第二章纤维的结构特征课件_2

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1、第二章 纤维的结构特征,第一节 纤维基本结构及构成,纤维结构 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 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 形态结构：纵横向几何形态、径向结构、表面结构、孔洞结构等,一、纤维的形态结构1. 基本内容,纤维的形态结构，是指纤维在光学显微镜或电子显微镜、乃至原子力显微镜下能被直接观察到的结构。一般按尺度和部位分为三类：表观形态、表面结构和微细结构。,影响纤维的形态的因素:,天然纤维的形态由品种决定 化学纤维的形态由喷丝孔形状、纺丝方法决定,2. 纤维的原纤结构,基原纤微原纤原纤巨原纤细胞,（

2、1）基原纤由几根以至十几根长链分子，相互平行或螺旋状地按一定距离、相对稳定地结合在一起的大分子束组成，直径1-3nm，并具有一定的柔曲性。,（2）微原纤由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，直径4-8nm，也有高达100nm。,图2-1 微原纤的堆砌形式示意图,（3）原纤由若干基原纤或含若干根微原纤大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束，直径10-30nm。,（4）巨原纤由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体，直径100-600nm。,（5）细胞由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。,纤维大分子的次价键力包括范德华力、氢键、盐式键、化学键、其产生的原因及特点如下,二、纤维的聚集

3、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。是在天然纤维的生长过程或化学纤维的纺丝成形及后加工过程中形成的。,四种结合力的能量大小： 化学键盐式键氢键范德华力 四种结合力的作用距离： 化学键盐式键氢键范德华力,1. 纤维的结晶结构,将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，形成有较大内聚能和密度并有明显转变温度的点阵结构，称为结晶结构。,2. 纤维的非晶结构,纤维大分子高聚物呈不规则聚集排列的结构，称为非晶结构，相应的区域称为非晶区。,图2-2 取向和无序排列的缨状微胞结构,对于纤维聚集态的形式，有不同的两相结构模型：缨状微胞模型缨状原纤结构模型折叠链片晶

4、结构假说,图2-3 缨状原纤结构 图2-4 折叠链片晶,图2-5 取向和非取向折叠链片晶结构模型,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，耐冲击性，弹性有所改善，密度较小，化学反应性比较活泼 。,3. 纤维的取向结构,纤

5、维大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度称为取向度。一般将这一特征明显的结构称为取向结构。,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。,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，光泽较好，各向异性明显 。,三、纤维的分子结构,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。,1、单基（链节） 构成纤维大分子的基本化学结构单元。 AAAAAA或 A(A)nAA 单基；A、A端基； n 聚合度；,常用纤维的单基,

6、纤维素纤维：-葡萄糖剩基 蛋白质纤维：-氨基酸剩基 涤纶：对苯二甲酸乙二酯 锦纶：己内酰胺 丙纶：丙烯 腈纶：丙烯腈,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。,2.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 n1700 丙纶 n310-430 一根纤维中各个大分子的n不尽相同

7、，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：,nn临，纤维开始具有强力； n，纤维强力（n；大分子间的结合键结合能量变大）； 但n增加至一定程度，强力趋于不变。 n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 n,no,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,n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。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。,3、纤维大分子链的支化、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

8、三种构造形式：线型linear 枝型branched 网型network(crosslinked),4、纤维大分子链的内旋性、构象,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。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。纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。,5、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,主链上原子链弹

9、性好，链节易绕主轴旋转， 柔曲性； 侧链较少，链节易绕主轴旋转，柔曲性 主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋转，柔曲性； 侧基间（大分子间）作用力较少，链节易 绕主轴旋转，柔曲性； 温度，内旋转加剧，大分子链柔曲性。,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。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。,通常将大分子结构分为分子内（分子链）结构和分子间（超分子）结构两部分。,小结： 纤维大分子是由许多个单基通过共价键连接而成的线型大分子。纤维大分子分子

10、量大，分子链长。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。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。,第二节 纤维的结构特征与测量,一、纺织纤维结构的一般特征,从形态上看：要求具有一定的长度和细度；较高的长径比；具备形成一维材料的基本条件； 从聚集态结构看：要求具有一定的结晶和取向，但又必须有一定的无定形区； 从大分子组成和结构上看：要求分子量较高、且分子量分布应比较窄，支链较短，侧基要小。,二、纤维化学结构的测量1. 化学结构的测量,（1）质谱分析通过对纤维样品的气相离子的质量电荷比和离子的强度，对纤维的组成和链结构进行定量化的表征，或直接依据质

11、谱图对纤维组分进行识别。,（2）红外吸收光谱可对高聚物或混合物的极性基团及其含量的吸收带强度进行识别和定量分析，尤其是对链结构和组成敏感的特征吸收峰的分析，可以获得纤维的组分和链结构信息。,（3）紫外与可见光谱可测定在10-400nm紫外吸收光谱范围及400-800nm可见光范围具有不饱和两及不对称电子的分子。,（4）核磁共振光谱可测定在外部磁场作用下，分子内部发生化学位移的核群及吸收带，以及相邻核的信息，计算出各吸收强度与各核群的比例。,2. 分子量及其分布的测量,端基法和粘度法：测量数均和粘均分子量； 凝胶渗透色谱法和光散射法：测量大分子溶液的重均和Z均分子量。,三、纤维聚集态结构的测量1

12、. 结晶结构及非晶结构,（1）测量方法密度法X射线衍射法热分析法红外光谱法电子显微镜法,（2）表征指标结晶度晶体类型结晶大小和形状晶区分布非晶区结构,2. 取向结构,（1）纤维的取向结构可用显微观察方法，或进行各结构单元间的染色增强的制样方法来观察。其最为重要的表征指标是取向度。,（2）纤维取向度的测量方法X射线或电子衍射法红外二色性法光学偏振法声速模量法染色二色性法导热系数法介电系数法,四、纤维形态结构特征的测量1. 一般观察及测量,图2-8 SEM和TEM试样制备与观察流程示意图,光学显微镜：观察0.2um以上的结构形态； SEM和TEM：观察0.2um以下的结构形态。,2. 所需结构信息

13、特征化的制样,对于纤维的横向截面：可采用切断后的溶胀、等离子体刻蚀等，以及快速或慢速拉断、冷冻断裂、超薄切片等方法； 对于纤维的纵向：可采用纵向切开及其断面的等离子体刻蚀处理，超薄切片及其片染强化，或研磨、撕裂、扭转劈裂破坏等方法； 对于纤维的多孔结构：可采用压汞法、气体吸附法和密度法等。,第三节 典型纤维的结构与特征,一、典型天然纤维的结构与特征1. 棉纤维的结构与特征,（1）分子结构及分子间结构,纤维素大分子化学结构,图2-9 棉纤维原纤中(纤维素I)的晶胞结构,（2）细胞形态与构成,棉纤维纵、横截面,棉纤维是细长的，有天然转曲，纤维转曲数一般为610个/mm；截面呈腰圆形带中腔；为扁平管

14、状纤维，头端变细、封闭，尾端稍细为截断开口状，是单细胞纤维。,（3）各层次结构,图2-10 棉纤维的形态结构模型,表皮层初生层次生层,2. 麻纤维的结构特征,苎麻 截面：腰圆形，有中腔，有裂纹 纵向：有横节、竖纹 亚麻 截面：多角形，有中腔 纵向：有横节、竖纹,（1）麻纤维种类多，结构特征各不相同,（2）工艺纤维为单纤维加胶质的复合结构,3. 羊毛纤维的结构特征,图2-11 角蛋白大分子的构成及分子间作用,（1）羊毛纤维的组成,羊毛纤维的基本组成是氨基酸螺旋大分子。,图2-12 羊毛纤维各层次结构综合示意图,（2）羊毛纤维的组织结构,羊毛纤维是多细胞结构体，主要有两类细胞：鳞片细胞和皮质细胞，

15、皮质细胞又有正皮质细胞和副皮质细胞之分；较粗的羊毛在皮质层中心还有髓质层。,图2-13 羊毛鳞片表层膜结构示意图,（3）羊毛的鳞片,鳞片为角质化细胞，在形成后失去了细胞核和 原生质，形成为死细胞组织的角质薄片； 鳞片分为外表皮层、次表皮层和内表皮层。,图2-14 羊毛纤维的天然卷曲,（4）羊毛的皮质细胞,主要成分为角质蛋白，分为正皮质细胞和副皮质细胞； 正皮质细胞原纤化结构明显，层次分明； 副皮质细胞也是原纤化结构，但无明显的巨原纤结构； 正、副皮质细胞的结构差异，是羊毛的整体外观形态呈弯曲状的主要原因。,图2-15 羊毛纤维的细胞间质,（5）细胞间质,细胞间质的结构是典型的三明治结构。,4.

16、 蚕丝的结构特征,图2-16 蚕丝分子结构,（1）分子构成及结构,蚕丝无细胞结构，大分子也是氨基酸构成，但为 折叠构象，称为丝蛋白质。,图2-17 蚕丝的各层次结构综合示意图,（2）微细结构及形态,蚕丝又丝胶和丝素构成，丝胶包覆与丝素之外，丝素是蚕丝纤维的主体。,二、典型再生纤维素纤维的结构特征1. 几种粘胶纤维的典型结构,图2-18 纤维素的晶格结构示意图,粘胶纤维的结晶形式主要是纤维素形成的折叠链片晶结构。,表2-2 再生纤维素纤维的结晶度与聚合度,表2-3 纤维素纤维的光学取向因子比较,图2-19 几种再生纤维素纤维的截面形态,2. Lyocell纤维,图2-20 水中膨润后的纤维结构示意图,三、典型合成纤维的结构1. 常规合成纤维,图2-21 涤纶纤维的分子及晶格示意图,