纺织材料学_纤维的细度

第二章纺织纤维的形态及基本性质本章知识点1.纤维的细度、长度、长度分布、卷曲及拉伸强度指标的定义2.异形截面纤维的特征与指标。3.纤维细度、长度指标与可纺性及纺织品性能的关系。4.纤维的回潮率、公定回潮率以及吸湿机理，吸湿性对性能的影响。第一节纤维的细度及其分布•纤维细度是指纤维粗细的程度。•一、纤维的细度表征•纤维的细度指标有直接和间接两种。•直接指标是纤维粗细的指标，一般用纤维的直径和截面积表示，适于圆形纤维。•间接指标是以纤维质量或长度确定，即所具有的质量（定长制）或长度（定重制）表示，无截面形态限制。定长制有纤度或称旦数(Den)和线密度或称特数(tex)、分特数(dtex)；定重制有公制支数。•1．分特数Ndt(dtex)•我国法定的线密度单位为特克斯（tex），简称特，表示千米长的纤维或纱线在公定回潮率时的质量克数。而为规范应用于纤维，采用更细的分特（dtex）表达，即万米长的纤维所具有的质量克数，为1/10特。特的计算为：•L1000ktGNLGNkdt10000•2．旦数ND•旦数即旦尼尔数（Denier），较多地用于丝和化纤长丝中，又称纤度。是指9000m长的纤维在公定回潮率时的质量克数，即••dtkD109L9000GNN•3．公制支数Nm•公制支数简称支数，是指在公定回潮率时1g纤维或纱线所具有的长度米(m)数，即••dtkm10000LNGN•4．直径与截面积•通过光学显微镜或电子显微镜观测直径d和截面积A，常用于羊毛及其他动物毛，圆形化学纤维的细度表达。由于纤维很细，以微米为单位，近似圆形的计算为纤维直径d可用于长丝线密度的计算。设纤维的密度为（g/cm3），则•••γN89.11γ9104DD3Ndγ28.11γ104Ddt2NNγ28.11γ1104mm6NN42dA•可以看出纤维细度值相同时，其的直径可能不同，即有纤维密度的影响。其间换算为•••式中，下标1，2表示两种不同的纤维。1221γγdd•二、纤维细度不匀指标•纤维的细度不匀主要包括二层含义，一是纤维之间的粗细不匀，一是纤维本身沿长度方向上的粗细不匀。•以往的表达，较多地关注纤维间的不匀，甚至更严格地说是纤维集合体之间的不匀，因为习惯采用的指标是平均概念的“细度”。纤维如此细小，几乎无人去一段段地切开、称重，完成细度的测量。•现代光电和图像分析测量方法提供了对单根纤维间细度（直径）不匀的测量，如光学纤维直径分析仪(OFDA)和激光纤维直径分析仪(SiroLan-LaserScan)。甚至可以测量单根纤维内的直径不匀，即纤维的轮廓，如单纤维分析仪（SIFAN）。远非过去切断称重、气流仪等的测量，只能给出纤维平均细度，无法给出纤维的细度不匀。•1．细度不匀的概念•（1）对天然纤维•天然纤维在生长过程中，因为自然环境和各方面因素的影响，生长的纤维在粗细、形态上存在很大的差异。同一棉包的棉纤维，因胞壁厚度、生长部位的不同而粗细不同；同一根棉纤维还两端细、中段粗并截面形态变化。•同一毛包的毛纤维，不仅纤维间因在羊体上的生长部位不同而粗细不同（变异系数达20~35%），而且单纤维因生长季节和营养的影响也会有明显的粗细差异（粗细差异可达3~10），并且有截面形态的变化。••蚕丝本身粗细差异在总长度上较为明显，茧外层和内层的丝较细，中间主茧层的丝相比较粗，由于缫丝的合并，均匀性较好。•麻纤维的粗细差异更大，不仅单纤维的粗细差异大（变异系数达30~40%），而且工艺纤维因分离的随机性粗细差异更大。•应该说对纤维粗细不匀的表征，只有毛做得较好。可能是因为其直径和直径不匀太为重要。棉、麻、丝都未有很好的测量分析。••（2）对化学纤维•化纤短纤维与天然纤维一样，甚至更糟，很少表达细度不匀。因为一方面其被认为细度均匀性比天然纤维好（一般CVd10%）；另一方面已有的表征方法大多由天然纤维引出，化纤成为附带。但这种情况将随着人们对纤维细度不匀表征技术的发展，会得到改善。••化纤长丝的粗细不匀是工业加工中的主控参数，因为其关系到纺丝的连续性及可控性（或称可纺性）和后处理加工的容易性，以及成丝质量。一般CV控制在5%以内，故有专门的测量，如UsterIII型。但大多为长丝束和成品测量。•2．细度不匀指标及分布•（1）不匀率指标•根据细度的定义，细度不匀的指标合理的只能是几何粗细的表达。线密度类指标（间接指标）只能反映纤维集合体的细度总体差异，如气流仪法、切断称重或摇取长度称重法，是纤维团间或纤维段间的不匀。因此，直径不匀是纤维细度不匀的最主要和有效的指标。其包括直径均方差及变异系数CV，以及平均差及平均差系数，这在纱线中使用。•（2）纤维间细度不匀的分布•可以参照纤维长度分布的原理，表达纤维的细度（直径）不匀，其典型分布曲线为图3-16。纤维的平均直径，变异系数CVd均可求得。n(d)分组测量直方图连续曲线N(d)dO图3-16纤维直径分布直方图及分布曲线•纤维粗细的不匀会引起纱条不匀。粗纤维易产生刺痒感；细纤维易弯曲缠绕和折钩影响纺纱加工。而纤维内的直径偏细，则可能引起纤维的弱节。所以分布测量就是关注偏粗、偏细纤维的含量，尤其是细节纤维的含量。•三、纤维细度及分布的测量方法•1．称重与长度的测量•称重与长度结合的测量，简称称重法，主要解决纤维的线密度指标测量。有纤维中段切断的称重和长丝摇取定长的称重。•中段切断称重法是将纤维理成平行伸直，无游离纤维A和长度短于切断长度LC的纤维B（图3-17）。然后将纤维切断称重G，并点数中段纤维根数n。ALCLCB图3-17中段切断称重法示意图•LC的大小由纤维的平均长度粗略确定，一般棉LC=10或20mm，毛麻一般LC为20或30mm，有专用的切刀，见图3-17右图。LC太短测量精度会受影响；LC太长，纤维长度有限制，且纤维在切刀中的伸直和平行难度增大。•由此计算纤维的线密度值••akCdt1110WWnLGN•式中，Wk和Wa分别为纤维的公定和实际回潮率。通常在标准条件下测量，所以•••式中，g为所称重量，mg。Cdt10nLGNgnLNNCdt4m10•中段切断称重法一般适用于伸直性较好的纤维，如棉、麻、丝、卷曲小的化纤等。其本身起源于棉纤维的细度评定。由于棉纤维短绒（≤16mm或≤20mm）被梳去，且棉的中段偏粗，故实测细度偏粗。测量重点是数纤维根数，纤维根数必须n1500根，即1.5~2mg的试样，n小了，试样代表性差，n大了点数的出错和花时要增加。尽管如此，该方法却是其他间接指标测量方法的校验基础。•2．直径测量法•直接指标直径的测量是发展较快的，主要为国外的工作。基本方式还是传统的显微观测，只是容入了试样自动移动、光电信号转换、图像处理和计算机技术。•（1）传统的显微镜观测法•此方法又称为显微镜投影测量法，多用于圆形或近圆形纤维直径的测量，源于近圆形羊毛纤维的测量。其原理是通过普通光学显微镜加投影棱镜，使纤维形态放大投影在平面上。•由专用的标尺卡量纤维的直径，并计数根数ni，满300根以上后，计算直径均方差不匀率CVd。•而CCD摄像器和计算机相联的显微镜可以方便地在电脑屏幕上进行人工测量和计算机自动测量与计算，得到纤维直径的各类指标，如、CVd、D、d等，以及直径分布图。只是速度较慢，人工干预较多。光学显微镜法尽管操作繁杂，改进后有所改观，但其基本原理和方法是其他直接指标测量的基础，并成为其他方法或计算机图像处理结果的校准方法。•2）OFDA法•1991年前，瑞士Peyer公司和澳大利亚新南威尔士大学共同开发的“光学纤维直径分析仪OFDA（OpticalFiberDiameterAnalyser）”是当今此类产品的元祖。现有OFDA100型仪器，功能和性能都有提高。•OFDA不仅可以测定羊毛及其它动物纤维的平均直径及直径分布，还可测定髓腔纤维含量、纤维弯曲度、纤维清洁度及纤维直径不匀等指标（图3-18）。•除了OFDA100型仪器外，OFDA2000和OFDA4000型仪器也开始使用。••OFDA测量的基本原理与光学显微镜测量测量一样，只是试样可自动分离散落、试样台可自动x，y方向顺序移动和快速复位，计算机配备专门软件、快速识别、分离和测量纤维直径和卷曲，给出纤维直径分布图及各指标。不仅快速（１min）、大样本（2000根）、准确、干扰因素少，而且适合于几乎所有的纤维。是目前羊毛直径检测中IWTO的标准方法。图3-18OFDA100测量仪•（3）激光纤维直径测量法•20世纪70年代，澳大利亚联邦科学工业研究组织（CSIRO）羊毛技术研究所应用激光技术对羊毛纤维直径进行了实用性、仪器化的测量，推出了纤维细度分析仪。目前商品化的是Sirolan-Laserscan激光扫描纤维直径分析仪，为澳大利亚羊毛检验局（AWTA）羊毛直径分析仪的专用仪器。可用于纤维直径、变异系数、卷曲率、粗纤维含量，以及直径分布图的测量。•基本原理如图3-13，是分散的纤维段在液体的带动下，经过一毛细管时平行管轴移动，利用纤维段对激光的遮挡量给出纤维的直径。可在2min内测量“有效纤维”根数4000根以上，给出直径分布图。尽管测量中由纤维交叠、或垂直影响测量准确性，但通过剔除，即只测“有效纤维”来回避，以大样本概率达到精准，故在羊毛中为IWTO采纳的标准测量方法。由于使用异丙醇分散液，对化纤测量可能存在溶解或溶胀，一般专用于毛发类纤维。纤维样品激光泵二级过滤器纤维分散容器测量传感器纤维光电识别器透镜异丙醇测量单元过滤器信号处理电路计算机参考传感器微孔分光装置分束器图3-19激光扫描纤维直径测量原理图•气流仪很早就用于棉纤维细度的测量，是一种快速、简便、精确的测量方法。基本原理如图3-20所示，是依据气流通过纤维塞时，两端的压力差，或气流的流量Q与纤维塞的气阻R有关。而气阻R又与纤维塞的填充率δ和所填充纤维的粗细d有关，即与纤维间的气流通道大小（纤维塞的空隙率ε）和通道表面积S0有关。LQP0QPRM,SS,K(μ)QP１图3-20气流仪测量纤维细度原理示意图•流仪测量可采用定压差测流量（定压法）或定流量测压差（定流法）来表达纤维集合体中纤维的平均细度值，但不能表达单根纤维的粗细。常用的方法是定压法，典型的代表Wira的纤维密度仪和Micronaire仪，已有60年的历史，但仍为标准方法，用于企业的棉、毛纤维细度的快速评价。由其测定的原棉细度为马克隆尼值M，接近线密度值（），这是HVI系统测细度和成熟度的原模型。而气流仪法在纤维原料流通领域中已逐渐被HVI、OFDA和LaserScan所取代。•4．振动测量法•振动法测纤维细度也有历史了。主要适用于圆形，长度较长（30mm）的化学纤维。由于测量时必须加张力，故能适合于高卷曲纤维细度的测量。其原理如图3-21，就是一个琴弦结构。通过拨动被测纤维这根弦，使其产生振动，其固有振动频率与弦（纤维）的线密度nt以及弦长L和弦的绷紧张力T符合一定关系。•由此，纤维的线密度可测得。如果与拉伸性能同测，将能获得该纤维的确切应力值。但该法是假设纤维为均匀粗细的圆形纤维，故纤维形态和粗细变化将会影响测量结果。T纤维上夹头上弦座感应振动频率f拨动器可上下移动调节L微弹簧夹链条预张力T调节链轮T=T0+RL下弦座图3-21振动（拨弦）法测纤维细度原理示意图•四、纤维细度及其不匀表征的意义•1．基本现状•应该说对已有四类方法的应用，①棉纤维较多地采用气流仪法，其次为切断称重法；②毛纤维几乎采用OFDA和LaserScan方法，其次为显微镜法和气流仪法；③麻纤维为切断称重法，其次套用显微镜法或OFDA法；④丝纤维大多为绞丝称重法（类切断称重），其次显微镜法；⑤化纤短纤根据毛型、棉型分别采用各自纤维在纺织加工工艺体系中的测量方法，即上述①~④，偶尔采用振动法测量；⑥化纤长丝一般用绞丝称重，或显微镜法，其次为振动法。显然，麻、丝的细度测量是落后原始的。••已有四类方法基本上是围绕纤维平均细度的概念进行的测量。显然，光学显微法、OF