纺织材料学课程概况

1、纺织材料学课程概况纺织材料学课程概况主体框架：(教材目录1-13）纤维结构基本知识纤维结构基本知识纤维的改性与改形利用纤维的改性与改形利用 纤维的力学性质纤维的力学性质纤维的物理性能纤维的物理性能 天然长丝纤维天然长丝纤维 天然短纤维天然短纤维 再生纤维再生纤维有机合成纤维有机合成纤维 无机纤维无机纤维差别化纤维差别化纤维纱线结构与性能（成型与结构；形态特征表述；力学性质；二次加工纱线结构与性能（成型与结构；形态特征表述；力学性质；二次加工纱线的成形与结构）纱线的成形与结构）织物结构与性能（织物织物结构与性能（织物成形与结构，服用性能，织物风格）成形与结构，服用性能，织物风格）纤维材料的复合化

2、技术与产业应用纤维材料的复合化技术与产业应用成绩：作业+考勤与笔记笔记+中期考试（30%）；实验20；期末考试纤维材料的发展经历兽皮和树叶御寒遮体最早的服装材料。自然界中很多天然纤维原料棉、毛、丝、麻等。用麻织布大约开始于公元前5000年的埃及；棉花的使用则开始于公元前3000年的印度；我国是著名的丝绸发源地，据诗经礼仪等古书记载，早在商周时代就已有了绫、罗等丝织物。大约在2300年前“制丝”技术已日趋成熟， “丝绸之路”。同时出现了织物染色，吕氏春秋中言“墨子见染素丝者而叹曰：染于苍则苍，染于黄则黄，所入者变其色亦变”。当时染色工匠和染坊已有一定水平。纤维材料的发展经历fibertextil

3、eindustrialdomesticapparelIndustrial Development8000 B.C.flax was used by the Swiss Lake DwellersFlax fabric of 4000 B.C. HuNan Province Before 4000 B.C. Silk was used in China.Silk fabric of 2700 B.C.Zhejiang ProvinceBetween 3500 to 3000 B.C. Cotton fiber and fabrics were used in India and Peru.A c

4、otton blanket used in Song Dynasty, Zhejiang ProvinceAbout 2000 B.C. Domesticated sheep were raised in Mesopotamia.Manufactured by handbefore 500 B.C. in ChinaMachine done by handbefore the 18th century of the Industrial RevolutionIntensive industrializationafter Industrial Revolution(1770-1850)Flyi

5、ng shuttle 1733 John kaySpinning jenny 1767 James HargreavesWater-powered spinning machine 1772 Richard ArkwrightSpinning mule 1779 Samuel Crompton Power loom 1780 Edmund CartwrigtNoImagen中国传统纺织NoImageNoImagen史前时代NoImagen西汉素纱蝉衣NoImagen春秋战国 汉晋NoImagen甘肃河西走廊 敦煌NoImagen宋袍 元华盖 NoImagen清代 清乾隆朝服NoImagen现代

6、丝绸织物NoImagen中国布票5 0多 年 1 0 0 多 年 天 然 纤 维 榜 样 动 物 （ 毛 发 、 分 泌 液 ） 矿 物（ 岩 石 类 ） 植 物 （ 种 籽 、 韧 皮 、 茎 、 叶 、 果 壳 ） 再 生 合 成 纤 维 再 生 纤 维 素 、再 生 蛋 白 质 尼 龙 、 涤 纶 等6 大 类 开 发 利 用 升 级 利 用 麻 、 竹 类 蜘 蛛 丝 溶 解 粉 末 化 基 因 技 术 改 性 类 拉 伸 细 化 劈 裂 分 离 高 湿 模 量 强 力 粘 胶 L y o c e ll ( T e n c e l) 甲 壳 素 聚 乳 酸 ( 玉 米 ) 其 它 组

7、成 化 学 纤 维 如P T T P B T 氨 纶 再再 生生 化化 学学纤纤 维维 等 差 别 化纤 维 高 收 缩 、 弹 性 可 染 色 、 可 吸 湿 异 形 、 复 合 、 超 细 异 形 复 合与 组 合 更 微 细 至纳 米 收 缩 组 合 高 吸 湿 常 温 可 染多 色 谱 色 彩 艳 异 粗 细 异 截 面 仿 生 改 性 表 面 改 性 多 孔 共 聚 共 混 改 性 芳 纶 、 碳 纤 维 、玻 璃 纤 维 、 高强涤、锦、维 纶 高 性 能 纤 维 牛 奶 大 豆 蛋 白 角 蛋 白 U H M P E P B O P E E K 陶 瓷 功 能 化 智 能 化 导

8、 光 导 电 吸 水 过 滤 分 离 相 变 记 忆 变 色 等 高 性 能 复 合 功 能 智 能 化 纤 维 形 、 性 、 能 的 可 控 与 可 变 ， 纤 维 高 性 能 化 和 纤 维 自 适 应 行 为 的 实 现 人 类 应 该 承 认 自 然 界 天 然 纤 维 的 作 用 就 如 同 母 亲 孕 育 了 儿 女 人 类 有 能 力 、 但 还 稚 嫩 ， 会 犯 错 误 ， 应 该 自 律 5 0 0 0 年 ？ 5 0 年 纤维的发展及天然纤维的作用 NoImagen现代纺织设备NoImagen纤维材料应用服装装饰产业用布 造价300万元的航天服NoImagen安全气囊

9、装饰材料NoImagen家居材料NoImageNoImagen产业用布n土工材料NoImageWhich kind of fabric they are?nPORTS 1961 材料材料?具有一定性能具有一定性能，可用来制作可用来制作器件、构件、工具、器件、构件、工具、装置等装置等物品物品的物质。的物质。人类文明、社会进步、科技发展的人类文明、社会进步、科技发展的物质基础和物质基础和技术先导。技术先导。n当代文明的三大支柱当代文明的三大支柱材料、能源、信息材料、能源、信息n 全球新技术革命的全球新技术革命的四大标志：四大标志： 新材料、新能源、信息、新材料、新能源、信息、 生物技术。生物技术。

10、光纤 n零维材料零维材料即超微粒子，大小即超微粒子，大小1100nm的纳米微的纳米微粒。粒。n一维材料一维材料细丝。细丝。n二维材料（薄膜）二维材料（薄膜）用于环保或表面改性的保护膜。用于环保或表面改性的保护膜。n三维材料三维材料即块状材料。即块状材料。 硼氮化合物 材料按材料的尺寸可分为材料按材料的尺寸可分为n纤维纤维的弹性模量较大，约的弹性模量较大，约1091010Pa。n纤维大分子沿轴向作规则排列，长径比较大。纤维大分子沿轴向作规则排列，长径比较大。n常用合成纤维有尼龙、涤纶、腈纶和维尼纶等。常用合成纤维有尼龙、涤纶、腈纶和维尼纶等。硅表面隧道扫描 超导 氮化硅 合成与加工、组成与结构、

11、性质、使用性能合成与加工、组成与结构、性质、使用性能确定了材料学研究的基本内容。确定了材料学研究的基本内容。合成与制备过程合成与制备过程使用性能使用性能性质性质组组成成与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）记忆合金 n(一) 结构与性能的关系n1. 结构：纤维：内部大分子排列形态，外观形态纱线：纤维在纱中配置和空间形态织物：纱线在织物中排列及本身屈曲2. 性能：性能是结构的产物，结构决定性能性能是结构的产物，结构决定性能工艺长度、细度、卷曲物理热、光、电、吸湿化学耐腐蚀（酸碱）机械拉、弯、磨、压服用起毛起球、折皱、缩水(二) 性能与工艺的关系原料性能是制定工艺的依据，

12、工艺是产生结构的手段。 可根据原料性能，采用不同工艺，开发新用途开发新用途，也可根据用途要求，选取不同原料，或制造新原料制造新原料。立体花 纺织工业纺织工业 产品制造的一般过程产品制造的一般过程纺织制造过程是纤维的集合过程。由纤维集合而成的长度可以无限的一维集合体纱线纱线再集合成为面积远大于厚度的二维集合体织物，集合成形织布。纺织包括：（1）织品功能、风格（2）成形为三维（3）纤维直接集合成为织物 第一章纤维结构基本知识一、纺织纤维的特征特征n分子组成分子组成：一般是线形高分子化合物线形高分子化合物n长度：长度：10毫米以上； 短纤维：棉 2545 毫米 毛 50150 毫米 中等长度纤维：

13、蚕丝 8105毫米 长丝：涤纶 模仿天然纤维，有不同的长度和细度，有长丝和短纤维之分 n细度：细度： 棉 1825 微米 毛 1860 微米 纤维的基本知识直径数微米数十微米（或略粗）， L长度 D直径纺织纤维: 强度 可弯曲 可相互抱合 服用性能涤纶第一章第一章 纤维结构基本知识纤维结构基本知识第一节 纤维结构的层次概念（p8)纺织面料面料由一种或几种纱线纱线编织而成，纱线由不同的纤维纺制而成，“织物的基本结构单元是纱线，纱线的基本结构单元是纤维”。纤维由成纤高聚物所构成。一、纺织纤维的结构层次纤维的链结构或分子结构：纤维的链结构或分子结构：成纤高聚物均有不同的化学结构化学结构及长链分子长链

14、分子，有不同的空间排列位置空间排列位置。纤维的聚集态：纤维的聚集态：结构处于平衡态时，大分子链相互间的几何链相互间的几何排列及结构形态排列及结构形态。纤维的链结构纤维的链结构:长链分子的化学结构、化学异构与立体的异构、链的长度及构像（链的形态）。链结构决定纤维各种理化性能决定纤维各种理化性能如吸湿性、对温度的稳定性、对化学试剂的稳定性、对日光一大气的稳定性等。 成纤高聚物的结构要求:p9一定的长度和细度，较高的长径比;分子排列有一定的取向度或各向异性，有形成部分结晶结构的能力；线型长链分子，支链较短，侧基要小第二节 纤维的分子链结构 链节：链节：长链分子中化学组成的最小重结构单元。聚合度聚合度

15、:重复结构单元数。高聚物的结构高聚物的结构结构层次结构层次链节的化学组成链节连接方式伸直链无规线团折叠链螺旋链无规线团圆球通心粉体缨状胶束折叠链高分子晶体螺旋绞链其他一次结构（高分子的链结构）一次结构（高分子的链结构）二次结构（高分子链的形态）二次结构（高分子链的形态）三次结构（聚集态结构）三次结构（聚集态结构）链的几何异构几何异构:p9 基团在双键两侧排列方式所形成的结构。纺织纤维基本上由碳原子组成，线型大分子作为主链。如果主链上存在双键双键，组成双键的两个碳原子同时被两个不同的两个不同的原子或基团取代原子或基团取代时，那由于内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同即可以有顺式和反式顺式和反式

16、构型之分，被互称为几何异构体几何异构体。当由丁二烯的衍生物进行聚合时，它可能产生如下三种不同的加成产物：1，2加成产物：3，4加成产物：1，4加成产物：链的键接异构p10 ： 结构单元在高分子链中的不同连接方式。单体单元的键合方式影响成纤高聚物的性能，尤其是化学性能。凡用作纤维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排列规整分子链中单体单元排列规整，以提高其结晶度和强度。链的支化异构p10 ： 某些高分子链上存在的支化或交联结构。高分子链之间通过化学键或链段连接形成的是一个三维的网状大分子，即为交联高分子。交联度用网链长度、交联点的密度表征。低密度聚乙烯与高密度聚乙烯在链结构方面的主要差异，就在于

17、后者因不具有支链。 链的旋光异构P11: 凡具有不对称碳原子的有机化合物，均可呈现两种互成镜象的不同构型，主体结构上出现异构现象。（五）链的序列结构高聚物的长链分子中的两个或两个以上的结构单元在长链中的分布不同，形成的链的排序。序列结构类型： 无规共聚物 AABABBBAABA 交替共聚物 ABABABABAB 嵌段共聚物 AAABBBAAABBB 接枝共聚物 AAAAAA I I B B I I B B纤维分子链结构的测量与表征P141元素分析法元素分析法对成纤高聚物的碳氢两种元素定量分析，判明碳氢含量。 2红外吸收光谱法红外吸收光谱法对高聚物的官能基及各种成份吸收带强度进行定量分析。 3紫

18、外与可见光谱法紫外与可见光谱法主要是在10-400nm紫外吸收光谱范围及400800nm可见光范围内，测定具有不饱和链及不对称电子的分子。 4核磁共振光谱法核磁共振光谱法主要是测定在外部磁场作用下，分子内部发生化学位移的核群及吸收带，以及相邻核的信息。5分子量及其分布的检测分子量及其分布的检测对分子量分布进行测量的方法大致有两类：一种是采用沉淀分级法、溶解分级法、管柱法等分级测定方法；另一种是以凝胶渗透色谱法（GPC）、浊度法、超速离心法等直接测量的方法。高聚物聚集态结构（根据分子排列情况不同分类）高聚物聚集态结构（根据分子排列情况不同分类）单晶折叠链片晶球晶其他无规线团链结链球取向态结构织态

19、结构 线型梳型 支链型蓖型高分子链的几何形状 网型星型 梯型 体型纤维的聚集态结构: 纤维大分子链之间的作用与堆砌方式之间的作用与堆砌方式，又称为超分子结构或凝聚态结构。晶态结构晶态结构非晶态结构非晶态结构其他结构其他结构第三节 纤维的聚集态结构P15一、纤维的结晶结构P15（一）成纤高聚物的结晶形态结晶结构结晶结构: 成纤高聚物分子链以整齐有序的方式排列整齐有序的方式排列，分子链上各基团或原子处于三维空间的某一位置或区域，形成较规则有序规则有序且相对稳定相对稳定的点阵排列点阵排列结构，有较大的内聚能密度和明显的转变温度。结晶区:具有结晶结构的区域。成纤高聚物的结晶模型P17“两相结构” 。高

20、聚物中必同时存在同时存在着晶区和非晶区两部份，一个高分子链可以贯穿几个晶区与非晶区晶区与非晶区，晶区尺寸很小（10nm左右），在晶晶区区，分子链规则排列，在非晶区非晶区，分子链则完全是无规堆砌。晶格：（图晶格：（图1-6）在分子排列规整的结晶区中，各分子上的原子、原子团和基团都应该分布在一定的位置上，这些质点（即上述原子、原子团、基团）通过这样的整齐排列所形成的空间格子整齐排列所形成的空间格子。单胞或晶胞：单胞或晶胞：构成这些空间格子的基本单元。n结晶结构对纤维性能的影响P19n随着纤维结晶度的增大，长链分子间的敛集密度将随之增大，纤维的性能，如比重、断裂强度、初始模量、尺寸稳定性比重、断裂强

21、度、初始模量、尺寸稳定性等都会有所提高，但纤维的染色性染色性将有所下降。n结晶度对于纤维回弹性和疲劳强度等的影响比较复杂。n二、纤维的非晶结构P20n成纤高聚物中分子聚集状态呈不规则排列的区域称为非晶区非晶区（或称为无定形区），其结构为非晶结构非晶结构。n（一）非晶态结构模型n非晶区的结构形式： A 无规线团无规线团模型：非晶态高聚物分子链间无规缠结； B 结晶区内的分散性缺陷结晶区内的分散性缺陷：纤维结构中的无序区由结晶区的缺陷所形成，导致高聚物结构的局部不规整。侧序结构侧序结构：无严格结晶非晶界限，分子排列有规整程度之分的结构。非晶结构是导致纤维强度降低、变形增大但吸湿和染色性变好主要原因

22、，它也会使纤维的一些物理性能（如电学、声学、热学、光学性能等）表现出有随温度变化而产生较大差异随温度变化而产生较大差异的特点。 n三、纤维的取向结构P21n取向度：取向度：纤维的大分子链节与纤维轴的平行程度。n取向度的高低主要影响纤维的强度和模量主要影响纤维的强度和模量，取向度高的纤维，强度和模量均会提高，取向度高也同时有利于提高纤维的结晶度，但结晶度高的纤维不一定同时也有较高的取向。n四、纤维聚集态结构的测量与表征P22n成纤高聚物大都属于“半晶高聚物半晶高聚物”，即具有一定结晶度的高聚物。其结晶结晶度的大小、晶区的分布、结晶形态度的大小、晶区的分布、结晶形态等对纤维的各项性能都有重要影响，

23、特别是力学性能、染色性能和水分的扩散性能力学性能、染色性能和水分的扩散性能受影响很大。n反映纤维结晶结构的主要指标有结晶度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区结晶度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区分布及非晶区结构分布及非晶区结构等。结晶度是使用得最多的指标，它是指纤维中结晶部分占纤维整体的百分比，在01之间。n常用的结晶度测定方法有密度法、X射线衍射法、差热分析法、红外光谱法、核磁共振法、化学吸附法及重水交换法等。 大分子结构对纤维性能的影响大分子结构对纤维性质的影响单基的化学结构、官能团的种类大分子上亲水基团的多少和强弱纤维的耐酸、耐碱、耐光以及染色等化学性能。纤维的吸湿性大分子的聚合度纤维的力

24、学性质，特别是拉伸强度。聚合度达到临界聚合度时，纤维开始有强力。纤维强力随平均聚合度的增大而增大。当聚合度增大到一定值时，纤维强力不再增大。大分子的柔曲性影响纤维的弹性、柔软性和变形能力。决定决定决定超分子结构对纤维性能的影响结晶度的大小纤维的吸湿性、染色性、密度、力学性质取向度纤维的强度和伸长。取向度高时，纤维强度较大，伸长能力较小。五、 纤维微观结构(1). 大分子，数百至数万原子组成； 直线形长链； 链节 “单基”；聚合度：一根大分子中单基数量 (2).大分子结合力种类作用距离 作用能量 J/ mol分子引力35 (又称范德华力)2.123氢键2.33.25.442.7盐式键0.92.7

25、126209.3化学键0.91.9209.3837.36(3)大分子的结晶态和非结晶态结晶态结晶态: 整齐有规律的点阵排列结构非结晶态非结晶态: 排列紊乱，堆砌疏松，无定形取向度取向度：大分子排列排列方向与纤维轴向轴向的复合程度结晶度结晶度： 结晶区的体积占纤维总体积的百分数 (4) 原纤的层次结构P244.1.单分子：单分子：直线链状4.2. 基原纤基原纤（proto-fibril或elementary fibril） 原纤中最小的结构单元。由几根或十几根长链分子、相平行地，按一定距离、一定相位、比较稳定地结合在一起组成的大分子束，直径为13nm（1030），具有一定的柔曲性。 微原纤微原纤

26、(microfibril): 若干根基原纤平行排列组合形成的大分子束。微原纤内，基原纤间亦可存在缝隙和空洞，天然纤维还可能掺填一些其他成分的化合物。微原纤的形成，一方面依赖于基原纤间分子间力，另一方面借助于贯穿两个以上基原纤之间的大分子链的纵向连接。 原纤原纤(fibric): 若干根微原纤大致平行组合形成更为粗大的大分子束。原纤中存在着更大的缝隙和空洞，还有序态较差的非晶态部分。和微原纤一样，也是依赖于分子间力和大分子链的纵向连接。 原纤结构中会出现一些晶区和非晶区不规则交替的状态，它的尺度已接近于光学显微镜可分辨的极限。 巨原纤巨原纤(macrofibril) 由多个原纤堆砌在一起组成的更

27、大分子束。原纤之间的联结主要靠穿越非晶区的大分子主链和一些其他的物质。巨原纤的横向尺寸一般为0.11.5（10001500），普通光学显微镜可看到。纤维纤维: （P24） 在每根纤维中，存在着多重微纤维状的结构单元，它们尺寸大小、排列状态不尽相同，巨原纤之间的联结应较为疏松，同时也必然包含更多更大的缝隙和空洞。纤维性质的描述：(1)纤维形态：纤维形态：截面及长轴方向形状、纤度、长度、卷曲数。(2)物理性质物理性质：比重、吸湿性、透气性、导热性、回潮率、融点、热反应、热收缩率、光学性、耐候性等。(3)纤维力学性质（机械性质）纤维力学性质（机械性质）: 强度、延伸性、弹性、拉伸抵抗性等。(4) 纤

28、维的热性质: 阻燃(5)化学性质化学性质：聚合度、分子量、含杂量、染色性、化学稳定性、耐化学药品性及燃烧性等。(6)耐生物性质耐生物性质： 耐虫蛀、菌侵蚀等。硅胶远红外发热线、加热线硅胶远红外发热线、加热线 纤维成形概述一、天然有机纤维的成形 天然有机纤维主要是棉、麻、丝、毛，它们几乎占有机纤维总量的一半以上，这四种纤维都是生物体的产出物，均为可持续发展的产业资源。1棉纤维 由胚珠（即成熟棉籽）的表皮细胞，经过生长中的伸长加厚胚珠（即成熟棉籽）的表皮细胞，经过生长中的伸长加厚而形成的，每一根棉纤维是一个植物单细胞。属于种子纤维。2麻纤维 由植物的韧皮细胞和叶细胞生长形成。亚麻纤维的每根单纤维就

29、是一个单细胞，2030根这样的单纤维（单细胞）组合成一组亚麻纤维束，在麻茎的四周均匀布置，2040个这样的纤维束，形成一个环状的纤维层。3毛纤维 生成在动物皮肤表面下成梨状的毛乳头中，这也称为毛囊。毛纤维随细胞分裂而不断生长，并逐渐角质化角质化，到伸出皮肤表面时，已完全角质化为一根纤维。4蚕丝纤维 主要依靠绢丝腺的纺丝器官完成。绢丝腺的后部丝腺的整个细胞质中充满着和丝素纤维的合成及分泌有关的细胞器，成为“纺丝液”，或称“液状绢”。液态丝素被从蚕体中吐出后，随腺体给予的切变速度及蚕儿头部的牵引，以及脱水、凝固被细化成长丝纤维。是一个液晶纺丝成形过程。二、再生有机纤维的成形二、再生有机纤维的成形

30、是指无纺织纤维功能的天然有机物通过改形生成的纺织纤维。改形可以是物理或化学过程，改后仍然是和天然有机物有相同化学结构的有机物，所改变的是纤维的形态结构与聚集态结构。1再生纤维素纤维再生纤维素纤维 以天然纤维素物质为原料再生形成的纺织纤维。原料可以是已有纤维形态的，如棉短绒，和没有纤维形态的，如木材、竹材、芦苇等纤维素物质，它们的基本化学组成都是葡萄糖。 改形方法：固态的天然纤维素转换为液态的纺丝液，采用溶解的方法，主要的溶剂是碱和有机溶剂，然后通过化学反应再将溶剂析去，还原成为原来的天然纤维素物质，再凝固拉细成为纺织纤维。 常用的再生纤维素纤维有粘胶纤维、铜氨纤维、绿塞纤维。这种纤维因为仍然是天然物质的结构，所以服用性能比较优良，价格也较低。2再生蛋白质纤维 以天然蛋白质物质为原料。原料可以是已有纤维形态的，如废蚕丝、废毛，和没有纤维形态的，如酪朊蛋白、蛹蛋白、大豆蛋白等蛋白质物质，它们的基本化学组成都是氨基酸。 目前，这种纤维几乎都没有工业化生产的规模，主要原因是天然蛋白质价格很高，纺织品很难承受再生后纤维的性价比，而价格较低的天然蛋白质大多成纤能力不行，不能用做纺织纤维。 天然蛋白质物质和人体同属一种基本化学组成，通过改形再生形成生物医用材料的应用，正在得到拓展，如用作填补材料、支架材料，这个领域可以承受研究性的生产规模和