第8章纺织材料的热学、光学和电学性质

1、第8章 纺织材料的热学、光学和电学性质 纤维部分第1节 纺织材料的热学性质 1.比热比热 定义：单位质量的材料，温度升高(或降低)1所需要吸收(或放出)的热量。 反映材料温度变化的难易程度 材料的冷暖感 影响因素 （1）水分 水的比热容大于干燥纤维的，故实际纤维材料的比热容与纤维材料的回潮率有关1.比热比热 （2）温度的影响 当纤维回潮率一定时，温度愈高，纤维回潮率的比热愈大 原因：纤维吸湿热随温度升高而增大0.511.522.53010203040回潮率(%)比热(J/g) 80 40 20 02. 导热系数 当材料的厚度为1m，两侧温差为1时，1秒钟内通过1m2纤维材料传导的热量焦耳数 纤

2、维集合体是纤维与空气共同构成的复合体 存在三种传热方式； 存在水分的吸收与释放的潜热形式QdT1T2 (T2 T1)S影响纤维集合体导热系数的因素 纤维因素 （1）纤维的结晶与取向 （2）纤维的细度和中空度 纤维细度越细，纤维制品的热辐射穿透能力越弱； 纤维的中空度越大，越小影响纤维集合体导热系数的因素 集合体因素 （1）纤维排列方向f热辐射方向纤维层方向导热系数影响纤维集合体导热系数的因素 (2) 纤维集合体密度 静止干空气的导热系数最低，故其导热系数取决于纤维中的孔隙量及孔隙中气体的流动性 在体积质量为0.030.06时导热系数为最小 为什么？为什么？00.050.10.150.20.25

3、体积重量()导热系数两端压差大两端无压差静止空气影响纤维集合体导热系数的因素 （4）环境因素 温度上升，纤维分子的热运动频率升高，热量传递能力增强 湿度，水的导热系数约为干纤维的几倍到一个数量级思考 如何选择夏季织物纤维材料 如何选择冬季织物纤维材料3. 热作用时的纤维性状 3.1 力学状态转变 随着温度升高，纤维强度下降，延伸性增大，模量降低 热塑性纤维：在较高温度时发生软化、熔融的纤维 涤纶、锦纶、丙纶、醋酯纤维 非热塑性纤维：在较高温度时不发生熔融而直接发生分解、炭化的纤维 纤维素类纤维和蛋白质纤维热机械曲线 测量纤维的伸长变形和弹性模量随温度变化的曲线玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹

4、转变区交联型分子Tg()Tf()(a)Tg()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)纤维材料热力学状态 非晶态高聚物曲线上存在三态：玻璃态、高弹态和粘流态；二区：玻璃化转变区和粘弹转变区 完全结晶的高聚物，不存在玻璃化转变及高弹态 纤维材料几乎都是晶态和非晶态混合的两相结构 当结晶度较低时，纤维的性质接近非晶态高聚物所特有的力学三态及其转变特征 随结晶度的增大，玻璃化转变和高弹态的特征在减弱3.2 力学状态及其转变的机理 (1)玻璃态 运动特点 低温，分子热运动能低，链段处于被“冻结”状态 侧基、链节和短小支链等小运动单元的局部振动及键长、键角的变化 力学特征 纤维弹

5、性模量很高，变形能力很小，具有虎克体行为 纤维坚硬，类似玻璃热力学状态 （2）玻璃化转变区 在35范围内，几乎所有物理性质均发生突变 运动特点 温度升高，分子链段开始解冻，热运动能足以克服主链的内旋转位垒绕主链轴旋转，分子构象发生变化 对应的温度范围称为玻璃化温度，用Tg表示 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热力学状态 （3）高弹态 运动特点 大分子链段可以运动的状态，但没有分子链的滑移，整个分子链仍处于冻结状态 分子链可以通过主链上单键的内旋转和链段运动来改变构象，适应外力作用，分子链被拉直 解除外力后，被拉直的分子链又可以恢复原来的卷曲状态 力学特征

6、有较大的变形和恢复能力热力学状态 （4）粘弹转变区 运动特点 分子链能够发生整体位移，纤维表现流动性，模量迅速下降，形变迅速增加 对应的温度范围称为流动温度，用Tf表示 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热力学状态 （5）粘流态 大分子链段运动加剧，大分子链间发生相对位移，产生不可逆变形，纤维呈现粘性液体状3.3 常见纺织纤维的三态转变温度纤维玻璃化温度Tg()软化点Tm()熔点Tf()分解点Td()熨烫温度()棉230150200羊毛60或8063.1135180蚕丝150160麻253100粘胶260300110醋酯186195205290300110锦纶64

7、7, 65180215125145锦纶6682225253300120140涤纶80, 67, 90235240256160腈纶90190240280300130140维纶85干: 220230 水: 110干: 150丙纶-35145150163175100120氯纶829010020030403.4 热定形与变形 热定形目的是使纤维的内部结构或织物形状在热作用下固定并获得一定的尺寸 变形是使纤维材料获得卷曲和膨松的效果 3.4.1 热定形及其机理 (1)合成纤维 采用高于玻璃化温度，低于晶体熔融温度的热处理 主要是针对无定形区大分子 通过分子链内旋转，调整分子构象，消除纤维局部内应力，产生

8、或增加少量结晶 冷却后，上述结构保留下来，并在温度不超过定形温度时状态保持不变热定形 （2）棉、麻类纤维 无热定形机制 力学松弛过程 （3）羊毛类 二硫键（无序区）热、湿和张力，新位置重建，分子间结构稳定 （4）蚕丝 丝胶，起定形固化作用热定形 3.4.2 热定形效果的持久性 永久性：Tg温度高于一般使用温度 涤纶、锦纶 暂时性：棉、麻 半永久性：羊毛 3.4.3 热定形的方法 根据收缩程度：张力定形和松弛定形 根据加热形式：干热空气、接触、水蒸气湿热和浴液定形3.4.4 影响热定形效果的主要因素 （1）温度 温度太低，分子链段无法运动，构象无法改变 温度太高，纤维及其织物颜色变黄，手感发硬

9、定形温度不能超过熔点温度 不允许超过Tm， Tm ，结晶消失 其他：染料升华，结晶度几种纤维织物的常用热定形温度几种纤维织物的常用热定形温度 纤维品种热定形温度()热水定形蒸汽定形干热定形涤纶120130120130190210羊毛90100100120130150锦纶66100120110120170190腈纶125135130140丙纶100120120130130140影响热定形效果的主要因素 （2）时间 纤维升温的需要 分子链段调整的需要 （3）张力 织物平整度的需要 织物风格：滑爽挺括大；厚而柔软小 （4）冷却速度 快，位置固定快，无定形区多，柔软、富有弹性，并便于染色 慢，结晶颗粒

10、粗大，织物弹性下降、手感变硬 （5）定型介质 水增塑剂3.4.5 热变形加工 利用热塑性原理 速度更快，温度偏高，张力较大 温度可能超过熔点 特征：局部性；聚集态结构变化；空间形态改变4. 纤维的耐热性 耐热性指纤维耐短时间热作用后力学性能的保持性 热稳定性纤维在热作用下的结构形态和组成的稳定性 4.1 纤维的耐热性纤维的耐热性 （1）纤维受不同温度但一定时间作用后，纤维力学性能的保持率 （2）纤维随温度升高而强度降低的程度表示力学性能保持率纤维在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100622

11、6126蚕丝1007339粘胶10090624432锦纶10082432113涤纶100100969575腈纶1001001009155玻璃纤维1001001001001004.2 形态的稳定性 在温度作用下纤维外观形态的稳定，主要指纤维的热收缩性 原因：高牵伸形成的分子取向与伸直状态，在热作用下解序收缩所致 表征：热收缩率，可分为沸水收缩率、热空气收缩率和饱和蒸汽收缩率之分 影响因素：牵伸倍数、温度、介质的影响（水分） 影响对象：织物尺寸稳定性、外观，开发产品 收缩率(%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PA6 PA66 PET 纤维品种 沸水 饱和蒸汽 热空气 图 7-10

12、合成纤维的热收缩率 4.3 抗熔孔性 织物在接触到点状热体时，形成孔洞的性能 热体类型：烟灰的火星、火花等 纤维特点：受热软化、熔融热塑性纤维 原因：当接触到温度超过其熔点的热体时，接触部位因吸收热量而熔融，熔体向四周收缩，形成孔洞； 现象：热体脱离，已熔断的纤维端就相互粘结，孔洞不再继续扩大。抗熔孔性形成熔孔条件：（1）温度高于纤维的熔点或分解点（2）足够的热量（与时间有关）吸收热量差别的原因：纤维吸湿性（水的比热4.18）导热性差异：涤纶、锦纶导热快纤维升温范围（）吸收热量（J/g） 比热（ J/g ）棉50280293.11.211.34羊毛50250397.81.36涤纶5025011

13、7.21.34锦纶50220146.21.84测定方法 （1）落球法 ：热球接触落下 表征：最高温度或其1/10，停留时间 抗熔性大于450是良好的。 （2）烫法：热体接触 表征：接触状态 或用纸烟，出孔时间抗熔性能 影响因素 （1）混纺纤维的种类和比例 （2）织物的平方克重与组织5. 纤维的燃烧性质 纤维遇明火使其快速热降解，并分解物持续燃烧，维持纤维的裂解、燃烧和炭化过程 5.1 评价指标 （1）极限氧指数（耐燃性指标） 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%100222NOOVVVLOILOI与纤维燃烧性能分类分类LOI(%)燃烧状态纤

14、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、PBO、PBI、PPS纤维难燃2634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2026可点燃，能续燃，但燃烧速度慢涤纶、锦纶、维纶、羊毛、蚕丝、醋酯纤维等易燃20易点燃，燃烧速度快丙纶、腈纶、棉、麻、粘胶纤维等纤维的燃烧性质 （2）点燃温度、燃烧时间和燃烧温度（燃烧性指标） 点燃温度纤维产生燃烧所需的最低温度，是燃烧的激发点温度，称着火点温度 燃烧时间纤维放入可燃环境中，观察纤维从放入到燃烧所需的时间 燃烧温度材料燃烧时，火焰区中的最高温度值主要纺织纤维的燃烧性比较主要

15、纺织纤维的燃烧性比较 纤维TI（）TB（）LOI(%)棉40086020.1粘胶42085019.7醋酯47596018.6三醋酯54088518.4羊毛60094125.2锦纶653087520.1锦纶66532涤纶45069720.6腈纶56085518.2丙纶57083918.6阻燃棉3707102630Nomex4302730kynol430; 57625002930杜勒特35385.2 纤维阻燃途径 原理：阻止或减少热分解、隔绝或稀释氧气、快速降温 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

16、纤维的难燃性。第2节 电学性质 1. 导电性质比电阻 （1）体积比电阻（v ，cm） 体积比电阻是指单位长度上所施加的电压U，相对于单位截面上所流过的电流I之比，其值是电阻率，单位cm。比电阻 （2）表面比电阻（S ，） s是单位长度上的电压（U/L）与单位宽度上流过的电流（I/H）之比，单位欧姆 纤维柔软细长，体积或截面积难以测量 通常纤维导电主要发生在表面 （3）质量比电阻（m，g/cm2） 单位长度上的电压（U/L）与单位线密度纤维上流过的电流(I/(W/L)之比，单位是欧姆克厘米2(g/cm2)。影响纤维比电阻的因素 （1）回潮率：Wm KMnm影响纤维比电阻的因素 （2）温度 T，导

17、电性能增加 纤维和杂质等电离的电荷数增多，纤维体积增大 每升高10，比电阻约降低5倍左右影响纤维比电阻的因素 （3）纤维上的附着物 油剂、棉蜡、油脂、表面活性剂 （4）其他因素 电压 测量时间 电极材料2. 介电性质 介电现象是指绝缘体材料(也叫电介质) 在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象。 介电常数在电场中，由于介质极化而引起相反电场，将使电容器的电容变化，其变化的倍数。0rCC常见纺织纤维的介电常数纤维介电常数棉18羊毛5.5粘胶纤维8.4粘胶丝15醋酯短纤维3.5醋酯丝4.0锦纶短纤维3.7锦纶丝4.0涤纶短纤维，去油2.3涤纶短纤维4.2腈纶短纤维，去油2.8材料或纤维介电常数

18、材料或纤维介电常数棉6涤纶3.02羊毛6锦纶4蚕丝4.2水8081粘纤7.7真空1醋纤3.56.4空气11KHZ 50HZ影响大小的因素 （1）内因 电介质的密度：体积重量或密度愈大，纤维间的空气量，； 极化率：纤维分子极化程度，； （2）外因 温度：T； 频率：用直流电压，最大；f； 回潮率：W，（水的最大）介电常数的影响因素3. 纺织材料的静电纺织材料的静电 静电现象是指不同纤维材料之间或纤维与其它材料之间由于接触和摩擦作用使纤维或其它材料上产生电荷积聚的现象。织物表面比电阻s ()21010210112101221013210142101521016电荷半衰期t1/2(S)0.010.11.010100100010000lgs ()1312131112101110抗静电作用没有很少中等相当好好静电的影响 （1）生产 纺、织部静电压500v 地毯和整理加工羊