纺织材料学第七章(07)

1第七章纺织材料的热学、光学、电学性质2•内容提要：•常用热学指标；•纤维的热力学性质、热定形及抗热破坏性质（耐热性、热稳定性、燃烧性、熔孔性、热收缩等）；•纤维的色泽、双折射、耐光性、紫外荧光；•纤维的电阻、静电。3第一节热学性质•一、热学指标（一）比热C质量为一克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量。单位：焦尔/克·度(J/g·℃)。比热值的大小，反映了材料释放、贮存热量的能力。或者温度的缓冲能力。TmQC4纤维种类比热值纤维种类比热值纤维种类比热值棉1.21～1.34粘胶纤维1.26～1.36石棉1.05羊毛1.36锦纶61.84芳香聚酰胺纤维1.21桑蚕丝1.38～1.39锦纶662.05醋酯纤维1.46亚麻1.34涤纶1.34玻璃纤维0.67大麻1.35腈纶1.51黄麻1.36丙纶(50℃)1.80常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为20℃）单位：J/g·℃5•影响纺织纤维比热的主要因素:•纤维的比热值是随环境条件的变化而变化的，不是一个定值。同时，又是纤维材料、空气、水分的混合体的综合值。•(1)温度的影响•一般认为，温度较高时，具有一定回潮率纤维的比热增大。6(2)水分的影响0.511.522.53010203040回潮率(%)比热(J/g·℃)80℃40℃20℃0℃羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系0w01CCWWCC7•（二）导热系数λ导热主要通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。材料在一定的温度梯度场条件下，热能会通过物质本身扩散.8QdT1T2(T2T1)SλStdxdTQ9•材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度称为导热系数。其含义是,当纤维材料的厚度为1m,两端间的温差为1ºC时，1秒内通过1m2纤维材料传导的热量焦耳数。单位：焦/米·度·时（Ｗ/m·ºC）StTdQ10纤维制品λ(W/m·℃)λ∥λ⊥棉纤维0.071～0.0731.12590.1598羊毛纤维0.052～0.0550.47890.1610蚕丝纤维0.05～0.0550.83020.1557粘胶纤维0.055～0.0710.71800.1934醋酯纤维0.05羽绒0.024木棉0.32麻1.66240.2062涤纶0.0840.97450.1921腈纶0.0510.74270.2175锦纶0.244～0.3370.59340.2701丙纶0.221～0.302氯纶0.042静止干空气0.026——纯水0.697——11•影响纤维导热系数的因素•(1)纤维的结晶与取向纤维本身的导热系数由于纤维结构的原因也呈现各向异性。•(2)纤维集合体密度对于纤维集合体，也是纤维、空气、水分三者的综合值。导热系数与集合体的体积重量的关系呈对号规律。//1200.050.10.150.20.25体积重量(δ)导热系数λ两端压差大两端无压差静止空气纤维层体积重量和导热系数间的关系13•（3）纤维排列方向0.1250.150.1750.20.2250.250.2750102030405060708090纤维排列方向角αf(°)热传导能力αf热辐射方向纤维层方向导热系数纤维排列方向角αf与导热系数的关系14•(4)纤维细度和中空度•(5)环境温湿度纤维导热系数λ(W/m·℃)0℃30℃100℃棉0.0580.0630.069羊毛0.0350.0490.058亚麻0.0460.0530.062蚕丝0.0460.0520.059温度与纤维导热系数间的关系15增强服装保暖性的途径•尽可能多的储存静止空气；（中空纤维、多衣穿着、不透水）•降低W%；•选用λ低的纤维；•加入陶瓷粉末等材料16•（三）热阻Ｒ和绝热率T•热阻Ｒ（m·ºC/Ｗ）•绝热率T•它们反映的是材料的隔热能力——保暖性，值越大，说明材料越保暖。1R(%)100010QQQT17•二、纺织材料的热力学性质•热力学性质也叫热机械性质，是指在温度的变化过程中，纺织材料的机械性质亦随之变化的特性。用不同的温度点来表征力学特性。绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构，即有结晶区与非结晶区，而这两个区域对热的反映是不一样的，对结晶区来说在热的作用过程中，它的热力学状态有两个：一个是在热的作用下，结晶体解体形成熔融态，另一个是结晶不被破坏呈结晶态。对无定形区来讲，热力学状态大致有三个：玻璃态、高弹态和粘流态，这些状态可用以下的热力学指标来表征和区分。18•（一）熔点Tm（软化点）•熔点是纤维的重要热性质之一，也是一个结构参数。我们知道低分子结晶体的熔化是一个相的转变过程，由结晶态（晶相）变成熔融态（液相），而且相的转变在很窄的温度范围内进行，所以叫熔点。对纤维材料，结晶是由高聚物形成的，它的熔化过程有一个较宽的温度区间——熔程，由于该熔程比较宽，通常把开始熔化的温度叫起熔点，把晶区完全熔化时的温度叫溶点Tm。若材料的结晶度高，晶体比较完整，则熔程变窄，熔点也随之而提高，同样结晶度条件下，晶粒大，Tm升高。19•对于无定形区来说，在热的作用下，基本上有三种热力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态，通过变形能力来区分。在玻璃态时，强力高，变形小，且外力去除后，变形很快消失，表现出类似玻璃的力学性质。而高弹态时，受到外力，可产生较大的变形，当外力消除，变形较易回复，类似于橡胶的力学特征。粘流态时，变形不但很容易而且是不可逆的，呈现一种具有粘滞性可流动的液体状态。20•两种转变和三种力学状态温度形变玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹转变区交联型分子Tg(℃)Tf(℃)(a)温度lgETg(℃)Tf(℃)交联型分子玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹转变区(b)非晶态材料的热机械性质21•（二）玻璃化温度Tg我们把高弹态向玻璃态的转变称做玻璃化转变，其转变温度为玻璃化温度。对纺织材料来说，这个转变是很重要的。（热定形，许多使用性能的基础）•（三）粘流温度Tf高弹态到粘流态之间的转变温度。22纤维玻璃化温度Tg(℃)熔点Tm(℃)粘流Tf(℃)分解点Td(℃)熨烫温度(℃)棉230——150200羊毛60或80—63.1135180蚕丝———150160麻———253100粘胶260~300110醋酯186195~205290~300—110锦纶647,65180215—125~145锦纶6682225253300120~140涤纶80,67,90235~240256—160腈纶90190~240—280~300130~140维纶85干:220~230水:110——干:150丙纶-35145~150163~175—100~120氯纶8290~100200—30~40常见纺织纤维的热学性能23•（1）四个温度•（2）两个转变区•（3）三种力学状态24•a.玻璃化温度Tg•——非晶态高聚物大分子链段开始运动的最低温度，或由玻璃态向高弹态转变的温度。•影响Tg的因素：化学组成的影响；分子量和交键作用；混合、接枝及共聚的影响；增塑剂的作用。凡是使链的柔性增加，使分子间作用力下降的结构因素都会使Tg改变。•b.粘流温度Tf•——非晶态高聚物大分子链相互滑动的温度，或由高弹态向粘流态转变的温度。•c.熔点温度Tm•——高聚物结晶全部熔化时的温度，或晶态高聚物大分子链相互滑动的温度。•d.分解点温度Td•——高聚物大分子主链产生断裂的温度。25•两个转变区：1玻璃化转变区2粘弹态转变区26•玻璃态：分子链段运动被冻结，显现脆性，类似普通玻璃性能。•高弹态：分子链段运动加剧，出现高弹变形，类似橡胶的特性。•粘流态：大分子开始变形，表现出液体流动的特性。27•三、热定形（一）概念：定形是指使纤维（包括纱、织物）达到一定的（所需的）宏观形态（状），尽可能切断分子间的联结，使分子松弛，然后在新的平衡位置上重新建立尽可能多的分子之间的联结点。热定形则是指在热的作用下（以热手段进行分子之间联系的切断或重建）进行的定形。可以看出，热定形的主要目的就是为了消除材料在加工过程中所产生的内应力，使之在以后的使用过程中具有良好的尺寸稳定性，形态保持性，弹性，手感等。28•（二）热定形的效果暂时定形,半永久定形与永久定形。（三）热定形的条件（1）湿度(或定形液)：降低Tg（2）热：加热到Tg以上，Tm以下方可定形（3）力：施加外力达到我们所需的外观形态（4）时间：大分子间的联结只能逐步拆开，达到比较完全的应力松弛，需要时间。重建分子间的联结也需要时间29纤维品种热定形温度(℃)热水定形蒸汽定形干热定形涤纶120~130120~130190~210羊毛90~100100~120130~150锦纶66100~120110~120170~190腈纶125～135130～140丙纶100~120120~130130~140几种纤维织物的常用热定形温度30•四、耐热性和热稳定性（一）耐热性。指在热的作用下，抗破坏的能力。可用破坏温度来表示，或受热时性能的恶化来评价。•（二）热稳定性。指在某温度持续作用下，多长时间会破坏的性能。31耐热性——纤维耐短时间高温的性能。热稳定性——纤维耐长时间高温的性能。一般规律是：T↑，断裂强力↓；断裂伸长率↑；初始模量↓；纤维变得柔软。32常用纤维耐热性比较：天然纤维：棉麻蚕丝羊毛人造纤维：粘胶棉合成纤维：涤纶腈纶锦纶维纶碳纤维、玻璃纤维相当好。33纤维在20℃未加热在100℃经过20天在100℃经过80天在130℃经过20天在130℃经过80天棉10092683810亚麻10070412412苎麻1006226126蚕丝1007339——粘胶10090624432锦纶10082432113涤纶100100969575腈纶1001001009155玻璃纤维100100100100100常见纺织纤维受热后的剩余强度(%)34热收缩（1）定义：合成纤维受热后发生不可逆的收缩现象称之为热收缩。（2）指标：热收缩率——加热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率。根据介质不同有：35a.沸水收缩率：一般指将纤维放在100°C的沸水中处理30min，晾干后的收所缩率；b.热空气收缩率：一般指用180℃、190℃、210℃热空气为介质处理一定时间（如15min）后的收缩率；c.饱和蒸汽收缩率：一般指用125-130℃饱和蒸汽为介质处理一定时间（如3min）后的收缩率。36（3）产生原因：纺丝成形过程中，受到较大的抽伸作用，纤维残留一定的内应力；（4）影响因素：温度——T↑，热收缩率↑介质——水、空气、蒸汽原来的热处理条件37（5）利弊利用不同的纤维收缩率，混纺可改善纱线结构。长丝或合纤纱热收缩率不同，产生易吊经、吊纬、裙子皱。使用时也要注意热收缩问题。38收缩率(%)0246810121416PA6PA66PET纤维品种沸水饱和蒸汽热空气合成纤维的热收缩率形态的稳定性39•五、熔孔性（一）概念织物接触到热体而形成孔洞的性能——熔孔性。影响熔孔性的因素主要有：（1）热体的温度（2）热体的作用时间（3）热体的热量（4）纤维的性能（可熔性，导热性，比热，吸湿性等）。（二）测量方法1．落球法：一定温度、重量大小的钢（或玻璃）球在布上形成孔洞所需时间。2．烫法：用热体（金属棒、玻璃棒、纸烟等）接触试样一定时单间，观察熔融状态。40•六、阻燃性（一）定性表达根据纤维在火焰中，离开火焰后的燃烧状况分为：1、易燃：遇火就燃，离火仍燃，且燃烧迅速，可造成火灾。2、可燃：遇火能燃，离火后仍曼延，但速度慢。3、难燃：在火焰中可燃，离开火则自熄。4、不燃：与火接触亦不燃烧。（二）定量表达1、点燃温度2、火焰最高温度3、燃烧速度4、极限氧指数极限氧指数LOI（LimitOxygenIndex）：%100222NOOVVVLOI41分类LOI(%)燃烧状态纤维品种不燃≥35常态环境及火源作用后短时间不燃烧多数金属纤维、碳纤维、石棉、硼纤维、玻璃纤维及PBO、PBI、PPS纤维难燃26~34接触火焰燃烧，离火自熄芳纶、氟纶、氯纶、改性腈纶、改性涤纶、改性丙纶等可燃20~26可点燃，能