C-F 键是很难打开的。氟原子的作用半径较大7.2? ，故分子链的稳定构型是螺旋 状结构。链结构的高度对称性和规律性，使聚四氟乙烯具有良好的结晶性（结晶度60） 和高密度特 征。结晶区密度为2.350.06g/cm 3，非晶区密度为 2.000.04g/cm 3。 聚四氟乙烯纤维的结晶形式有两种，可相互转换。 当温度小于19时， 晶胞为三斜晶系，C 轴（纤 维轴） 恒等同期为16.5? ，每个晶胞含有14 个-CF2-基。当温度高于 19时，晶胞开始转变为六方晶系， 晶胞参数为a=5.61? ，b5.61? ，c16.8? 。 三、碳纤维的结构 1碳纤维的结晶与取向结构 碳纤维是高强、高

36、模、耐高温纤维，属高性能纤维。主要由腈纶（PAN）纤维、粘胶纤维或沥青纤 维经预氧化、碳化和石墨化加工而成。碳纤维分子结构主要是六环稳定网状结构。见教材P37 图 1-16。 11 2碳纤维的微细组织结构 1）原纤特征：Fordeaux 等人用X 射线衍射和暗场电子显微镜观察提出的结构模型。 2）层状特征：纤维横截面电子显微镜观察表明，碳纤维原纤径向结构是层状分布。 3）皮芯特征：偏光显微镜对碳纤维皮层和内芯层的分析，表明碳纤维内外层结构存在不均匀性。 4）微结构的不均一性：碳纤维中不均一性的主要原因是纤维中的无机杂质，以及原丝加工中的牵伸作 用。 四液晶及芳纶高聚物的结构 液晶是指具有液态流

37、动特征，又有晶体的有序和光学各向异性特征的物质。液晶有小分子液晶，也 有大分子液晶。液晶按照形成液态的方法可分为近晶型（Smectic） 、向列型（nematic）和胆甾型 （cholesteric） 。 1.溶致液晶高聚物 最典型的是芳纶纤维，尤其是 Kevlar 纤维， 其在 15的硫酸液或N-甲基吡啶溶剂中，于 70形成 液晶。经干喷或湿纺得到高强高模芳纶纤维。聚对苯并噻唑（PBT） ，其分子刚硬。 2热致液晶聚合物 多为芳香族聚酯类物质，当温度高于熔融温度时转变成液晶态聚合物。 图 1-72 主链和侧链液晶聚合物分子结构模型图 3液晶聚合物结构条件 液晶高分子必须含有形成液晶态的基本分

38、子结构单元，这种结构单元能促使大分子链形成棒状或板 状的构图，并具有一定的长径比（即长度与直径之比），分子链要具有一定的伸展度和刚性。基于这些 要求，其分子链的基本单元结构或应为：刚性结构 X R n Y （1.11） 4液晶纺丝结构 处于溶液状的大分子有四种状态（参见教材P41 图 1-73） 。 (a)是典型的普通大分子为无规线团，（b） 是刚性大分子，在没有良好的侧向作用和导向情况下的状态；（ c）是无规的棒状液晶； （d）为向列型液 晶。 5液晶纤维的微细结构 芳纶 Kevlar 的分子因液晶纺丝，而高度取向和伸展。 芳族中的 Nomex 是耐高温高强纤维，其晶格为三斜晶系。 五、功能

39、化及差别化纤维 1高吸水性纤维：具备多微孔和空隙，造成毛细作用；表层分子的高亲水性和吸附能；分子的 12 溶胀性，以保持和蓄存最大量的水分。 2水溶性纤维：具有可水解的分子间作用和分子链段，较低的结晶度和结晶熔化温度。 3光、热敏感性纤维：在光或热作用下的变色或显色的变色纤维，由于分子构型和晶格形式的变化而 致。在光或热作用下，发生晶晶，晶液，液晶等转换，而产生吸放热过程的变温、变色纤维，以 及在光、热作用下蓄放热量和光热相互转换的纤维。 4膜分离中空纤维：存在典型的层状密度、孔隙梯度分布结构集微过滤，分子吸附及传递为一体， 完成气、液混合体的分离与纯化。膜分离中空纤维具有极强的选择性过滤。

40、5过滤纤维：具有超细化形态，高表面吸附能性质，甚至具有选择性吸附，如活性碳纤维等。其集合 体微孔的大小及孔径分布，决定了过滤的效果；其表面积和表面张力的大小，决定其吸附作用。 6光导纤维：纤维母材为结构均一，透明度高的单一均相性材料。纤维表面的涂覆材料一般为反光性 极好，且吸光率几乎为零。表皮和芯层材料的折射率差越大越好，并要求其界面平整。 7导电纤维：纤维分子或基体中的电子导电机制增大，导电成分的连续性好，尤其在电流方向上。通 常为掺杂高聚物材料或复合纤维。 8抗辐射、屏蔽纤维：其分子构成和集合态结构要有很好辐射热转换、吸收机制，即具有相应的分 子共振吸收形式和表层反射阻挡作用。 差别化纤维

41、：较注重宏观形态，纤维空间弯、转曲状态，表层物质与结构的改变，故大多为变形、 改性、多孔、减量等加工产品。涤纶仿真丝表面丝光化处理，就是典型的差别化加工，其表面变化见教 材 P44 图 1-79。 功能纤维：特殊功能和被动性 智能纤维：自适应、自调节、可控和功能转换 第二章纤维的吸湿性 一、纤维吸、放湿的动态平衡概念 二、吸湿指标及其测试方法 回潮率与含水率；标准回潮率；公定回潮率。 测试方法：直接法；间接法。 三、吸湿滞后性及其机理 四、吸湿等温线及其机理 由吸湿等温线和吸湿滞后性理解在纺织测试标准中要求的预调湿一调湿平衡过程 五、纤维的吸湿热微分热（Q1）和积分热（W） r drQW 0

42、1 100/drdWQ/100 1 六、纤维吸湿与纤维性能间关系 13 七、纤维的吸湿机理及其理论 吸湿机理：定性解释影响纤维吸湿的因素（纤维本身因素和外界条件） 吸湿理论：从理论上分析说明吸湿等温线即纤维回潮率与相对湿度间关系的理论曲线 八、合成纤维亲水化的原理与方法 问题讨论 1吸湿热的测量 用量热器可测积分热回潮率曲线，然后进行微分得不同回潮率时的微分热。 微分热也可由不同温度下的吸湿等温线计算得到。 2皮尔斯（ Peirce）理论 P65，图 2-19，P67，图 2-20 第三章纤维的力学性能 第一节拉伸性质 一、拉伸性质指标：代表性拉伸曲线的绘制。 二、影响纤维拉伸性质的纤维结构因

43、素和试验条件因素。 纤维结构因素：聚合度，取向度，结晶度，交联，分子链的刚柔性。 试验条件因素：1.试样长度（皮尔斯弱环定律） 2.试样根数（平行纤维束的拉伸性质） 3.加荷速度（与纤维的粘弹性能有关） 4.加荷方式（同上，强度CRLCRE ，模量 CRL。 对纤维的的结晶结构来说，不同晶格形式的材料，微观上对质点（分子，原子或离子）的作用和约 束不同，故其各自的介电常数就不同。纤维结晶度变化，也会影响纤维介电损耗值。 3水和分和杂质的影响 4温度的影响 温度对纤维介电常数的影响一般较少，尤其在常规温度范围内。 5施加电压的影响 6电场频率的影响 21 四、介电击穿性 1介电强度 h U E

44、b b (4.26) 2介电击穿机理 1）本征击穿：载流子的雪崩式的产生和运动，而使材料内的电流急剧上升，引起高热高温现象， 最终使材料击穿。 2）热击穿：即在不太高的电压作用下，材料由于本身内部的电荷运动或介电损耗所产生的热量与 可能散导热量的不相等，当前者大于后者时，将引起材料的无限升温，导致材料的热裂解，而形成破坏。 Wagner 最早用数学方法建立了这种破坏的理论模型： 即STTe h S U C T b C )(24.0 0 0 2 （4.27） 由 CC dT dQ dT dQ 21 得：Se h S U C T b 0 2 24.0 C T b e h U 24.0 0 (4.2

45、8) 3放电击穿 外加电场的作用， 会使高聚物表面和内部空穴的气体被电离而带电粒子在电场作用下的运动会轰击 高聚物材料，而使材料的缺陷扩大，分子解体，或产生电化学作用。而这种长时间的放电轰击作用，同 样会使高聚物被不断的刻蚀而解体，这种击穿的典型破坏形式是树叉状的蚀刻破坏通道。 纤维击穿，最主要的击穿形式是放电击穿。 第三节 纤维的静电性质 一、静电现象 二、静电产生的原因 1接触起电 1）双电层理论 22 2）功函数理论 电子克服原子核的约束作用，从材料表面逸出所需的最小能量就称为逸出功，又称功函数。 不 同的物质只要其表层的功函数不相同，当相互接触时，就会发生电荷的转移。 而转移电荷Q 与

46、功函数差的关系为： )( 21 SSQ 2摩擦起电 摩擦起电不仅是接触，还包括挤、 压、拉、摩、剥离、 粘附等各种物理机械作用。主要有三种解释。 （Volat-Helmholtz ）的接触电位差理论。 电解和吸附离子理论。 物质转移的非对称性，部分剥离， 粘合，以及温度差引起的扩散等，其终止为表面的分离和形变 的停止。 3压电起电 在一定压力作用下，纤维的变形，尤其是晶格的变形，会产生带电现象。而压力大小的变化，导致 电荷量或感应电势的变化。 4热电效应 加热可使纤维表面的功函数费米能级，以及价带和禁带作用。 三、电荷散逸的途径与静电消除 1电荷的散逸途径 1）空气传导；2）纤维材料表面的传导

47、；3）向纤维材料内部扩散；4）量子隧道效应；5）诱导极 化、压电、热电、变形产生的感应电势。 2消除静电的方法 23 四、纤维及其制品的静电性质的表征 l静电性的测量 2静电性的特征参数 第三节导电高聚物的导电性质 一、导电高分子及其理论的产生与进展 导电高聚物的出现和研究是近20 多年的事。在短短几年内相继合成了聚对苯撑PPP、聚吡咯 PPy、 聚苯硫醚PPS聚噻吩PTh、聚苯撑乙烯撑PPV、聚苯胺Pan等本征型导电高分子ICP。 导电高聚物的迅速发展主要有两方面的原因。其一，导电高聚物是新型功能材料可以用来制造太阳 能电池、 半导体器件和充电电池等的材料。其二， 导电高分子的导电机理的研究

48、提出了许多新的物理概 念，促进了凝聚态物理等基础学科的发展。 Schrieffer （理论物理学家，诺贝尔物理奖获得者），Heeger（熟悉化学的实验物理专家）和苏武沛 （Schrieffer 的学生）提出了孤子理论。并与MacDiarmid （熟悉物理的化学家）和白川（有机化学家） 合作，将化学与物理，实验与理论紧密结合，引出了高聚物材料的新学科本征型导电高分子。 二、本征型导电高分子的导电载流子与机制 聚乙炔是结构最为简单的ICP，由 CH 单元组成线型共轭高分子，链上的C 和 H 原子都位于同一 平面上。有单键C-C（长 0.145nm）和双键CC（长 0.135nm） 。 1孤波与孤子

49、 孤子的理论与概念来源于“孤波”（solitary wave） ，是一种在水面上传播的具有特殊性质的波动。 其形状为一孤立的波峰，在传播过程中形状保持不变，即便两孤波相撞。分开后仍保持原来的形状（只 是相位变化）和速度继续传播。其运动方程为 0 3 3 x A x A A t A (4-70) 式中， A 表示波的幅度；为常数，此为经典的KdV （ Korteweg 和 deVries，1895 年）方程，其中第二 项是 A 的二次方项，故为非线性方程，其解为 )4(sec 12 ),( 2 txhtxA（4-71） 由此可知孤波有三个特点：定域性，波形局限在较小的范围内形成孤立的波峰；稳定性， 孤波 波形和传播速度保持不变；完整性，孤波碰撞后，波形仍恢复到原来的形状，并以原速度向前传播。 2极化子（ pol