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1、高等纺织材料学高等纺织材料学杜赵群（东华大学纺织学院）2013年-2014年第1学期高等纺织材料学第一章 纤维的结构第一章纤维的结构第一章纤维的结构纤维结构为纤维固有特征，为本质属性，决定其使用特性。纤维结构的构的结构构层次次： 微细结构集聚态结构织态结构宏观结构与形态纤维微微细结构的表征技构的表征技术： 光学显微镜、电子显微镜、透射电子显微镜、X射线、红外、紫外、荧光、拉曼、原子力显微镜、核磁共振；影响影响纤维理化性能的理化性能的结构的表征技构的表征技术： 热分析、动态和断裂力学法、质谱法等。高等纺织材料学高等纺织材料学-第一章纤维的结构第一章纤维的结构一、缨状微胞理论一、缨状微胞理论Nge
2、li：适宜淀粉和植物 微胞+微胞间质Meyer & Mark：适宜淀粉和植物 微胞+微胞间质 阐述微胞中的晶体结构Spearkman： 羊毛第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论Staudinger：高聚物具有高的相对分子质量第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论问题产生：1. 纤维素及其他聚合物分子的长度问题？纤维素及其他聚合物分子的长度问题？2. 纤维究竟是分离的晶体组成，还是连续的均匀分子所连纤维究竟是分离的晶体组成，还是连续的均匀分子所连接而成？接而成？3. 天然纤维与化学纤维的微细结构异同？天然纤维与化学纤维的微细结构异同？缨状微胞结构：微胞为晶区，由规整排列的长链分子构成；微胞间为
3、非晶区，由晶区伸出的、无规则排列分子构成，为缨状须丛第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论问题产生：1. 缨状微胞可解释基本的物理性能。缨状微胞可解释基本的物理性能。2. 但电子显微镜发现的纤维微细结构（原纤）的解释？但电子显微镜发现的纤维微细结构（原纤）的解释？2. 原纤内结构的假设，缨状微胞、？原纤内结构的假设，缨状微胞、？3. 原纤为结晶区？晶区与非晶区的交替？高度有序的无定原纤为结晶区？晶区与非晶区的交替？高度有序的无定形结构？形结构？二、缨状原纤理论二、缨状原纤理论晶区由连续的许多长链分子规整排列构成；大分子链从原纤中分裂出来，为缨状须丛，构成非晶区第一节第一节 纤维结构理论纤维结构
4、理论三、折叠链片晶体理论三、折叠链片晶体理论适用于合成的高分子量的化学纤维第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论四、纤维结构的其他理论四、纤维结构的其他理论1. 准结晶状态结准结晶状态结构构第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论四、纤维结构的其他理论四、纤维结构的其他理论2. 无定形结构无定形结构3. 缺陷结晶形结构缺陷结晶形结构基于金属结构，无序区为结晶区中的缺陷构成第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论四、纤维结构的其他理论四、纤维结构的其他理论3. 串晶结构串晶结构第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论五、纤维的弱节结构理论五、纤维的弱节结构理论1. 弱节的定义与内涵弱节的定义与内涵 由
5、于结构弱节与形态弱节的差异，导致对应区域的力学性质较弱；结构弱节结构弱节：纤维内部结构和外观形态的不匀或缺陷形态弱节形态弱节：纤维明显的几何细颈部位、生长或加工、自然和人为造成的第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论（1）纤维的细节）纤维的细节：纤维均匀地由细粗、由粗细（2）天然生长的形态缺陷）天然生长的形态缺陷：风蚀、鳞片鼓胀、局部畸变第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论（3）加工损伤）加工损伤：运输与加工过程中与机械的相互作用（4）内部结构缺陷）内部结构缺陷：纤维原料的不均匀、加工与环境参数的变化第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征一、纺织纤维结构的一般特征一、纺织
6、纤维结构的一般特征1.基本要求基本要求（1）分子链长度（2） 线型长链、短支链、柔性（3）分子间相互作用（4）分子排列的取向、结晶，空隙或空间二、纤维结构的表征二、纤维结构的表征1. 聚合度及其分布聚合度及其分布 凝胶色谱法、粘度法、光散射法、端基法 相对分子质量的均值： Z均、重均、粘均、数均（大小）2. 链段长度链段长度可运动的最小独立单元，公式均方末端距第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征3.结晶度结晶度 体积结晶度体积结晶度 重量结晶度重量结晶度4.结晶区分布结晶区分布第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征5.取向度取向度 大分子链节与纤维轴的
7、平行程度，为平均值。 表征指标Hermans取向因子：6.取向度分布取向度分布 涉及纤维径向各层、纤维长度方向各段第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征7.微细结构尺寸微细结构尺寸 电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜 超薄切片、冷冻断裂、超声波分离、等离子体刻蚀等8.空隙形态与大小空隙形态与大小 气体吸附、显微镜、压汞法、密度法、X射线与电子小角衍射第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征三、纤维弱节结构的表征三、纤维弱节结构的表征1. 纤维弱节的力学特征纤维弱节的力学特征 断裂在力学最弱处，不一定是形态或细节最细处2. 纤维弱节断裂的判定准则与方法纤维
8、弱节断裂的判定准则与方法第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构一、天然纤维素纤维一、天然纤维素纤维 由葡萄糖剩基（C6H10O5）连接而成，聚合度高，通过型苷键（氧桥）在1、4位碳间衔接纤维素I=0.835nm，b=1.03nm c=0.79nm，=84纤维素II=0.814nm，b=1.03nm c=0.914nm，=62第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构一、天然纤维素纤维一、天然纤维素纤维 微细结构：基原纤微细结构：基原纤，如苎麻纤维的超薄切片基原纤基原纤微原微原纤第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构一、天然纤维素纤维一、天然纤维素纤维 微原纤微原
9、纤原原纤纤维第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 涉及对象：丝、毛 组成主要为氨基酸（NH2 CHR COOH)通过肽链(-CO-NH-)联接而成长链分子；分子间的作用形式：（1）氢键（2）盐式键（3）二硫键丝：半胱氨酸含量极少、丝：半胱氨酸含量极少、 侧基小，氢键为主；侧基小，氢键为主；毛：有一定的半胱氨酸，毛：有一定的半胱氨酸，第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 蛋白质纤维的结晶和取向丝丝：更易形成结晶，取向度较高，毛毛：取向度相比较低，结晶度较低，结晶颗粒小，但弹性好（二硫键的交联）结构
10、可互换结构可互换：热、湿和时间激励， a螺旋 折叠第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 蚕丝的微细结构蚕丝：由丝胶合丝素构成丝素一般由微原纤、原纤微原纤、原纤构成，微原纤组成原纤，原纤基本上呈同心环状分布，构成丝素的层状结构。第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 羊毛纤维的微细结构羊毛纤维分为鳞片层、皮质层、髓质层； 为多细胞结构； 皮质细胞和细胞间质堆砌成毛干，表面覆有鳞片细胞。第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 羊毛纤维的鳞片结构示意图鳞片
11、细胞鳞片细胞： 外表皮层（高含硫量） 次表皮层（高含硫量） 内表皮层（低含硫量）鳞片细胞与鳞片细胞之间通过细胞间质粘结细胞间质细胞间质：三明治结构， 低含硫量/高含硫量/低含硫量第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 羊毛的皮质细胞的微原纤结构示意图正皮质细胞正皮质细胞： 巨原纤、微原纤、基原纤副皮质细胞副皮质细胞： 微原纤、基原纤 正、副皮质细胞的双边分布双边分布，羊毛宏观形态卷曲第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构三、人造纤维三、人造纤维 粘胶纤维的结晶形式粘胶纤维的结晶形式微细结构：基原纤、微原纤、原纤基原纤、微原纤、原纤粘胶
12、皮芯层结构： 皮层：取向度高、结晶度低、结晶颗粒小，结晶分布均匀；具有高强、韧性好，如高强粘胶； 芯层：结晶度高、颗粒大、空隙大，但吸湿稳定性好，如全芯层的富强粘胶，以及近似的tencel纤维。第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维 纤维种类纤维种类第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维 1. 聚酯纤维聚酯纤维： 由刚性的苯环链段+柔性链亚甲基，由酯基联接涤纶晶区中分子链节的构型为反式构型，非晶区中的为顺式/旁式结构涤纶为缨状折叠链片晶晶胞为三斜晶系第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维
13、 2. 聚酰胺纤维聚酰胺纤维： 柔性链亚甲基的多个组合，由酰胺键联接涤纶晶区中分子链节的构型为反式构型，非晶区中的为顺式/旁式结构为缨状折叠链片晶晶胞为单斜晶系、斜方等第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维 2. 聚酰胺纤维聚酰胺纤维： 锦纶6 的分子排列图锦纶66的晶胞结构图第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维 3. 聚乙烯纤维聚乙烯纤维： 微细结构的调整晶格结构图第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维 4. 聚丙烯纤维聚丙烯纤维： 丙纶纤维分子的螺旋结构及其球晶第三节第三节 常用纤
14、维的实际结构常用纤维的实际结构四、合成纤维四、合成纤维 5. 聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维： 结构与晶格示意图 六角或正交晶系 6. 聚乙烯醇纤维聚乙烯醇纤维： 结构与晶格示意图， 属于单斜晶系 7. 聚氯乙烯纤维聚氯乙烯纤维：单斜晶系第三节第三节 常用纤维的实际结构常用纤维的实际结构五、弹性纤维五、弹性纤维 主要为聚氨酯类纤维，弹性变形大，在于分子链结构 弹性纤维的分子由软链段软链段+交联（物理或化学）组成交联（物理或化学）组成物理交联化学交联第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述 有别于普通的三大类纤维（天然、人造和合成纤维），主要指：（1）高性能纤维高性能纤维：芳纶、超高
15、分子量聚乙烯、碳纤维等；（2）功能纤维功能纤维：导电、水溶、过滤、变温、防辐射等；（3）差别化纤维差别化纤维：异形、超细、高收缩、高吸湿、抗静电、抗起毛起球、阳离子可染等。一、聚四氟乙烯纤维结构一、聚四氟乙烯纤维结构 由于C-F的强极性，纤维分子高度对称、整体不带极性； 氟作用半径大，分子量呈螺旋状结构 晶胞有2种：三斜晶系、六方晶系第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述二、聚合物共混体纤维结构二、聚合物共混体纤维结构 包括：均相共混、非均相共混、双组份第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述三、碳纤维结构三、碳纤维结构1.结晶与取向结构结晶与取向结构石墨
16、烯与碳纤维第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述三、碳纤维结构三、碳纤维结构2.微细组织结构微细组织结构（1）原纤特征）原纤特征（4）微结构的不均一性）微结构的不均一性（3）皮芯特征）皮芯特征（2）层状特征）层状特征第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述四、液晶及芳纶高聚物的结构四、液晶及芳纶高聚物的结构（1）液晶：具有液态流动特征，又有晶体的有序和光学各向异性特征的物质。）液晶：具有液态流动特征，又有晶体的有序和光学各向异性特征的物质。（3）液晶纺丝结构）液晶纺丝结构（2）制备方法：溶致液晶高聚物、热致液晶高聚物）制备方法：溶致液晶高聚物、热致液晶高聚
17、物第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述四、液晶及芳纶高聚物的结构四、液晶及芳纶高聚物的结构（4）液晶聚合物结构条件）液晶聚合物结构条件 （a）形成液晶态的基本分子结构单元：可形成棒状或板状的构想； （b）分子量具有一定的长径比，远大于1； （c）有一定的柔性链段； （d）端基具有较好的极性第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述四、液晶及芳纶高聚物的结构四、液晶及芳纶高聚物的结构（5）液晶纤维实例）液晶纤维实例 芳纶1414、芳纶1313 第四节第四节 特种纤维结构的一般概述特种纤维结构的一般概述五、功能化与差别化纤维的结构五、功能化与差别化纤维的结构（
18、1）高吸水性纤维（2）水溶性纤维（3）光、热敏感性纤维（4）膜分离中空纤维（5）过滤纤维（6）光导纤维（7）导电纤维（8）抗辐射、屏蔽纤维（9）仿真丝差别化纤维 思考问题1、纤维微细结构的理论有哪些？2、液晶材料分子所具备的条件有哪些？为何液晶纺丝的纤维具有高强、高模特征？3、以棉纤维为对象，分析棉的微细结构层次？4、据于羊毛的结构图形，阐述羊毛的微细结构层次？5、从分子链的构造，分析羊毛纤维与蚕丝纤维的微细结构差异？6、试述缨状微胞结构、缨状原纤结构和缨状折叠链片晶结构的异同？7、何为纤维弱节？弱节的判定方法有哪些？产生弱节的原因为何？8、分析高弹纤维的弹性形变机理？并对比分析涤纶、尼龙66和氨纶的弹性差异？
