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1、第一章 纤维的弱节结构特征 1弱节的定义与内涵 o纤维弱节的概念，由Peirce最早提出，但只是指在 力学性质上较弱部位。 o而这种力学性质上的弱点，必然与该部位的结构状 态有关，故又称其为“结构弱节”或“形态弱节”。 o纤维的结构弱节是指纤维内部结构中和外观形态上 存在着明显的结构不均匀性和缺陷。 o形态弱节则是指纤维明显的几何细颈部位，纤维生 长或加工过程中的缺陷，以及纤维受自然和人为作 用的损伤处。 弱节分类： o一是纤维的内部结构弱节，一般采用电子显 微术和微区电子衍射和X射线衍射技术分析 ，但弱节区域太小太少，寻找与观察都极为 困难。 o二是形态细节或细颈，即纤维生长的较细部 位，这
2、类特征大都采用纤维轮廓测量法来表 征。 o三是自然侵蚀和人为损伤的形态结构缺陷， 采用SEM观察。 2纤维弱节的特征（以羊毛纤维为例） o (1) 纤维的细节： 实际观察结果如SEM照片所示，细节的 主要特征是纤维均匀、逐渐地由粗变细，再由细变粗的形态 。其变细的速度不同，如图 (a)(b)所示的其间差别。一 般逐渐变细、变粗是羊毛形态的正常观象，其很难构成羊毛 真正意义上的弱节。对图 (c)所示的快速变细的形态，有可 能构成纤维的弱节。 o (2) 天然生长的形态缺陷： 羊毛纤维天然生长中 的缺陷如图所示，如图 (a)所示的纤维表面风蚀部 位；图 (b) 的鳞片鼓胀和受损点；图 (c)纤维局
3、部 畸形变化。 o(3) 人为加工中的损伤： 人为的机械作用，对纤 维形成损伤，其损伤形式主要如图所示。图中(a) 为纤维受大曲率的弯曲和挤压作用结果；(b)为平 压的压扁结果；(c)为锐器损伤的变形等的损伤。 纤维的机械作用损伤，会造成纤维形态的剧烈畸变 和纤维强伸性的衰减。 o (4) 内部结构缺陷：纤维内部的结构缺陷是一个很难确切发现和表征的 结构部位，尤其是微区结构弱节，即导致纤维破坏的应力集中点，或裂纹 与缺陷。通常的内部结构弱节是以定性的方式来描述，即纤维两相结构中 的无序低密和无缚结分子的部位；或纤维微细组织结构中，组织块间的间 隙和孔洞；以及晶格结构中的缺陷与错位。故较多的研究
4、与表征是针对纤 维的断裂面特征。如图涤纶纤维（a）纤维表面的裂纹或缺陷引起的“V” 字漏斗形加平面断口，以及图（b）纤维结构的缺陷引起的多阶梯加滑移 面的断裂端。 3. 纤维弱节结构的表征 o（1）纤维弱节的力学特征 o 纤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。 o 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”。 o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： o人们很少真正地测量纤维的应力，而是纤维
5、的受 力值与纤维平均直径的相对比值； o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； o纤维弱节的最主要表现为纤维的力学性能的退化 。 o 因此在理论和实践上，最方便和最直接的方 式是以纤维的力学行为来表征其弱节的特征和弱节 量。 o右图为羊毛不同断裂 行为的拉伸曲线 。 o 显然，纤维弱节断 裂应力和应变低于图 中的临界应力和临界 应变。这一曲线特征 和临界应力、应变值 ，可用于纤维弱节和 非弱节（正常）断裂 的判断。 （2）纤维弱节断裂的判定准则与方法 o 纤维弱节断裂的判断准则，即为上面提 到的纤维的临界应力，或临界比强度 (
6、cN/tex)和临界应变。 o 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。 o由于实测中可以测得纤维 沿其长度方向上的粗细轮 廓图。由此可以分出纤维 断裂的部位，最细点处断 裂和非最细点处断裂。根 据其实际断裂部位的粗细 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。 第二章 纤维的浸润性质 一概述 o 纤维的浸润，或称纤维的润湿，是指纤维与液 体发生接触时的相互作用过程，其包括两类现象。 o一是纤维与液体
7、的平衡浸润，即当液体与纤维表面 接触后，其状态基本上不发生变化而保持稳态的浸 润，故又称作静态浸润。 o二为纤维的非平衡浸润，即液体与纤维接触后，整 个浸润过程中的液固界面在不断地扩展，固、液、 气交汇点在不断移动，此又称为铺展浸润，或动态 浸润。 o对于平衡态浸润， 可以由Young-Dupr 方程直接描述 o 式中， 为表面张力，为单位长 度上的作用力；下标S，L，V分别 表示固、液、气态；为接触角，如 图所示。一般常用接触角或cos 来 表示材料的浸润性，即： o 对于非平衡浸润，即 铺展过程，其在理论 上已转化为氢键或化 学键作用的吸附过程 ，故Young-Dupr方 程在理论表征和描
8、述 上就不适合了。 o但实用测量中一般采 取扩展速度的动态测 量方法来描述其特征 。 o浸润对于单一纤维，或单一表面，可以用上述现象 和说法来解释，但面对纤维集合体或多表面靠近， 或多孔材料时，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、固交汇点A，会 发生长时间的移动，称为芯吸(wicking)。 o 因此，浸润过程对纤维集合体和多孔材料来说 ，浸润过程不仅依赖其平衡态的特征参数和表面性 质，而且取决于多孔材料的几何特征。 o 二纤维的平衡浸润性 o1接触角 o接触角，是指气液切面与固液界面间，含液体的夹角。 o接触角的大小，可以将浸润分为几种情况： o当0时，为完全浸润，
9、或称铺展； o 090时，为可浸润，或称正浸润 o90时，为零浸润； o 90 后。A点前进或有前进趋势；B点为后退或有 后辙趋势。 o 前进、后退角的差值，反映纤维 浸润的滞后性。 o 粗糙表面浸润：当液滴作 用于粗糙表面时的宏观接触 角会发生跳跃性变化，其变 化的原因如图所示。 o 实际A、B液滴为同一液体 ，固体物质也为均质材料， 只是表面起伏，导致表观接 触角，而微观点的各接触角 。根据液体在粗糙表面的可 浸润面积的增大，粗糙系数r 为粗糙表面积（实际的）和 光滑表面积（表观的）之比 or恒大于等于1。 o如果纤维为可浸润时， ，则粗糙表面 的接触角值小于真正的接触角值。即越粗糙 越易
10、浸润。反之， 时， 成立，即 越粗糙越难浸润。所以微观粗糙表面的粗糙 度（粗糙系数）对润湿性有较大作用。 o 不同组分的表面浸润： 即液滴对表层结构或组成 不同区域的同时浸润，但 表面仍为光滑的表面。 o如图，在宏观尺寸较大时 接触角值也会产生跳动。 当不同组份的区域趋向于 微观化时，A、B两组份所 形成的与的差异和跳动将 趋向一个稳态值。 o若已知A，B组份的面积分数 fA或fB，因为 fA + fB =1，则根据线性迭加方法，可求得 为多组份混合表面的接触角值 ： 2粘着功W o 描述固体与液体相互作用的基本力学参数。其反映单位 面积上的总的吸附能，是固液相互物理化学作用的综合值。 o 粘
11、着功可以对两个浸润性不同的体系作出更为明确的描述 ，因为其仅仅表示固体与液体之间的纯的粘着作用。 o粘着功可以用一般的热力学量定义，并由Dupr方程表达 o 同样地，一种液体，或一种固体，与其本身的相应结合，用 内聚功来表示（WLL或WSS），其值由式可得，为其表面张力 的两倍，即： o 三纤维的铺展浸润 o 当接触角为零时的浸润，为非平衡态的浸润， 此时的Young-Dupr方 程描述的浸润现象已不存 在。 o 而在时，液体在固体表面仍以某种速度扩散铺 展开来。而整个铺展过程，将是液体表面积的迅速 增大，即克服液体内聚能的过程，因此铺展的必要 条件是式： 恒成立。 o 铺展浸润的特征是液滴在
12、固体表面上的展开成 膜，原有的固气界面消失，而留下固液界面和 气液界面。 o基于铺展浸润的特点和必要条件，可以引出一 些参数来表征纤维的铺展浸润性。 1铺层系数P o铺展系数为固液的粘着功与液体内聚功的差异， 即 o铺展系数又可称为“铺展压”或“铺展张力”，其反 映在此压力或张力的作用下，液体分子不只是克服 自身的内聚能作用，而展开增加表面积，而是液体 分子在固体表面的快速扩散。 o当P0时，粘着功正好克服液体的内聚能而使液 体展开，只要时间足够，液体总能铺展开来，也就 是说这种铺展速度VS接近于零。 2铺展速度VS o当液体与固体接触时，即使无外力作用，但在表 面吸附功对液体的内聚能的作用下
13、，满足前述铺展 压时，就会产生气、液、固三相交界线的快速移动 ，如用一运动长丝束观察这种浸润的过程，就可发 现其中的不同，如图所示。 A+ 气体 长丝 液体 AA 气体 长丝 液体 A+ A- 气体 长丝 液体 A- o v vs 四纤维集合体的浸润 o单纤维的浸润性已经明确，纤维集合体的浸润性在理论上 应取决于单纤维的浸润性和纤维集合体的结构尺寸。通常在单 纤维状态下的平衡态浸润，在纤维集合体状态下就会发生变化 ，产生毛细吸水的现象，或称芯吸。 o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 。假如纤维和液体都固定，而只是孔隙尺寸的变化，芯吸的程 度就不同。典型的毛细管压力p方程为
14、： or为毛细管等效半径，即为形状参数。当r增大，纤 维间隙增大，芯吸压力p下降，浸润作用减弱；当r 变小时，即纤维间空隙变小，芯吸压力上升，毛细 浸润作用加强。 o 当纤维空隙为竖直排列时，浸润和重力作用会 使液体的吸芯达到某一高度；而成稳态； o 空隙为水平放置时，毛细作用会使液体不断的 扩展，如同铺展作用，而成非平衡态。、 o 当纤维的空隙大小不同，则又会产生毛细压差 ，而形成扩展的选择性，或称方向性。因此，纤维 集合体的浸润性不仅具有平衡态和非平衡态浸润的 特征，还有方向性和选择性，故其表征有其特有的 参数。 芯吸高度h o依据纤维集合体空隙为竖直放置的芯吸作用，并根据 纤维正浸润和负
15、浸润的条件，可将芯吸模型分为二种 ，拒水左和导水右。 h d q g h q g d 对于拒水模型 o根据力学平衡原则：液体表面张力作用水 柱高度的重力作用得： o式中：为液体表面张力；d为孔隙等数直径；为液体的密度 ；h为液柱高度；g为重力加速度值。 o由此可得拒水高度的公式 o显然h越高，拒水性越好。而通过选择纤维材料，即改变拒水 性能；同样，减小空隙系数同样可以达到拒水。 对导水模型 o此处导水指导液态水，根据上述方法参照图模型同 理可得，纤维表面张力引起的向上作用力与水柱重 力形成的向下重力平衡。 o要获得导水材料，选择接触角 小的，毛细 管直径小的纤维集合体，将有助于材料的导 水。
16、第三章 纺织纤维的粘弹性力学性 质 纤维的粘弹性力学现象及其分子解释 o 由长链分子聚集起来的纤维，在变形时除了分 子链主价键的变形(键长和键角的改变)外，还有次 价键逐步断裂而分子链的逐步伸展、纤维结构重排 的过程，这一过程使纤维的变形具有时间效应或时 间依赖性(time dependent)。 o 所以，纺织纤维的力学性能兼具有弹性固体和 粘性流体的变形特征，它是一种粘弹性体。 o 纤维粘弹性力学性能典型地表现在纤维具有显 著的应力松弛、蠕变和在周期性交变应力作用下， 纤维应力与应变不同相的现象。 1蠕 变 o 纤维在一定负荷作用下，变形随时间而 逐渐增加的现象，称为蠕变。 o 对线形高聚物，形变随外力作用时间的 增长而无限增加，直至试样断裂，但形变的 变化率逐渐趋于一定值(粘性流动)。 o 结晶性高聚物(纤维)的蠕变现象相似于 交联高聚物。 o对纤维变形机理的研究认为
