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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
