第四章--纤维的物理性能

第四章纤维的物理性能一、纤维的比热p73也称比热容，是指单位质量的纤维，在温度变化1℃时所吸收或放出的热量，即：式中：C0——干纤维的比热（J/g·K），m——干纤维的质量，Δt——温度的变化，q——纤维吸收或放出的热量。相同质量的不同纤维，在升高相等温度时，比热大的纤维获得的热量应当大于比热小的纤维;若给予相同的热量，比热大的纤维温升小，而比热小的纤维温升大。Tmqc0表4-1干燥纤维的比热p73纤维比热（J/g·K）（室温）纤维比热（J/g·K）（室温）蚕丝纤维羊毛纤维涤纶纤维腈纶纤维醋酯纤维粘胶纤维1.3861.3611.3401.5071.4641.26～1.35锦纶纤维锦纶6纤维棉纤维粘胶纤维亚麻纤维玻璃纤维2.0521.8401.21～1.341.3571.3440.670对含有水份的纤维、比热值会有很大变化，纺织加工是一个水加工工艺，干燥含水的纤维是常规的工艺过程，所以，含湿纤维的比热比干纤维的更重要。这时温度变化1℃时所吸收或放出的热量，除纤维外，还应有纤维中的水份。P73图4-1羊毛的比热容、温度和回潮率的关系p74•二、纤维的导热性p74•纤维内部及其集合体纤维间孔隙内充满空气，在有温差的情况下，热量总是从高温向低温传递——导热性，抵抗这种传递的能力则称为保暖性。•导热性用导热系数λ表示，单位是kJ／（m·k·h）。是指当纤维材料的厚度为1m且两侧表面之间的温度差为1℃时，1h内从1平米的纤维面积中通过的热量（KJ）。λ值越小，表示该纤维的导热性越低，其绝热性或保暖性越高。tTFQa在纤维材料的厚度为a的时候，通过该材料厚度的热量称为热传导率tTFQak式中：Q——通过制品的热量（KJ），a——制品的厚度（m），F——制品的面积（m2），ΔT——温差（℃），t——时间（h）。表4-2纤维、空气和水的导热系数（室温20℃）[KJ／（m·k·h）]P75纤维λ纤维λ纤维λ棉纤维0.255～0.264羊毛纤维0.188～0.197蚕丝纤维0.180～0.197粘胶纤维0.197～0.255醋脂纤维0.180锦纶纤维0.75～1.21涤纶纤维0.301腈纶纤维0.184丙纶纤维0.79～1.09氯纶纤维0.151空气0.092水2.15静止空气是最好的热绝缘体。纤维材料的保暖性主要取决于纤维层中夹持的空气数量和状态。但一旦空气发生流动，保暖性就大大降低。P75水的导热系数较大，随着纤维回潮率的增高，纤维的导热系数会增大，而保暖性下降。影响纤维导热性能的因素（1）分子量的大小在同一温度下，分子量越高→λ↑。（2）温度与回潮率的影响T↑→λ↑水分越多，λ越大，保暖性越差（3）纤维集合体的体积重量保暖与否主要取决于纤维层中夹持的静止空气数量。纤维层中夹持的空气越多，则纤维层的绝热性越好.一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。•纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cm3，λ最小，保暖性最好。三、纤维的热裂解与纤维的三态转变p75-78（一）加热过程中的物相变化两种类型：（1）一种是先随温度升高脱去水份，然后氧化降解，直接由固态裂解为气体和碳素残渣。许多天然纤维素纤维、天然蛋白质纤维、再生纤维均属这一种类型。（2）一种也是先随温度升高脱去水分，随后纤维开始由固态（玻璃态）转变为有高形变能力的高弹态，或者从近似于玻璃态的低高弹态转变为高弹态，再继续升高温度，纤维成为流动态的熔体（粘流态），再升高温度便开始热裂解。像涤纶、锦纶这样一些合成纤维，日常使用温度下为玻璃态，丙纶纤维日常使用的是近似玻璃态的低高弹态。（二）热塑性纤维的三态转变纤维物理状态有加热后发生“三态转变”的特点称为热塑性纤维。p75（二）热塑性纤维的三态转变p76-77•玻璃态：分子链段运动被冻结，显现脆性，类似普通玻璃性能。在温度比较低时，表现出有类似于刚体的性能。•高弹态：分子链段运动加剧，出现高弹变形，类似橡胶的特性。表现为类似于橡胶的性能。•粘流态：大分子开始变形，表现出液体流动的特性。表4-3一些纤维的热特性温度p78纤维软化点（℃）熔点（℃）热分解温度（℃）玻璃化温度（℃）棉纤维羊毛纤维蚕丝纤维锦纶6纤维锦纶66纤维涤纶纤维腈纶纤维维纶纤维丙纶纤维氯纶纤维醋酯纤维——180160～180235～240238～240190～240干：220～230水中：110121～17690～100200～230———215～220250～260255～260327225～239163～186180～200260～300341243287416—410312——287336———47～5047～5067、81、12580～100、140～15085－1582186•三态转变温度p78•1.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•2.流动温度(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。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。•3.分解点温度Td——高聚物大分子主链产生断裂的温度。高分子的链结构与形态旋转图每逆时针旋转60o的构象分解旋转过程中构象不断变化，位能（U）也不断变化。旋转的难易取决于旋转位能的的高低，位能越低越容易旋转。分子结构不同，位能不同，一般电负性大、取代基多或大，位能越大。反式旁式重式顺式重式旁式反式60o60o60o60o60o60o0o60o120o180o240o300o360oθU旋转过程中的位能变化CCCC高分子链的内旋转共轭双键由于分子链整个形成共轭体系，造成旋转困难，故只有刚性而无柔性。如聚乙炔～CH＝CH－CH＝CH－CH＝CH－CH＝CH～聚苯～△常见高分子主链的柔性规律－O－＞－S－＞－N－＞－C≡C－C＞非共轭－C＝C－＞－C－O－＞－CH2－＞－C－＞－O－C－NH－＞NH－C－NH－▲取代基的影响（性质、体积、数量、位置）△取代基的性质对高分子链柔性的影响（极性）规律：极性↑，作用力↑，位能↑，内旋转↓，柔性↓。实例：取代基极性分子间力柔性刚性系数Tg(K)PE－H小小大1.63160PVC－Cl3.32355PAN－CN大大小2.37369～OOOO☆整个分子链的运动（重心发生位移）条件：存在分子间或内的干扰和纠缠时，不能实现整个分子链的运动；在溶液和熔融状态下，通过链段一方向的运动可以实现整个分子链的运动。存在干扰、纠缠时的整个分子链运动干扰点纠缠点溶液及熔融状态下的整个分子链运动高聚物的聚集态结构★高聚物聚集态与小分子物质的聚集态、相态的对应关系气态气相小分子物质的聚集态液态液相小分子物质的相态固态晶相一、分子间的相互作用★作用力的类型共价键主价力（又称化学键）配位键作用力的类型离子键次价力（又称分子间力，包括：范德华力、氢键）粘流态非晶态晶态固态高聚物聚集态（力学、分子热运动特征分类）（热力学特征分类）高聚物的物理状态●线型非晶态高聚物的物理状态与平均相对分子质量M、温度T的关系二、结晶态高聚物的物理状态●结晶态高聚物的形变-温度曲线MT玻璃态高弹态黏流态过渡区TgTf高弹态、黏流态及两者之间的过渡区均随相对分子质量和温度的增加而变宽。12形变%TgTmTfT/℃1-相对分子质量较小2-相对分子质量很大高聚物的物理状态●结晶态高聚物的物理状态注意：由于高弹态对成型加工不利，因此，一般情况下，对结晶态高聚物而言要严格控制相对分子质量，防止很大造成的不良影响。结晶态高聚物的物理状态玻璃态黏流态黏流态玻璃态高弹态M较小M很大高聚物的各种特征温度与测定●常见的高聚物特征温度一、玻璃化温度●定义高聚物分子链开始运动或冻结的温度。●玻璃化温度的使用价值玻璃温度是非晶态高聚物作为塑料使用的最高温度；是作为橡胶使用的最低温度。●影响玻璃化温度的因素高聚物特征温度Tg-玻璃化温度（glass-transitiontemperature）Tm-熔点（meltingpoint）Tf-黏流温度（viscousflowtemperature）Ts-软化温度（softeningtemperature）Td-热分解温度（thermaldestructiontemperature）Tb-脆化温度（brittlensstemperature）高聚物的各种特征温度影响玻璃化温度的因素主链柔性分子间作用力相对分子质量交联共聚增塑剂升温速度外力大小作用时间四、纤维的耐热性、燃烧性和热稳定性p781.耐热性耐热性——指纤维经过短时间的高温作用，回到常温时，其机械性能的变化程度耐短时间高温的性能。随着温度的升高而强度降低的程度表示。热稳定性——纤维耐长时间高温的性能。纤维剩余强度（％）（20℃）（未加热前的强度为100%）在100℃条件下加热后在130℃条件下加热后20天80天20天80天棉纤维亚麻纤维苎麻纤维蚕丝纤维粘胶纤维锦纶纤维涤纶纤维腈纶纤维玻璃纤维92706273908210010010068412639624396100100382412—4421959110010126—32137555100•常用纤维耐热性：•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；涤纶的耐热性与热稳定性均较好；锦纶的耐热性较好，但热稳定性差。纤维的燃烧性能p79•（1）可燃性指标（表示纤维容不容易燃烧）：点燃温度、发火点◆点燃温度或发火点越低，纤维越容易燃烧。•（2）耐燃性指标（表示纤维经不经得起燃烧）极限氧指数LOI（LimitOxygenIndex）：——纤维点燃后，在氧、氮大气里维持燃烧所需要的最低含氧量体积百分数。◆LOI越大，说明材料难燃。LOI=%100222的体积的体积的体积NOO•P80阻燃——指降低材料在火焰中的可燃性，减慢火焰蔓延速度，当火焰移去后能很快自熄。•提高纤维制品难燃性的途径(1)制造难燃纤维:在纺丝原液中加入防火剂或用合成的难燃聚合物纺丝(2)阻燃整理:阻燃剂处理(3)通过与难燃纤维混纺，以提高纤维的难燃性。(4)在普通纤维上与反应性阻燃剂进行接枝共聚，或通过阻燃整理而赋予纤维以阻燃性，即阻燃改性的表面处理法。纤维的热塑性和热定型P80•热塑性——将合成纤维或制品加热到Tg以上温度，并加一定外力强迫其变形，然后冷却并去除外力，这种变形就可固定下来，以后遇到TTg时，则纤维或制品的形状就不会有大的变化。这种特性称之为热塑性。•热定型——就是利用合纤的热塑性，将织物在一定张力下加热处理，使之固定于新的状态的工艺过程。（如：蒸纱、熨烫）•热定型的机理:最初结构的松散；新结构的重建；新结构的固化•热定型的方法:干热定型----热风处理，金属表面接触加热;湿热定型----湿法定型，汽蒸定型，过热蒸汽定型。•影响合纤织物热定型效果的因素1）温度（最主要因素）2）时间3）张力4）冷却速度5）定型介质纤维的熔孔性•1.定义：当纤维及其制品上为热体所溅时被熔成孔洞的性能。•抗熔性：抵抗熔孔现象的性能。•2.合成纤维易产生熔孔现象的原因–涤纶、锦纶熔融所需的热量较少；–涤纶、锦纶的导热系数比棉、粘、羊毛大。•3.改善织物抗熔性的方法•合纤与天然纤维混纺；•制造包芯纱（芯用锦纶、涤纶，外层用棉）。几种纤维的热膨胀系数纤维种类膨胀系数（10-4）纤维种类膨胀系数（10-4）棉40膨胀锦纶1聚乙烯2膨胀涤纶0.5聚丙烯10锦纶-3醋酯纤维0.8～1.6涤纶-10（在80℃附近）•六、热膨胀和热收缩p82一部分纤维在加热的情况下有轻微的膨胀现象。•原因是纤维分子受热后发生较强的热振动而获得了更多的空间所致。•几种纤维的热膨胀系数热收缩•（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，即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：•