07-第6章 纤维的表面性质

第六章第六章 纤维的表面性质纤维的表面性质表表6-1 不同尺度材料表面不同尺度材料表面结结构所占体构所占体积积比比材料材料材料材料体体体体积积积积比比比比1m1m直径的直径的直径的直径的圆圆圆圆柱体柱体柱体柱体(46)10(46)10-9-91mm1mm直径的直径的直径的直径的圆圆圆圆柱体柱体柱体柱体(46)10(46)10-6-6纤维纤维纤维纤维（1 1 mm100100 mm）(46)10(46)10-4-4纳纳纳纳米材料（米材料（米材料（米材料（10nm100nm10nm100nm）0.360.510.360.512/19/20232/19/20232 2第一节第一节 纤维表面的内涵纤维表面的内涵一、表面的基本概念一、表面的基本概念1.纤维表面的定义纤维表面的定义 指纤维表层指纤维表层0.55nm0.55nm内的组成、结构和其亚微内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。米尺度及其以下的表观形态。形态亚微米尺度（形态亚微米尺度（submicrosubmicro-scale-scale）、厚度纳）、厚度纳米尺度（米尺度（nanoscalenanoscale）和分子尺度（）和分子尺度（molecular molecular scalescale）2/19/20232/19/20233 3图图6-1 表面表面结结构、形构、形态态及相互作用及相互作用纤维表面结构与组成：非对称、不均匀、结构和形态不稳定 表层厚度表层厚度：表层粒子间相互作用的非对称性达到基本对称时的厚度。表观形态：最外层粒子排列的轮廓线 2/19/20232/19/20234 4图图6-2 A/B物物质质的界面的界面层层示意示意图图纤维表面更多地关注界面问题纤维表面更多地关注界面问题：纤维与其他物质间、纤维：纤维与其他物质间、纤维中不同组份间、纤维中不同结构相间结合面或区域的特征中不同组份间、纤维中不同结构相间结合面或区域的特征 2/19/20232/19/20235 52.表面能表面能 所谓表面能，又称表面（自由）能，是指形成单所谓表面能，又称表面（自由）能，是指形成单所谓表面能，又称表面（自由）能，是指形成单所谓表面能，又称表面（自由）能，是指形成单位面积表面所消耗的功。位面积表面所消耗的功。位面积表面所消耗的功。位面积表面所消耗的功。图图6-3 液体表面增大所作的功液体表面增大所作的功F/L，为表面张力，指单位线长垂直移动或开裂所需的力 2/19/20232/19/20236 6二、纤维表面涉及的内容二、纤维表面涉及的内容二、纤维表面涉及的内容二、纤维表面涉及的内容1.1.纤维表面结构内涵纤维表面结构内涵纤维表面结构内涵纤维表面结构内涵 表面厚度（表面厚度（2nm50nm 2nm50nm）、表面形态、表面组成（表）、表面形态、表面组成（表层内粒子的构成及分布层内粒子的构成及分布 ）、和表面结构（狭义的：表面）、和表面结构（狭义的：表面中分子的聚集态结构中分子的聚集态结构 ）图图6-4 AFM的表面原子像的表面原子像(a)羊毛羊毛(b)兔毛兔毛图图6-5 羊毛和兔毛的羊毛和兔毛的鳞鳞片像（片像（SEM）2/19/20232/19/20237 72.纤维表面所涉及的基本物理性质纤维表面所涉及的基本物理性质 摩擦性质、浸润性质、纤维表面的热学、光学、摩擦性质、浸润性质、纤维表面的热学、光学、电学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等电学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等 图图6-6 纤维纤维表面缺陷表面缺陷导导致的断裂致的断裂2/19/20232/19/20238 83.纤维表面结构与性质的一般分析方法纤维表面结构与性质的一般分析方法图图6-7 电电子束激子束激发发的各的各类类信息示意信息示意图图2/19/20232/19/20239 9表表6-2 常用表面分析方法名称及用途常用表面分析方法名称及用途探探探探针针针针表面分析方法表面分析方法表面分析方法表面分析方法用途用途用途用途激激激激发发发发粒子能量或分析深粒子能量或分析深粒子能量或分析深粒子能量或分析深度度度度电电电电子子子子低能低能低能低能电电电电子衍射子衍射子衍射子衍射LEEDLEED反射高能反射高能反射高能反射高能电电电电子衍射子衍射子衍射子衍射俄歇俄歇俄歇俄歇电电电电子子子子谱谱谱谱AESAES扫扫扫扫描描描描电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜SEMSEM透射透射透射透射电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜TEMTEM扫扫扫扫描隧道描隧道描隧道描隧道显显显显微微微微镜镜镜镜STMSTM表面及吸附表面及吸附表面及吸附表面及吸附层结层结层结层结构构构构表面表面表面表面结结结结构构构构表面表面表面表面组组组组分，分，分，分，结结结结合能合能合能合能表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌表面表面表面表面轮轮轮轮廓、廓、廓、廓、结结结结构与成分构与成分构与成分构与成分能量能量能量能量E E0 0 50500eV 50500eVE E0 0 10100 10100 keVkeVE E0 0 25 25 keVkeV全膜覆盖表面全膜覆盖表面全膜覆盖表面全膜覆盖表面表面复制膜形表面复制膜形表面复制膜形表面复制膜形态态态态表面表面表面表面轮轮轮轮廓廓廓廓10nm500eV500eV“探探探探针针针针”原子力原子力原子力原子力显显显显微微微微镜镜镜镜AFMAFM 表面表面表面表面结结结结构、构、构、构、轮轮轮轮廓和成分廓和成分廓和成分廓和成分 10nm FS，上滑块因F作用回退，动摩擦产生；当F0.1m/min时粘滑现象将消失2/19/20232/19/202327273.摩擦的对称性摩擦的对称性图图6-21 纤维纤维的的对对称和非称和非对对称摩擦示意称摩擦示意图图对称摩擦对称摩擦：双变点接触摩擦，“X”摩擦，瞬间接触作用，温差小、摩擦作用程度小非对称非对称：单变点接触摩擦，“”摩擦，动纤维温度逐渐上升2/19/20232/19/20232828图图6-22 羊毛差微摩擦效羊毛差微摩擦效应应4 4、摩擦的方向性、摩擦的方向性、摩擦的方向性、摩擦的方向性a.摩擦的各向异性：摩擦的各向异性：b.差微摩擦效应：羊毛特有，差微摩擦效应：羊毛特有，逆逆顺顺0 2/19/20232/19/20232929图图6-23 羊毛毡羊毛毡缩过缩过程示意程示意图图羊毛集合体的毡化：由差微摩擦效应，羊毛的高弹性伸长率羊毛集合体的毡化：由差微摩擦效应，羊毛的高弹性伸长率和促进弹性伸长与回复的热、湿、机械综合作用完成的和促进弹性伸长与回复的热、湿、机械综合作用完成的 2/19/20232/19/20233030二、摩擦机理与测量二、摩擦机理与测量1.1.纤维的摩擦机理纤维的摩擦机理纤维的摩擦机理纤维的摩擦机理Fad：粘附力，摩擦作用的大小与相对滑移速度有关Fl：锁结力，宏观形态的锁结造成了接触点处的卡扣和锁结Fp：耕犁力，由于材料变形，剪切而被刨刮、耕犁的力Fad，Fl和Fp均为接触面积A、粗糙度r、相对滑移速度v的函数 2/19/20232/19/20233131图图6-24 绞盘绞盘法法测测量原理示意量原理示意图图2.2.纤维摩擦性质的测量纤维摩擦性质的测量纤维摩擦性质的测量纤维摩擦性质的测量若F=N 代入上式得：T1=m；T0=m-FS,D；=2/19/20232/19/20233232图图6-25 纤维纤维抽拔法抽拔法实验实验原理原理（a）不加压可测单纤维的抱合力F0f；加压可测摩擦阻力Ff（b）可测单纤维在粘结剂中的粘结力2/19/20232/19/20233333图图6-26 刮刮动动法法测测量装置原理量装置原理图图典型的非对称测量典型的非对称测量 2/19/20232/19/20233434第四节第四节 纤维的浸润性与芯吸纤维的浸润性与芯吸一、纤维浸润（一、纤维浸润（wetting）现象）现象1.平衡与非平衡浸润平衡与非平衡浸润图图6-27 平衡浸平衡浸润润模型模型（1）平衡态浸润（静态浸润）平衡态浸润（静态浸润）气、液、固三相交汇点b受力达到平衡（X=0），达到平衡不变的液体形状 Young-Dupr方程 2/19/20232/19/20233535 可否浸可否浸可否浸可否浸润润润润coscos 状状状状态态态态 00完全浸完全浸完全浸完全浸润润润润1 1或称或称或称或称铺铺铺铺展展展展0 0 9090 可浸可浸可浸可浸润润润润 0 0正浸正浸正浸正浸润润润润=90=90 无浸无浸无浸无浸润润润润0 0零浸零浸零浸零浸润润润润9090 18180 0 不可浸不可浸不可浸不可浸润润润润 0 0负负负负浸浸浸浸润润润润=180=180 完全不浸完全不浸完全不浸完全不浸润润润润 1 1随遇随遇随遇随遇稳态稳态稳态稳态表表6-4 平衡浸平衡浸润润的几种形式的几种形式接触角：指气液切面与固液界面间，含液体的夹角 接触角值表达固体的浸润性 2/19/20232/19/20233636（2）非平衡浸润（铺展浸润、动态浸润）非平衡浸润（铺展浸润、动态浸润）在理论上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程，在理论上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程，Young-Dupr方程不再适用方程不再适用铺展浸润的特征：液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固铺展浸润的特征：液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固气界面消失气界面消失 2/19/20232/19/202337372.浸润的滞后性浸润的滞后性 固体表面第一次浸润（固体表面第一次浸润（固体表面第一次浸润（固体表面第一次浸润（1 1）和第二次浸润（）和第二次浸润（）和第二次浸润（）和第二次浸润（2 2 ）间存在）间存在）间存在）间存在的差异的差异的差异的差异3.3.伪浸润现象伪浸润现象伪浸润现象伪浸润现象指由于材料的表观形态与真实形态存在差异，或材料表面不同组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中，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 2/19/20232/19/20233838图图6-28 粗糙表面浸粗糙表面浸润润模型模型图图图图6-29 不同不同组组份表面的浸份表面的浸润润模型模型形态伪浸润形态伪浸润 组份伪浸润组份伪浸润 表观接触角表观接触角AB，A=A=B=B=为真正的接触角为真正的接触角 不同组份的区域趋向于微观不同组份的区域趋向于微观化时，化时，A与与B的差异趋向一的差异趋向一个稳态值个稳态值AB 2/19/20232/19/20233939二、纤维浸润性测量二、纤维浸润性测量1.接触角接触角测量测量图图6-30 插入插入转动转动法示意法示意图图图图6-31 悬悬滴法滴法计计算示意和算示意和实实物物图图2/19/20232/19/20234040图图6-32 浸浸润润的前的前进进角和后退角的角和后退角的测测量示意量示意2/19/20232/19/202341412.2.浸润力的测量浸润力的测量浸润力的测量浸润力的测量 图图6-33 浸浸润润力力测测量原理量原理图图F为纤维拔出力；为纤维拔出力；FP为浸润力；为浸润力；Gf为纤维的重力；为纤维的重力；Fb为纤维浸润段的浮力为纤维浸润段的浮力 将将F换算出表面张力的表达，并令纤维为圆形截面，可得换算出表面张力的表达，并令纤维为圆形截面，可得（1）竖直拔出法）竖直拔出法2/19/20232/19/20234242图图6-34 典型的典型的实验实验曲曲线线及及过过程示意程示意图图(2)水平浸入拉出法水平浸入拉出法 2/19/20232/19/20234343图图6-35 液面和液面和纤维纤维的接触点的关系示意的接触点的关系示意图图2/19/20232/19/20234444图图6-36 实验实验曲曲线线中力中力值变值变化分析示意化分析示意图图浸润因子浸润因子w为为 FAB和FCD分别为AB和CD段得力值 当当时时 不考虑纤维架和纤维的浮力作用不考虑纤维架和纤维的浮力作用 2/19/20232/19/20234545表表6-5 浸浸润润因子与接触角因子与接触角的关系的关系力