精品课程课件：纺织材料学-东华大学2

1、l了解纤维结构与性能关系，正确选择和了解纤维结构与性能关系，正确选择和 使用纤维；使用纤维；l通过各种途径改变纤维结构，有效地改通过各种途径改变纤维结构，有效地改 变纤维性能。变纤维性能。 纤维结构定义纤维结构定义是指组成纤维的结构单元相互作用达到平衡时在空间的几何排列。纤维结构纤维结构 v大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、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、大分子链柔曲性聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等等v聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、取向度、侧序分布等取向度、侧序分布等v形态结

2、构：纵横向几何形态、径向结构、表面结形态结构：纵横向几何形态、径向结构、表面结构、孔洞结构等构、孔洞结构等 纤维的形态结构纤维的形态结构microscopic structure微形态结构：用电子显微镜能观察到的结构，微形态结构：用电子显微镜能观察到的结构，如：微纤、微孔、裂缝等；如：微纤、微孔、裂缝等；Features may be observed by electron microscope.lNatural fibers: distinct layerslManufactured and silk: uniform throughout except skin-core effectM

3、acrostructures:宏形态结构：用光学显微镜能观察到的结构，宏形态结构：用光学显微镜能观察到的结构，如：皮芯结构、截面形态等。如：皮芯结构、截面形态等。Features can be observed by optical microscope.lSurface contour/longitudinal formsmoothstriated convolutedserrated pittedlobed scalylCross-sectional area shaperoundkidney beantriangularflat dog-bonemulti-lobal棉纤维纵、横截面棉纤

4、维纵、横截面纵、横截面纵、横截面大麻纤维纵、横截面大麻纤维纵、横截面桑蚕丝纵、横截面桑蚕丝纵、横截面涤纶纤维纵、横截面涤纶纤维纵、横截面晴纶纤维纵、横截面晴纶纤维纵、横截面粘胶纤维纵、横截面粘胶纤维纵、横截面 纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤维、金属纤维）等外，绝大多数都是高维、金属纤维）等外，绝大多数都是高分子化合物（即高聚物）分子化合物（即高聚物）, ,分子量很大。分子量很大。一、单基（链节）一、单基（链节） 1 1、定义：、定义： 构成纤维大分子的基本化学结构单元。构成纤维大分子的基本化学结构单元。 AAA AA AA AA AA A或或 AA(A)(

5、A)n nA A A A 单基；单基； AA、A A端基；端基； n n 聚合度；聚合度； 2 2、常用纺织纤维单基的化学组成：、常用纺织纤维单基的化学组成： l纤维素纤维：纤维素纤维： -葡萄糖剩基葡萄糖剩基l蛋白质纤维：蛋白质纤维： -氨基酸剩基氨基酸剩基l涤纶：对苯二甲酸乙二酯涤纶：对苯二甲酸乙二酯l锦纶：己内酰胺锦纶：己内酰胺l丙纶：丙烯丙纶：丙烯l腈纶：丙烯腈腈纶：丙烯腈l单基的化学结构、官能团的种类决定了单基的化学结构、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、极性性等，单基中极性官能团的数量、极性强弱对纤维

6、的性质影响很大。强弱对纤维的性质影响很大。 1) 1)定义：定义： 构成纤维大分子的单基的数目，或一个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（大分子中的单基重复的次数（n n）。）。 大分子的分子量单基的分子量大分子的分子量单基的分子量聚合度聚合度棉麻的聚合度很高棉麻的聚合度很高 ，成千，成千上万；上万；羊毛羊毛 n n576576； 蚕丝蚕丝 n n400400再生纤维素纤维再生纤维素纤维 300-600300-600涤纶涤纶 130130 晴纶晴纶 1000100015001500 维纶维纶 n n17001700 丙纶丙纶 n n310-430 310-430 一根

7、纤维中各个大分子的一根纤维中各个大分子的n n不尽相同，具有不尽相同，具有一定的分布一定的分布 高聚物大分子的多分散性。高聚物大分子的多分散性。lnnnn临临，纤维开始具有强力；，纤维开始具有强力；lnn，纤维强力，纤维强力（nn；大分子间的结；大分子间的结合键合键结合能量变大）；结合能量变大）；l但但n n增加至一定程度，强力趋于不变。增加至一定程度，强力趋于不变。ln n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿低时，一般来说，纤维的强度低些，湿强度也低些，脆性明显些强度也低些，脆性明显些。 强度 P聚合度 n no 制造化纤时，要控制制造化纤时，要控制n n的大小的大小n n太小太小强度不好；强

8、度不好；n n太大太大纺丝困难纺丝困难ln n的分布：希望的分布：希望n n的分布集中些，分散度的分布集中些，分散度小些，这对纤维的强度，耐磨性、耐疲小些，这对纤维的强度，耐磨性、耐疲劳性、弹性都有好处。劳性、弹性都有好处。l制造化纤时，要控制制造化纤时，要控制n n的大小。的大小。ln n太小太小强度不好；强度不好；n n太大太大纺丝困纺丝困难。难。 纤维大分子的形状由于单基的键接方式纤维大分子的形状由于单基的键接方式的不同，可以分为三种构造形式：的不同，可以分为三种构造形式：l线型线型linearlinearl枝型枝型branchedbranchedl网型网型network(crossli

9、nkednetwork(crosslinked) )l大分子链中的单键能绕着它相邻的键按大分子链中的单键能绕着它相邻的键按一定键角旋转，称为键的内旋转。一定键角旋转，称为键的内旋转。l分子链由于围绕单键内旋转而产生的原分子链由于围绕单键内旋转而产生的原子在空间的不同排列形式称为构象。子在空间的不同排列形式称为构象。l纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。 1) 1) 定义：指纤维大分子在一定条件下，定义：指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通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。易程度的特性。 单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的

10、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。互影响外分子间作用力也有很大影响。l主链上原子链弹性好，链节易绕主轴旋转，主链上原子链弹性好，链节易绕主轴旋转， 柔曲性柔曲性；l侧链较少，链节易绕主轴旋转，侧链较少，链节易绕主轴旋转，柔曲性柔曲性l主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋 转，转，柔曲性柔曲性；l侧基间（大分子间）作用力较少，链节易侧基间（大分子间）作用力较少，链节易 绕主轴旋转，绕主轴旋转，

11、柔曲性柔曲性；l温度温度，内旋转加剧，大分子链柔曲性，内旋转加剧，大分子链柔曲性。l大分子的柔曲性是判断高聚物弹性的主大分子的柔曲性是判断高聚物弹性的主要条件之一，长链分子由于热运动而变要条件之一，长链分子由于热运动而变成弯曲形状使高度柔曲性，这就是高聚成弯曲形状使高度柔曲性，这就是高聚物产生弹性的原因。物产生弹性的原因。l柔顺性好的纤维，受外力易变形，伸长柔顺性好的纤维，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，易形集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成结晶成结晶。小结：小结：l纤维大分子是由许多个纤维大分子是由许多个单

12、基单基通过通过共价键共价键连接而成连接而成的的线型大分子线型大分子。l纤维大分子分子量大，分子链长。纤维大分子分子量大，分子链长。l 纤维大分子的主链一般都具有一定的纤维大分子的主链一般都具有一定的内旋转内旋转自自由度，使大分子链具有一定的由度，使大分子链具有一定的柔曲性柔曲性。l由于热运动，在不同条件下，纤维大分子的由于热运动，在不同条件下，纤维大分子的构象构象可以不断改变。可以不断改变。 一、大分子间作用力（次价键力）一、大分子间作用力（次价键力） 纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位 置，链的形状、大分子排列的密度及链的柔曲置，链的形状、大分子

13、排列的密度及链的柔曲 性等有关。这种作用力使纤维中的大分子形成性等有关。这种作用力使纤维中的大分子形成 一种较稳定的相对位置，或较牢固的结合，使一种较稳定的相对位置，或较牢固的结合，使 纤维具有一定的物理机械性质纤维具有一定的物理机械性质。名称名称产生原因产生原因特点特点范范得得华华力力定向力定向力产生于极性分子间，是由它们的永产生于极性分子间，是由它们的永久偶极矩作用而产生的久偶极矩作用而产生的作用能量作用能量3 35 5千卡千卡/ /克分克分子子 与温度有关与温度有关诱导力诱导力由相邻分子间的诱导电动势产生的，由相邻分子间的诱导电动势产生的，产生于极性分子与非极性分子之间产生于极性分子与非

14、极性分子之间1.51.53 3千卡千卡/ /克分克分子子 与温度有关与温度有关色散力色散力由相邻原子上的电子云旋转引起瞬由相邻原子上的电子云旋转引起瞬时的偶极矩而产生的。产生一切非时的偶极矩而产生的。产生一切非极性分子中。极性分子中。0.20.22 2千卡千卡/ /克分克分子子 与温度无关与温度无关氢键氢键大分子侧基（或部分主链上）极性大分子侧基（或部分主链上）极性基团之间的静电吸引力（如基团之间的静电吸引力（如NHNH， COOHCOOH，OHOH，CONHCONH等）等）能量能量1.31.310.210.2千卡千卡/ /克克分子距离分子距离2.32.33.23.2A A 与与温度有关温度有

15、关盐式键盐式键在部分大分子侧基上，某些成对基在部分大分子侧基上，某些成对基团之间接近时，产生能级跃迁的原团之间接近时，产生能级跃迁的原子转移，从而基团间形成相互结合子转移，从而基团间形成相互结合的化学键的化学键是化学键中作用力较弱是化学键中作用力较弱的一种，能量的一种，能量30305050千千卡卡/ /克分子克分子 化学键化学键少数纤维的大分子之间存在这桥式少数纤维的大分子之间存在这桥式侧基。侧基。化学键化学键主要包括共价键、离主要包括共价键、离子键和金属键子键和金属键能量能量5050200200千卡千卡/ /克分克分子子 l四种结合力的能量大小：四种结合力的能量大小：化学键盐式键氢键范得华力

16、化学键盐式键氢键范得华力l四种结合力的作用距离：四种结合力的作用距离：化学键盐式键氢键范得华力化学键盐式键氢键范得华力l范德华力范德华力 存在于一切分子之间的一种吸引力。 包括定向力、诱导力、色散力。 作用范围小于1纳米，作用能比化学键小1-2个数量级。l 氢键氢键 极性很强的X-H键上的氢原子，与另一个键上电负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引而形成的一种键（XHY)。 发生在分子极性基团之间的作用力。 键能与范德华力的数量级相同 纺织纤维中常见的氢键： OHO NH O NH N CH Nl盐式键盐式键 存在于部分纤维大分子间。 如羊毛、蚕丝大分子侧基上的羧基（COOH）和氨基（NH 2

17、）可形成盐式键 COO + H 3 N 盐式键键能大于氢键，小于化学键 l 化学键化学键 网状构造的大分子可由化学键构成交联。 部分纤维，如羊毛和蚕丝的桥式侧基中存在二硫键和（SS）酯键（CO） O纤维大分子主要是通过范德华力和氢键聚集在一起。分子间力的大小取决于： 1.单基化学组成（原子团多少、极性集 团数目、极性强弱） 2.聚合度 3.分子间距离二、聚集态结构聚集态结构 超分子结构（聚集态结构）超分子结构（聚集态结构）：具有一定构象的大分子链通过分子链间的作用力而相互排列、堆砌而成的结构。 纤维的超分子结构是在天然纤维的生长过程或化学纤维的纺丝成形及后加工过程中形成的。 l高聚物的基本性质

18、取决于大分子结构，而实际高聚物材料或制品的使用性能则直接取决于在加工过程中形成的超分子结构（聚集态结构）。 1 1、结晶、结晶 Crystallinity （1 1）结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。）结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。（2 2）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。（3 3）结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率。）结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率。（4 4）非晶态：纤维大分子无规律地乱排列的状态。）非晶态：纤维大分子无规律地乱排列的状态。（5 5）非晶区：纤维大分子无规律地乱排列的区域。）非晶区：纤维

19、大分子无规律地乱排列的区域。Crystalline regions: adjacent polymers are packed with spatial orderAmorphous regions: no spatial orderl 重量结晶度：纤维内结晶区的重重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。量占纤维总重量的百分率。l 体积结晶度：纤维内结晶区的体体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率积占纤维总体积的百分率。 1) 1)大分子链段排列规整大分子链段排列规整 2)2)结构紧密，缝隙，孔洞较少结构紧密，缝隙，孔洞较少 3)3)相互间结合力强，互相接近的基团结合力

20、饱和相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和 结晶度结晶度 纤维的拉伸强度、初始模量、纤维的拉伸强度、初始模量、 硬度、硬度、尺寸稳定性、密度尺寸稳定性、密度，纤维的吸湿性、染料吸着，纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性性、润胀性、柔软性、化学活泼性。 1)1)大分子链段排列混乱，无规律；大分子链段排列混乱，无规律；2)2)结构松散，有较多的缝隙，孔洞；结构松散，有较多的缝隙，孔洞；3)3)相互间结合力小，互相接近的基团结合力没相互间结合力小，互相接近的基团结合力没 饱和。饱和。 结晶度结晶度纤维吸湿性纤维吸湿性；容易染色；拉伸强；容易染色；拉伸强度较小，变形较大，纤维较柔软，

21、耐冲击性，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，化学反应性比较活弹性有所改善，密度较小，化学反应性比较活泼泼 。 1) 1)定义：指大分子或链段等各种不同结构单元定义：指大分子或链段等各种不同结构单元 包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。Highly oriented: large proportion of polymer chains are aligned with the fiber axis 结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定取向度高，结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定取向度高，取向应包括微晶体的取向。除了卷绕丝，一般说来，取

22、向应包括微晶体的取向。除了卷绕丝，一般说来，结晶度高，取向度也高。结晶度高，取向度也高。 2)2)取向度与纤维性能间的关系：取向度与纤维性能间的关系： 纤维的取向度大，大分子可能承受的轴纤维的取向度大，大分子可能承受的轴向拉力也大，拉伸强度较大，伸长较小，向拉力也大，拉伸强度较大，伸长较小，模量较高，光泽教好，各向异性明显模量较高，光泽教好，各向异性明显 。微形态结构：微形态结构：用电子显微镜能观测到用电子显微镜能观测到的结构。如微纤，微孔，裂缝等的结构。如微纤，微孔，裂缝等宏形态结构：用光学显微镜能观测到的宏形态结构：用光学显微镜能观测到的结构。如皮芯结构，表面形态等结构。如皮芯结构，表面形

23、态等。l形态结构与纤维性质密切相关形态结构与纤维性质密切相关 抱合力、可纺性、摩擦性能、粘合性、抱合力、可纺性、摩擦性能、粘合性、光泽、手感、保暖性、吸湿性光泽、手感、保暖性、吸湿性一、纤维素纤维的大分子结构一、纤维素纤维的大分子结构纤维素大分子的基本链结是纤维素大分子的基本链结是- -葡萄糖剩基。葡萄糖剩基。 纤维素纤维大分子中纤维素二糖由相邻纤维素纤维大分子中纤维素二糖由相邻2 2个葡萄糖剩基反向对称、一正一反连接个葡萄糖剩基反向对称、一正一反连接而成，它的空间结构属于椅式结构：而成，它的空间结构属于椅式结构： 结晶结构的最小单元（晶胞）是由五个结晶结构的最小单元（晶胞）是由五个平行排列的

24、纤维素大分子在两个氧六环平行排列的纤维素大分子在两个氧六环的一段上组成的一段上组成：1 1、棉纤维的形态结构、棉纤维的形态结构 棉纤维由外向内是由初生层、次生层和棉纤维由外向内是由初生层、次生层和中腔三个部分组成中腔三个部分组成：（1 1）初生层）初生层 其外皮是一层极薄的蜡质与果胶的淀积其外皮是一层极薄的蜡质与果胶的淀积层，外层之内是纤维的初生胞壁。一般层，外层之内是纤维的初生胞壁。一般认为初生胞壁由原纤呈网状结构组成。认为初生胞壁由原纤呈网状结构组成。初生层很薄，纤维素含量不多。初生层很薄，纤维素含量不多。（2 2）次生层）次生层 次生胞壁占棉纤维的绝大部分。它在棉次生胞壁占棉纤维的绝大部

25、分。它在棉纤维生长期间由外向内逐渐分层沉淀，纤维生长期间由外向内逐渐分层沉淀，形成日轮。次生胞壁也分为三层：外层形成日轮。次生胞壁也分为三层：外层S S1 1，中层，中层S S2 2，内层，内层S S3 3。（3 3）中腔）中腔 棉纤维的中空部分，其内留有少数原生棉纤维的中空部分，其内留有少数原生质和细胞核残余，它对棉纤维颜色有影质和细胞核残余，它对棉纤维颜色有影响响。 棉纤维成熟后截面呈腰圆形，次生胞壁棉纤维成熟后截面呈腰圆形，次生胞壁各个位置上的密度发生变化，微原纤的各个位置上的密度发生变化，微原纤的集积方式也要随之改变，因此原纤的膨集积方式也要随之改变，因此原纤的膨化能力和试剂的可及性都

26、不一样化能力和试剂的可及性都不一样。l麻纤维成束聚集生长在植物的韧皮部或麻纤维成束聚集生长在植物的韧皮部或叶中。单纤维是管状的植物细胞，两端叶中。单纤维是管状的植物细胞，两端封闭。纤维之间用果胶相粘接，经脱胶封闭。纤维之间用果胶相粘接，经脱胶后纤维分离。后纤维分离。l麻纤维具有初生层，次生层和第三层，麻纤维具有初生层，次生层和第三层，其内纤维素分层沉积，纤维素大分子也其内纤维素分层沉积，纤维素大分子也将集成原纤结构将集成原纤结构。l粘胶纤维中纤维素大分子聚集成微原纤，原纤粘胶纤维中纤维素大分子聚集成微原纤，原纤和聚原纤再形成纤维；和聚原纤再形成纤维；l粘胶纤维部分初生层和次生层，没有粘胶纤维部

27、分初生层和次生层，没有“日轮日轮”层。但有皮芯结构和锯齿形截面；层。但有皮芯结构和锯齿形截面；l一般而言，皮芯层凝固速度差别越大，截面形一般而言，皮芯层凝固速度差别越大，截面形状越不规则，皮层与芯层相比，具有较小的结状越不规则，皮层与芯层相比，具有较小的结晶区和无定形区，结构比较均一，溶胀性较小，晶区和无定形区，结构比较均一，溶胀性较小，可能存在亚纤维管空隙，密度较小，取向度较可能存在亚纤维管空隙，密度较小，取向度较高高。一、蛋白质纤维的大分子结构一、蛋白质纤维的大分子结构 蛋白质大分子的基本链节是蛋白质大分子的基本链节是-氨基酸氨基酸剩基依靠肽键连结而成，其化学结构是剩基依靠肽键连结而成，其化学结构是如下图。如下图。lR R基团不同形成的基团不同形成的-氨基酸也不同，有氨基酸也不同，有酸性，碱性和中性