第5章 纤维结构特征1课件

1、第5章纤维结构特征第一节 纤维的基本结构及组成 不同层次的纤维结构 纤维分子链结构 近程结构 构成链节组成 构型链节的空间排列 远程结构 分子量大小及分布、尺寸、构象 纤维聚集态结构分子间结构 结晶和非晶结构 取向与非取向结构 织态结构 纤维形态结构 表观形态、表面结构、微细结构1. 纤维的分子结构（近程结构和远程结构） 构成该纤维成纤高聚物的单个长链分子的原子组成以及这些原子或原子团相互间的在空间的排列状态 近程结构（一次结构、一级结构） （1）链节的组成：原子和键的组成及序列 （2）构型（链节的空间组成）：构造异构体、立体异构体 远程结构（二次结构、二级结构） （1）大小及分布分子量（聚合

2、度）分布 （2）链的尺寸粗细、平均长度 （3）链的构象大分子链的空间形态1.1 纤维的近程链结构 指单个大分子内与基本结构单元有关的结构。 包括结构单元的化学组成 键接方式 构型 支化和交联 共聚物的结构。化纤分类依据：PET、PP、PLA、PAN近程链结构链的类型 碳链高聚物 C PP、PAN、PE 杂链高聚物 C，O、N、S等 PA6、PA66、PET、棉、麻、RAYON、羊毛 主链含有极性集团，易水解、醇解、酸解。 梯形或双螺旋形高聚物 并列长链，碳纤维近程链结构共聚形式 均聚物 高分子只由一种单体反应而成 共聚物由两种以上单体合成 、两种单体的二元共聚物 无规共聚物 交替共聚物 嵌段共

3、聚物 接枝共聚物近程链结构构型 分子中由化学键固定原子在空间的排列 几何异构体 高分子主链上存在双键，双键不能旋转 内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同 顺式构型 反式构型 （a）反1,4不易于结晶，弹性很好，橡胶 （b）顺1,4比较规整，易于结晶，弹性很差，塑料 旋光异构体1,2加成 全同（d)和间同（c）近程链结构旋光异构体 旋光异构体 碳原子的四个价键形成正四面体结构，键角都是10928 当四个取代基团或原子都不一样即不对称时就产生旋光异构体 单烯类高分子近程链结构旋光异构体 每一个结构单元有一个不对称碳原子 每一个链节就有D型和L型两种旋光异构体。 近程链结构旋光异构体 CC链放在一

4、个平面上，不对称碳原子上的R和H分别处于平面的上或下侧。 全同(或等规)立构 当取代基全部处于平面的一侧 间同(或间规)立构 当取代基相间地分布于平面上下两侧 无规立构 不规则分布 聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇近程链结构支化异构 指的是高分子链的支化或交联结构 线形溶解、熔融 交联溶胀 支化中间态 低密度聚乙烯 支链结构 高密度聚乙烯 碳纤维1.2 纤维远程链结构 是若干链节组成的一段链或整根分子链的排列形状。 （1）大小及分布分子量（聚合度）分布 （2）链的尺寸粗细、平均长度 （3）链的构象或内旋转异构体 由于单键内旋转而产生的分子链在空间的不同形态1.2.1 相对分子质量与分布 分子

5、量与性质n分子量性状名称用途116气体，沸点-162甲烷天然气，用于都市燃气等6886114易挥发液体，沸点90120石油英溶剂1822254310半固体，油脂状，沸点300以上凡士林医药、化妆品等2030282422固体，熔点4560石蜡蜡烛等蜡制品20002000028000280000强韧的固体，熔点110137聚乙烯薄膜等分子量与强度 高分子的强度等物性 临界分子量M0开始出现强度。 Ms强度达到一定值。 结晶性好，分子内极性基团多，甚至形成氢键，分子间作用力大的高分子，其M0和Ms值较小。纺织纤维分子量高分子MOMS平均分子量平均聚合度平均链长/nm平均分子量平均聚合度平均链长/nm

6、尼龙666000504024000200160聚对苯二甲酸乙二醇酯8000704230000250160聚丙烯腈150003008545000900255聚乙烯醇150003008545000900255纤维素200001306575000500250聚偏二氯乙烯250002506575000750200聚苯乙烯600006001503000003000750常见聚合物的相对分子质量常见聚合物的相对分子质量塑料塑料相对相对分子质量分子质量/万万纤维纤维相对相对分子质量分子质量/万万橡胶橡胶相对相对分子质量分子质量/万万HDPE6 30涤纶1.82.3天然橡胶2040PVC515尼龙-661.2

7、1.8丁苯橡胶1520PS1030维尼纶67.5顺丁橡胶2530PC26纤维素50100氯丁橡胶1012分子量及其分布 分布的“多分散性” 除了少数天然高分子如蛋白质、DNA等外，高分子化合物的分子量是不均一的。 实际上是一系列同系物的混合物。 分子量实质上都是指平均分子量。 统计平均方法的不同 数均分子量粘均分子量重均分子量600纤维取向因子粘胶 低牵伸(普通粘胶)0.54 高牵伸(强力粘胶)0.88铜氨粘胶0.74苧麻0.97海岛棉0.72陆地棉0.62再生纤维素结构特征 棉、麻纤维缨状原纤 普通粘胶缨状微胞 富强纤维为全芯层结构，存在原纤结构 强力粘胶或粘胶帘子线为全皮层结构 高湿模量或

8、Modal纤维为厚皮层结构纤维素晶格间改变（2）Lyocell纤维 Lyocell纤维是可回收溶剂法制备的再生纤维素纤维。 结晶形式是纤维素 结晶度、晶体粒子大小和取向度高于其他再生纤维素纤维 由结晶的巨原纤和无序但有一定取向排序的大分子构成 在水中有较大的膨润度，并且吸湿膨化后结晶度和取向度会明显变小。 较强的原纤化倾向二、蛋白质纤维 蛋白质纤维的基本组成 氨基酸剩基连接而成的蛋白大分子 氨基酸是哺乳动物组织的基本组成。 羊毛纤维（角蛋白）由25种氨基酸组成，其中胱氨酸（含硫）10%以上。 桑蚕丝素蛋白中，甘氨酸、丙氨酸（侧基小）约70%，丝氨酸和酪氨酸约20%。CNHRCOHOHH*COC

9、RNHHCCONHRH1. 羊毛纤维 根据含硫量： 高硫角蛋白存在于羊毛的无序和基质部分； 低硫角蛋白存在于原纤有序结构中，为典型的螺旋角蛋白。 羊毛角蛋白大分子间依靠分子引力、盐式键、二硫键和氢键等相结合，是多交联的结构，尤其是二硫键(SS)。羊毛纤维形态结构 （1）羊毛正皮质细胞 原纤化结构明显，基原纤微原纤巨原纤细胞 24根肽链组成基原纤 911根基原纤组成微原纤，9+x，7+x，有缝隙和空穴 微原纤在巨原纤中呈环芯分布，堆砌紧密，含硫量低，为结构较完善的结晶杆 巨原纤之间由较多无定形结构分子填充，巨原纤较易裂解分离，总体密度较低羊毛纤维形态结构羊毛纤维形态结构羊毛纤维形态结构 （2）副

10、皮质细胞 基原纤 微原纤 细胞核残留物细胞 为典型的柔性结构 微原纤间相互排列有规整的六角形堆砌，也有无规则或平行的堆砌，沿细胞轴向，时而规整，时而无序，交替出现，无序部分成蜷缩状态 巨原纤之间结构比较紧密，巨原纤不易裂解分离，总体密度较高 正皮质：软皮质 偏皮质：硬皮质 美利努羊：卷曲 马海毛：正皮质 林肯毛：副皮质 偏皮质由水湿到干缩收缩率显著大于正皮质。2. 丝 蚕丝无细胞结构。 大分子也是氨基酸结构，称丝朊或丝蛋白质。 蚕丝丝素是一个集合体，由结晶区（有序平行排列）和非结晶区（低序排列）组成 大分子为伸直-折叠链结构，无二硫键（不含胱氨酸），分子间主要是氢键作用 取向度高丝素蛋白结构丝

11、素结构蚕丝的各层次结构 三、合成纤维结构 1. 涤纶 其大分子链化学结构式为： 链节刚性大 一个苯环、两个酯基和两个亚甲基(CH2)构成。 CH2CH2是柔性链； 苯环使分子链的刚性增大，结晶速率减缓 结构具有高度立体规整性，结晶倾向高。 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。COCOOCH2OCH2n 涤纶纤维的分子及晶格示意图 PET纤维聚集态结构伸直链和折叠链晶体共存的体系 2. 锦纶纤维 (PA) 主要特征是大分子链由酰胺键(CONH)连接 尼龙66： 尼龙6： N(CH2)6NOC(CH2)4COHHn NOCHn (CH2)5PA分子间作

12、用力 锦纶6分子间氢键结合 锦纶66分子间氢键结合尼龙66的晶胞结构图 PA纤维聚集态结构 一般为折叠链，也有伸直链，折叠链结晶是其主要形式，为缨状片晶结构 3. 腈纶纤维 (PAN) 腈纶纤维即聚丙烯腈纤维，其主要重复单元化学式为：CH2CH(CN)。 腈纶在内部大分结构上很独特，呈不规则的螺旋形构象，且没有严格的结晶晶区，属准晶（蕴晶）结构，侧向有序（垂直大分子链方向），有高序排列与低序排列之分。 序态：大分子排列的整齐程度 原因： （1）氰基极性强（同分子相邻排斥，分子间吸引） （2）分子结构中引入第二、第三单体。 4. 丙纶纤维（PP） 根据甲基在链上的排列位置不同，形成不同的立体构型

13、，分为等规，间规、和无规。5. 复合与超细 6. 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 氨纶纤维结构 软硬嵌段共聚高分子化合物 采用二步法形成聚氨酯嵌段共聚物，软链段在常温下受力后可以自由移动，链间作用力很弱氨纶纤维结构 高熔点短硬段与低熔点长链软段嵌段共聚的特殊结构 软链段不具结晶性、分子量较大的低熔点（50以下）聚酯或聚醚长链，组成纤维的无定形区段，分子量20004000，Tg低（-50-70），常温下处于高弹态，分子链卷曲，应力作用下很容易产生形变，纤维容易被拉长 硬链段通过相邻分子链中的氢键构成纤维的结晶区段，硬段长度较短，分子量500700，熔点和Tg高，应力作用下基本不发生形变，防止大分子链间发生滑