纺织材料学第二章(07)

第二章纤维的结构特征第一节纤维结构的概念纺织材料的种类很多，性能各异，其根本原因在于纤维内部结构的不同，性能是结构的表现。研究纤维结构的目的:•了解结构与性能关系，以便我们正确选择和使用纤维，更好地掌握生产条件，并通过各种途径改变纤维结构，有效地改变性能，设计并生产具有指定性能的纤维和纺织产品。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、纤维的各级微观结构•(1)原纤结构特征•纤维中的原纤(fibril)是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。•纤维的原纤按其尺度大小和堆砌顺序可分为基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞。•单分子：直链状大分子•基原纤(protofibril)d=1-3nm•微原纤(microfibril)d=4-8nm•原纤(fibril)d=10-30nm•巨原纤(macrofibril)d=0.1-1.5μm•纤维(fiber)•(2)各层次原纤的特征•基原纤(proto-fibril或elementaryfibril)是原纤中最小、最基本的结构单元，亦称晶须，无缺陷。•微原纤(micro-fibril)是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，亦称微晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。大分子基原纤微原纤•原纤(fibril)是一个统称，有时可代表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。•巨原纤(macro-fibril)是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。•细胞(cell)是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。•二、纤维的聚集态结构•具体所指纤维高聚物的结晶与非晶结构、取向与非取向结构.•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稳定点阵结构，称为结晶结构。结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。•1）结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。晶区特点：•a.大分子链段排列规整；•b.结构紧密，缝隙，孔洞较少；•c.相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和。•2)结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率。•重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。(p48式2-9)•体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率。(p48式2-8)VVVVVVVVWWVWcccaaccaacacacacWW•结晶度对纤维结构与性能的影响：•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↓。•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。•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区域称为非晶区，或无定形区。取向和无序排列的缨状微胞结构•3.纤维的取向结构•取向度:大分子排列方向与纤维轴向符合的程度.•纤维的取向结构使纤维许多性能产生各向异性。•取向度与纤维性能间的关系：•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.缚结分子•结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定取向度高.一般说来，结晶度高，取向度也高。•三、纤维的大分子结构1.单基（链节）m:构成纤维大分子的基本化学结构单元。2.聚合度n: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=int(M/m))注: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576；蚕丝400；粘胶：300-600；且一根纤维中各个大分子的n不尽相同.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。3.纤维大分子链的内旋性及柔曲性内旋性——纤维大分子内的单基之间在键长键角保持不变条件下，相邻单基可绕单键旋转的特性。柔曲性——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。lβαα转动锥角β键角l链段长l纤维大分子结构与柔曲性的关系：1主链上原子链弹性好，柔曲性↑；2侧链较少，柔曲性↑；3主链四周侧基分布对称，柔曲性↑；4侧基间（大分子间）作用力较少，柔曲性↑.•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。•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。第二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)分子构成及分子间结构•棉纤维和麻纤维的主要成分是纤维素，其分子式为(C6H10O5)，化学结构式为：特征基团有：氧六环；6个-OH；氧桥—O—单基连接方式：1-4甙键连接，在空间转180°.棉纤维大分子的聚合度为6000～15000，分子量为1～2.43百万，其氧六环结构是固定的，但六环之间夹角可以改变，所以分子在无外力作用的非晶区中，可呈自由弯曲状态。•(2)细胞形态与构成•初生层：棉纤维的外层，纤维细胞的初生部分．厚度大约0.5µm.•次生层:S1约为0.1µm.S2约为1-4µm.S3约为0.1µm.•中腔:胞壁内遗留下来的空隙.•双边结构:棉纤维干枯后压扁扭转成为转曲,截面呈腰圆形的现象.•2.羊毛纤维的结构特征•(1)羊毛纤维的组成•羊毛纤维的基本组成是α氨基酸螺旋大分子，α氨基酸是哺乳动物组织的基本组成。羊毛角蛋白大分子的构成及相互链接作用，是多交联的结构，尤其是二硫键(－S－S－)。•由C、H、O、N、S元素组成。•侧基多而复杂，约25种氨基酸。•空间形态：羊毛的稳定结构是α型，α型加外力——β型，β型去外力——α型；分子间力:盐式键、氢键、硫键力等•(2)羊毛纤维的组织结构•羊毛纤维是多细胞结构体，有两类细胞：鳞片细胞和皮质细胞。•每一个鳞片是一个细胞，称为表皮细胞(cuticlecell)，由细胞间质CMC(cellmembranecomplex)粘结组合成羊毛表面的连续覆盖层。•皮质细胞(cortexcell)有正皮质(ortho-cortex)细胞和副皮质(para-cortex)细胞之分。•羊毛的髓质层。•(3)羊毛的鳞片•鳞片为角质化细胞，在成形后失去了细胞核和原生质，形成为死细胞组织的角质薄片。•(4)羊毛的皮质细胞•由于正、副皮质的结构差异，导致一刚一柔，一伸一缩，使羊毛的整体外观形态呈弯曲状。正皮质位于弯曲的外侧；副皮质位于弯曲的内侧。正皮质副皮质•（5）细胞间质(CMC)•4.蚕丝的结构特•（1）分子构成及结构•蚕丝是昆虫加工的纤维，无细胞结构。大分子也是α氨基酸结构.•（2）微细结构及形态•蚕丝由丝胶和丝素构成，丝胶包覆于丝素之外，丝素则是蚕丝纤维的主体.•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纤维结晶度(%)聚合度普通粘胶30～35250～300富强粘胶45～50500左右强力粘胶50～55300～350Modal42～46350～450Tencel®48～52500～550浆粕55～65600•2.Lyocell纤维•Lyocell纤维是可回收溶剂法制备的再生纤维素纤维。•三、典型合成纤维的结构•1.常规合成纤维•(1)涤纶纤维(PET)•涤纶纤维或聚酯纤维，其大分子链化学结构式为：•单基由一个苯环、两个酯基和两个亚甲基(－CH2)构成。COCOOCH2OCH2n•－CH2－CH2－是柔性链；苯环使分子链的刚性增大，熔融熵减小，结晶速率减缓，所以按传统的熔体纺丝法得到的初生纤维一般为非晶态，但经过拉伸取向可诱导快速结晶，不仅取向度高，而且结晶度也高。(挺括不皱)•(2)锦纶纤维(PA)•锦纶或聚酰胺纤维或尼龙主要特征是大分子链由酰胺键(－CONH－)连接，主要品种锦纶6和锦纶66，化学结构式如下：•锦纶66•锦纶6N(CH2)6NOC(CH2)4COHHnNOCHn(CH2)5•(3)腈纶纤维(PAN)•(4)丙纶纤维(PP)(5)维纶纤维(PVA)(6)氯纶纤维(PVC)P57-59常用纤维的单基•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.差别化纤维•(1)异形与多孔•差别化纤维在形态上改变，可引入异形和多孔。•例：(a)为单开孔，以增加表面积和内凹蓄水和快速导水，但受压后易于反渗水；•(b)为中空带微孔，若微孔与中空相通，则可以形成导水和扩散；•(c)为变异三叶形，大凹反射光性能优良和减少接触，叶顶小沟槽有利于导水和点状接触；(d)为表面多坑结构，可柔和光泽和增加表面积极蓄水点。•(2)复合与超细•复合纤维的常见结构如图2-28所示，主要为双组份的，但也可以是多组份的，此时结构将变得复杂。复合纤维双层①并列型②芯鞘型异形偏芯③并列型④木纹型⑤放射型⑥多芯型⑦镶嵌型⑧海岛型⑨星云型中空放射型多重型多层•对环芯多层结构的夹层大量掺入碳黑，并在纤维主体中，并在纤维主体中也掺入碳黑，制成耐久性抗静电、导电纤维。•超细纤维海岛型镶嵌型辐射型并列型溶解式分离式或劈裂式•(3)弹性结构•弹性结构的获得主要是通过纤维的分子结构聚集态结构获得，分子结构中最为主要的是分子链的柔性和构象。交联点(a)化学交联“点作用”(b)物理交联“区作用”硬链段软链段(结晶区)(无序区)弹性段本章小结纤维结构大分子结构：化学组成、单基结构、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、取向度等