东华纺材六纤维表面性质

《东华纺材六纤维表面性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《东华纺材六纤维表面性质（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 纤维的表面性质 * * 1 1 第一节 纤维表面的内涵 u纤维内部是平衡态，而表面是非平衡态 u纤维表面： 抱合力 摩擦力 表面渗透性 表面改性 功能整理 一、表面的基本概念 1. 纤维表面的定义 纤维表面，是指纤维表层0.5-5nm内的组成、结 构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。 纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的 表面的结构和形态是不稳定的 图6-2 A/B物质的界面层示意图 图6-1 表面结构、形态及相互作用 2. 表面能（表面自由能） 形成单位面积表面所消耗的功。 图6-3 液体表面增大所作的功 二、纤维表面涉及的内容 纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表 征方法：

2、表面结构是表面的基础与本质，决定表面性质； 表面性质是表面结构的外在行为表现； 表面表征方法是认识表面结构、性质及其相互关系 的手段。 1. 纤维表面结构内涵 图6-4 AFM的表面原子像 (1) 表面厚度 （2）表面形态 （3）表面组成 （4）表面结构（侠义的） 2. 纤维表面所涉及的基本物理性质 图6-6 纤维表面缺陷导致的断裂 （1）摩擦性能 （2）浸润性能 （3）热学性能 （4）光学性能 （5）电学性能 （6）力学性能劣化 3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法 图6-7 电子束激发的各类信息示意图 （1）表面组成分析 俄歇电子能谱（AES），二次离子质谱（SIMS），X射线光电 子能

3、谱（XPS），分析深度在表面2nm左右。 （2）表面结构分析 低能电子衍射（LEED),反射型高能电子衍射（RHEED），扫描 隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等等，其中首推 LEED，AFM（适合于高聚物材料）和STM（适合于金属和无机 材料） （3）表面形态分析 SEM，TEM，AFM，STM等，主要是SEM和AFM （4）表面电子能态分析 XPS,UPS。 （5）表面性质分析 表6-2 常用表面分析方法名称及用途 探针表面分析方法用途激发粒子能量或分析深度 电子 低能电子衍射LEED 反射高能电子衍射 RHEED 俄歇电子谱AES 扫描电子显微镜SEM 透射电子显微镜TEM

4、扫描隧道显微镜STM 表面及吸附层结构 表面结构 表面组分，结合能 表面形貌 表面形貌 表面轮廓、结构与成 分 能量E0 50-500eV E0 10-100 keV E0 2-5 keV 全膜覆盖表面 表面复制膜形态 表面轮廓500eV “探针”原子力显微镜AFM 表面结构、轮廓和成 分 10nm 4. 纤维表面改性 纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目 的，是期望通过有效、方便的表面处理获得理想 、实用、新型纤维的主要方法。 第二节 纤维的表面特征 一、天然纤维的表面特征 1. 棉纤维 图6-8 棉纤维的表面形态 棉纤维表面分布着微小的突起条纹（棱脊状条纹），是棉纤 维交叉移动时轻微跳动

5、和铮铮做响的主要原因，影响纤维的 可纺性，特别是在动态滑移过程中，其作用尤为重要。微条 纹产生的起皱表面结构，有利于纤维的点接触，而且是柔性 点接触，使纤维耐疲劳和磨损，并不涩不沾。 2. 麻纤维 苎麻纤维表面有许多微细沟槽和残余果胶，使苎麻表面变得 粗糙，这是苎麻刺痒的另一原因。 3. 毛发类纤维 图6-9 羊毛纤维表面的鳞纹 图6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构 (1) 羊毛纤维 伪棱脊 鳞纹 鳞片外形轮廓以及鳞片的伪鳞脊是构成羊毛表面鳞片花纹的 主要原因。通常羊毛的细度越细，其表面的鳞片度越高，鳞 片重叠数越多、厚度越厚，鳞片的环状完整性也越高。 （2）兔毛纤维 (a) 羊毛 (b) 兔毛

6、 图6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（SEM） 兔毛纤维鳞片花纹与纤维轴夹角一般小于45，而羊毛一般为 8090。 鳞片条纹平行排列且伸直程度高，呈直线条纹。且有表层粉 状物质的介入，因而兔毛表面的差微摩擦效应极不明显。 鳞片的伪鳞脊现象较多，羊毛为1/10，而兔毛约为1次。 兔毛表面有极好的滑糯性，即其表面摩擦系数很小，主要原 因在于兔毛表面存在着一种粉状物质，为兔毛提供了优良的 使用性质，但也造成加工成网、成条、牵伸不良等困难。可 以采用浸酸腐蚀法、上纺纱油剂法和等离子体刻蚀法等，改 性纤维的可纺性。 图6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM) （3）羽绒纤维 羽绒纤维表层结构是排列规整

7、的原纤，相互紧挨着绕纤维 外层一圈，表面存在依稀可见的明亮的“膜层”，这种结 构可能是很细的羽绒仍能挺直的原因。 （4）蚕丝纤维 蚕丝的表层结构和羽绒纤维相似，也是表层一排原纤紧密 排列一周。但蚕丝在表层呈层状结构，因此提供了很好的 光反射、折射和投射效果。蚕丝的表面还有丝胶及微细沟 槽，以及一些毛丝，使纤维具有纵向滑爽、横向略糙的特 性，纤维在交叉移动时，有丝鸣现象。 二、化学纤维的表面特征 1. 再生纤维 普通粘胶纤维有皮芯结构 Lyocell纤维由于溶剂析出和拉伸取向的作用，表面具有较 多的原纤化结构，且原纤间的作用力弱，容易形成劈裂而 产生原纤化的毛茸，使纤维表面变得毛绒化。 图6-1

8、2 不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM） 2. 普通合成纤维 涤纶：在微观尺度上如同微微波动的水面，呈无规状，时 而出现微小裂纹与孔洞； 锦纶：因大分子的柔性，表面结构不均匀，波动比涤纶更 明显，且波动纹与纤维轴基本垂直； 腈纶：表面也是片状晶体结构，而且表层结晶结构会因热 定形处理而发生改变； 丙纶：表面较为粗糙，有轻微细密的纵向条纹和一定量的 头端翘起的毛丝。 合成纤维中熔体纺丝纤维：通常被认为是表面光滑、结 构均匀的圆柱体或异形截面杆状物； 合成纤维的干法或湿法纺丝表面都具有皮层。干法纺丝 表面的微孔和缝隙较多；湿法纺丝的皮层较厚，且先于 凝固，多带有宏观收缩下凹沟槽。 图6-13 腈纶

9、纤维的表面形态与结构（SEM） 三、表面改性和高性能纤维的表面特征 1. 纤维粗糙化改性 图6-14 羊毛的等离子体刻蚀处理表面（SEM） 2. 纤维柔软化改性 3. 合成纤维的丝光改性 图6-15 涤纶的丝光处理表面（SEM） 4. 高性能纤维的表面特征 图6-16 芳纶纤维的表面形貌（SEM） 第三节 纤维的摩擦性质 一、纤维摩擦中的基本现象 纤维的摩擦性质是指纤维与纤维、纤维与其他物 质表面接触并发生相对运动时的行为。 1. 摩擦系数 表6-3 纤维纤维 的动动、静摩擦系数（S，D） 纤纤 维维 SD 粘胶与粘胶0.350.26 锦纶锦纶 与锦纶锦纶0.470.40 羊毛与羊毛 顺鳞顺鳞

10、 片方向 逆鳞鳞片方向 同纤维纤维 方向 0.13 0.61 0.21 0.11 0.38 0.15 羊毛与粘胶顺鳞顺鳞 片方向0.110.09 逆鳞鳞片方向0.390.35 羊毛与锦纶锦纶顺鳞顺鳞 片方向0.260.21 逆鳞鳞片方向0.430.35 （1） 相对滑移速度的影响 图6-17 滑动速度v与摩擦系数的关系 在高速摩擦时会发生： （2） 表观接触面积的影响 （3） 正压力的影响 （4） 表面粗粗度的影响 （5） 表面硬度的影响 （6） 纤维外观形态及表面附着物的影响 （7） 环境温湿度的影响 图6-18 摩擦系数与粗糙度r的关系 2. 粘滑现象 图6-19 粘滑过程及摩擦力曲线 纤

11、维间相对低速滑移时，会发生时而保持不动（粘）， 纤维产生变形或同向移动；时而又相对快速滑移（滑），这 种现象称为粘滑现象。 产生粘滑现象的本质原因是纤维的静、动摩擦力或静 、动摩擦系数的差异所致。 粘滑现象受相对移动速度的影响，当相对移动速度大 于0.1m/min时消失。 图6-20 纤维摩擦中的粘滑现象 3. 摩擦的对称性及方向性 图6-21 纤维的对称和非对称摩擦示意图 （1） 对称与非对称摩擦 图6-22 羊毛差微摩擦效应 图6-23 羊毛毡缩过程示意图 （2） 不同方向的摩擦 差微摩擦效应：羊毛纤维特有的现象，即顺鳞 片摩擦的摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数；根本原 因是羊毛鳞片的棘齿形态。

12、这也是导致羊毛具有 毡缩性的必要条件。 羊毛集合体的毡化就是由差微摩擦效应，加上 羊毛的高弹性伸长率和促进羊毛弹性伸长与回复 的热、湿、机械综合作用完成的。 二、摩擦机理与测量 1. 纤维的摩擦机理 摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象 ； 从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用， 在切向外力作用下产生剪切和分离的过程； 从宏观形态看，是两接触物体间的碰撞、挤压和错位； 实际纤维间的摩擦，是宏观和微观作用的综合。 2. 纤维摩擦性质的测量 图6-24 绞盘法测量原理示意图 （1）绞盘法 图6-25 纤维抽拔法实验原理 （2）抽拔法 图6-26 刮动法测量装置原理图

13、（3）刮动法 第四节 纤维的浸润性与芯吸 浸润：表达单纤维或纤维集合体表面（或表观） 与水的相互作用； 芯吸：表达纤维集合体内（纤维间）或单纤维内 （孔洞）对液体的毛细作用。 一、纤维浸润现象 1. 平衡与非平衡浸润 图6-27 平衡浸润模型 (1) 平衡浸润 所谓平衡，即气、液、固三相交汇点b不发生移 动，该点受力达到平衡： 表6-4 平衡浸润润的几种形式 可否浸润润cos状态态 0完全浸润润1或称铺铺展 090可浸润润0正浸润润 =90无浸润润0零浸润润 90180 不可浸润润0负负浸润润 =180完全不浸润润1随遇稳态稳态 理论上，纤维最大的平衡浸润性发生在 0，这时液体的表面张力应该等

14、于固 体的表面张力。这也是求固体表面张力的 一种方法。 (2) 非平衡浸润 在0时，液体在固体表面仍以某种速度扩 展，克服液体内聚能WLL使液体表面积扩大。 非平衡浸润的特征是液滴在固体表面上的展开 成膜，原有的固气界面消失，而留下两层固 液和气液界面。 2. 浸润的滞后性 是指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在 差异，且第一次浸润角1恒大于第二次浸润角2 。以此推广： 滞后角，反应纤维浸润的滞后性： 3. 伪浸润现象 图6-28 粗糙表面浸润模型图 图6-29 不同组份表面的浸润模型 是指由于纤维的表面形态与真实形态存在差异 ，或材料表面不同组分的组合，使液滴的三相交 汇点落在某一位置或某

15、一组分中而引起的表观接 触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象 。前者称形态伪浸润，后者称组分伪浸润。 （1）形态的影响（2）组分的影响 二、纤维浸润性测量 1. 接触角测量 图6-30 插入转动法示意图 图6-31 悬滴法计算示意和实物图 图6-32 浸润的前进角和后退角的测量示意 插入转动法； 悬滴法； 注入法 2. 浸润力的测量 图6-33 浸润力测量原理图 (1)竖直拔出法 (2)水平浸入拉出法 3. 铺展速度的测量 图6-37 长丝向下运动时液面月牙状的变化 三、纤维芯吸与表征 对于纤维集合体或多表面靠近或多孔材料，即 便是原平衡态的浸润，也会变为非平衡态特征的 浸润，即气、液、

16、固三相的交点会发生长时间的 移动。 1. 纤维集合体的浸润现象 图6-38 无毛细作用时液体的状态 纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象，或称芯吸。 芯吸作用，除了单纤维的浸润作用外，还有孔隙形 状因子的影响。 2. 芯吸高度 当纤维孔隙为竖直排列，并在有效的毛细半径时 ，浸润和重力作用会使液体被芯吸到某一高度后， 形成稳态； 空隙为水平放置时，毛细作用会使液体不断扩展 ，形成非平衡态； 当纤维间的空隙大小和组成不同时，则会产生毛 细压差，而形成扩展的方向性和选择性。 (a) 90180（拒水） (b) 0 90；其次 为织物的孔隙等效直径d，d越小，织物越拒水。 1.（2）导水高度 1. 织物能够导水的必要条件是 90；其次 为织物的孔隙等效直径d，d越小，芯吸作用越强。 3. 芯吸速度 纤维集合体的芯吸速率，在微观上取决于纤维的 物理化学性质和液体分子的热平衡过程；在宏观 上取决于孔隙的形态与