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1、第二章 纤维结构概述 研究纤维结构的目的:l了解纤维结构与性能关系,正确选择 和使用纤维;l通过各种途径改变纤维结构,有效地 改变纤维性能。 纤维结构定义是指组成纤维的结构单元相 互作用达到平衡时在空间的几 何排列。纤维结构v大分子结构:化学组成、单基结构、端基组成 、 聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔 曲性等v聚集态结构:晶态、非晶态、结晶度、晶粒大 小、取向度、侧序分布等v形态结构:纵横向几何形态、径向结构、表面 结构、孔洞结构等纤维的形态结构microscopic structure微形态结构:用电子显微镜能 观察到的结构,如:微纤、微孔、裂缝 等;Features may be
2、observed by electron microscope.lNatural fibers: distinct layerslManufactured and silk: uniform throughout except skin-core effectMacrostructures:宏形态结构:用光学显微镜能观察到的结构 ,如:皮芯结构、截面形态等。Features can be observed by optical microscope.lSurface contour/longitudinal form smoothstriated convoluted serrated pit
3、tedlobed scalylCross-sectional area shape roundkidney bean triangular flatdog-bone multi-lobal棉纤维纵、横截面绵羊毛纵、横截面大麻纤维纵、横截面桑蚕丝纵、横截面涤纶纤维纵、横截面晴纶纤维纵、横截面粘胶纤维纵、横截面四孔中空纤维横截面导电纤维第二节 纺织纤维的大分子结构纺织纤维除了无机纤维(玻纤、石 棉纤维、金属纤维)等外,绝大多数都 是高分子化合物(即高聚物),分子量 很大。一、单基(链节) 1、定义:构成纤维大分子的基本化学结构单元 。 AAAAAA或 A(A)nA A 单基;A、A端基; n 聚合
4、度; 2、常用纺织纤维单基的化学组 成: 常用纤维的单基l纤维素纤维:-葡萄糖剩基l蛋白质纤维:-氨基酸剩基l涤纶:对苯二甲酸乙二酯l锦纶:己内酰胺l丙纶:丙烯l腈纶:丙烯腈l单基的化学结构、官能团的种类决定 了纤维的耐酸、耐碱、耐光、吸湿、染 色性等,单基中极性官能团的数量、极 性强弱对纤维的性质影响很大。 二.聚合度1)定义:构成纤维大分子的单基的数目,或一 个 大分子中的单基重复的次数(n)。大分子的分子量单基的 分子量聚合度常用纤维的n:棉麻的聚合度很高 ,成千上万; 羊毛 n576; 蚕丝 n400 再生纤维素纤维 300-600 涤纶 130 晴纶 10001500 维纶 n170
5、0 丙纶 n310-430 一根纤维中各个大分子的n不尽相同,具 有 一定的分布 高聚物大分子的多分散 性。2)聚合度与力学性质的关系:lnn临,纤维开始具有强力;ln,纤维强力(n;大分子间的 结合键结合能量变大);l但n增加至一定程度,强力趋于不变。ln低时,一般来说,纤维的强度低些, 湿强度也低些,脆性明显些。聚合度与力学性质的关系 强度 P聚合度 nno制造化纤时,要控制n的大小n太小强度不好;n太大纺丝困难ln的分布:希望n的分布集中些,分散 度小些,这对纤维的强度,耐磨性、耐 疲劳性、弹性都有好处。l制造化纤时,要控制n的大小。ln太小强度不好;n太大纺丝 困难。三、纤维大分子链的
6、支化、构型纤维大分子的形状由于单基的键接方 式的不同,可以分为三种构造形式:l线型linearl枝型branchedl网型network(crosslinked)四、纤维大分子链的内旋性、构象l大分子链中的单键能绕着它相邻的键 按一定键角旋转,称为键的内旋转。l分子链由于围绕单键内旋转而产生的 原子在空间的不同排列形式称为构象。l纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构 象。五、纤维大分子链的柔曲性1) 定义:指纤维大分子在一定条 件下,通过内旋转或振动而形成各种形 状的难易程度的特性。单键的内旋转是大分子链产生柔曲 性的根源。对于高聚物而言,其中的大 分子链的内旋转除了受分子内原子或基 团相互影响外
7、分子间作用力也有很大影 响。2) 纤维大分子结构与柔曲性的关系l主链上原子链弹性好,链节易绕主轴旋转 , 柔曲性;l侧链较少,链节易绕主轴旋转,柔曲性 l主链四周侧基分布对称,链节易绕主轴旋转,柔曲性;l侧基间(大分子间)作用力较少,链节易 绕主轴旋转,柔曲性;l温度,内旋转加剧,大分子链柔曲性 。l大分子的柔曲性是判断高聚物弹性的 主要条件之一,长链分子由于热运动而 变成弯曲形状使高度柔曲性,这就是高 聚物产生弹性的原因。l柔顺性好的纤维,受外力易变形,伸 长大,弹性较好,结构不易堆砌的十分 密集,但在外力作用下,易被拉伸,易 形成结晶。小结:l纤维大分子是由许多个单基通过共价键连接 而成的
8、线型大分子。l纤维大分子分子量大,分子链长。l 纤维大分子的主链一般都具有一定的内旋转 自由度,使大分子链具有一定的柔曲性。l由于热运动,在不同条件下,纤维大分子的 构象可以不断改变。 第三节 纺织纤维的聚集态结构一、大分子间作用力(次价键力)纤维大分子间的作用力与大分子链间的相 对位置,链的形状、大分子排列的密度及链的 柔曲性等有关。这种作用力使纤维中的大分子 形成一种较稳定的相对位置,或较牢固的结合 ,使纤维具有一定的物理机械性质。纤维大分子的次价键力包括范得 华力、氢键、盐式键、化学键、 其产生的原因及特点如下名称产生原因特点范 得 华 力定向力产生于极性分子间,是由它们的永 久偶极矩作
9、用而产生的作用能量35千卡/克分 子 与温度有 关 诱导力由相邻分子间的诱导电动势产生的 ,产生于极性分子与非极性分子之 间1.53千卡/克分子与温度有关 色散力由相邻原子上的电子云旋转引起瞬 时的偶极矩而产生的。产生一切非 极性分子中。0.22千卡/克分子与温度无关氢键大分子侧基(或部分主链上)极性 基团之间的静电吸引力(如NH, COOH,OH,CONH等)能量1.310.2千卡/克 分子距离2.3 3.2A 与温度有关盐式键在部分大分子侧基上,某些成对基 团之间接近时,产生能级跃迁的原 子转移,从而基团间形成相互结合 的化学键是化学键中作用力较弱 的一种,能量3050千 卡/克分子 化学
10、键少数纤维的大分子之间存在这桥式 侧基。化学键键主要包括共价键键、离 子键键和金属键键能量50200千卡/克分 子 l四种结合力的能量大小:化学键盐式键氢键范得 华力l四种结合力的作用距离:化学键盐式键氢键范得 华力总结: 纤维大分子链间的作用力l范德华力存在于一切分子之间的一种吸引力。包括定向力、诱导力、色散力。作用范围小于1纳米,作用能比化学键 小1-2个数量级。l 氢键极性很强的X-H键上的氢原子,与另 一个键上电负性很大的原子Y上的孤对电 子相互吸引而形成的一种键(X HY)。发生在分子极性基团之间的作用力 。键能与范德华力的数量级相同纺织纤维中常见的氢键:OHO NH ONH N C
11、H Nl盐式键存在于部分纤维大分子间。如羊毛、蚕丝大分子侧基上的羧基 (COOH)和氨基(NH 2 )可形成盐 式键 COO + H 3 N盐式键键能大于氢键,小于化学 键l 化学键网状构造的大分子可由化学键构成 交联。部分纤维,如羊毛和蚕丝的桥式侧 基中存在二硫键和(SS)酯键( CO)O纤维大分子主要是通过范德华力和氢 键聚集在一起。分子间力的大小取决于:1.单基化学组成(原子团多少、极性 集团数目、极性强弱)2.聚合度3.分子间距离二、聚集态结构超分子结构(聚集态结构):具有一 定构象的大分子链通过分子链间的作用力而 相互排列、堆砌而成的结构。纤维的超分子结构是在天然纤维的生长 过程或化
12、学纤维的纺丝成形及后加工过程中 形成的。l高聚物的基本性质取决于大分子结构 ,而实际高聚物材料或制品的使用性能 则直接取决于在加工过程中形成的超分 子结构(聚集态结构)。1、结晶 Crystallinity (1)结晶区:纤维大分子有规律地整齐排列的 区域。(2)结晶态:纤维大分子有规律地整齐排列的状 态。(3)结晶度:纤维内部结晶区占整个纤维的百分 率。(4)非晶态:纤维大分子无规律地乱排列的状态 。(5)非晶区:纤维大分子无规律地乱排列的区域 。Crystalline regions: adjacent polymers are packed with spatial orderAmorp
13、hous regions: no spatial orderl 重量结晶度:纤维内结晶区 的重量占纤维总重量的百分率。l 体积结晶度:纤维内结晶 区的体积占纤维总体积的百分率。晶区特点 1)大分子链段排列规整2)结构紧密,缝隙,孔洞较少3)相互间结合力强,互相接近的基团结合力饱 和结晶度 纤维的拉伸强度、初始模量、 硬度、尺寸稳定性、密度,纤维的吸湿性、染 料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性。非晶区特点: 1)大分子链段排列混乱,无规律; 2)结构松散,有较多的缝隙,孔洞; 3)相互间结合力小,互相接近的基团结合力 没饱和。结晶度纤维吸湿性;容易染色;拉 伸强度较小,变形较大,纤维较柔软,耐
14、冲 击性,弹性有所改善,密度较小,化学反应 性比较活泼 。2、取向度Orientation 1)定义:指大分子或链段等各种不同结构 单元包括微晶体沿纤维轴规则排列程 度。Highly oriented: large proportion of polymer chains are aligned with the fiber axis 结晶与取向是两个概念,结晶度大不一定取 向度高,取向应包括微晶体的取向。除了卷 绕丝,一般说来,结晶度高,取向度也高。2)取向度与纤维性能间的关系:纤维的取向度大,大分子可能承受 的轴向拉力也大,拉伸强度较大,伸长 较小,模量较高,光泽教好,各向异性 明显 。T
15、ensile behavior of natural fibers第四节 纤维的形态结构微形态结构:用电子显微镜能观测到 的结构。如微纤,微孔,裂缝等宏形态结构:用光学显微镜能观测到的 结构。如皮芯结构,表面形态等。研究纤维形态结构的意义l形态结构与纤维性质密切相关抱合力、可纺性、摩擦性能、粘 合性、光泽、手感、保暖性、吸湿性 第五节 纤维素纤维的内部结构一、纤维素纤维的大分子结构 纤维素大分子的基本链结是-葡萄糖剩 基。纤维素纤维大分子中纤维素二糖由 相邻2个葡萄糖剩基反向对称、一正一 反连接而成,它的空间结构属于椅式结 构:二、纤维素大分子的超分子结构结晶结构的最小单元(晶胞)是由 五个平行排列的纤维素大分子在两个氧 六环的一段上组成:三、纤维素纤维的形态结构1、棉纤维的形态结构棉纤维由外向内是由初生层、次生 层和中腔三个部分组成:(1)初生层其外皮是一层极薄的蜡质与果胶的 淀积层,外层之内是纤维的初生胞壁。 一般认为初生胞壁由原纤呈网状结构组 成。初生层很薄,纤维素含量不多。(2)次生层次生胞壁占棉纤维的绝大部分。它在 棉纤维生长期间由外向内逐渐分层沉淀 ,形成日轮。次生胞壁也分为三层:外 层S1,中层S2,内层S3。(3)中腔棉纤维的中空部分,其内留有少数原 生质和细胞核残余,它对棉