纺织材料学第二章

1、第二章第二章 纤维结构概述纤维结构概述 研究纤维结构的目的：研究纤维结构的目的：n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；n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。 材料的结构决定材料的性质纤维结构纤维结构 v大分子结构大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、聚合：化学组成、单基结构、端基组成、聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等v聚集态结构聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、取：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、取向度、侧序分布等向度

2、、侧序分布等v形态结构形态结构：纵横向几何形态、径向结构、表面结构、：纵横向几何形态、径向结构、表面结构、孔洞结构等孔洞结构等v前两者为微观结构，后者为宏观结构前两者为微观结构，后者为宏观结构纤维结构层次示意图纤维结构层次示意图微观形态结构宏观形态结构纤维的结构层次纤维的形态结构（三级结构）第一节第一节 纺织纤维的大分子结构（一纺织纤维的大分子结构（一级结构）级结构） 纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤维、纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤维、金属纤维）等外，绝大多数都是金属纤维）等外，绝大多数都是高分子化高分子化合物合物（即高聚物）（即高聚物）, ,分子量很大。分子量很大。一、链结构n近程结

3、构（一级结构）：研究纤维的近程结构（一级结构）：研究纤维的化学组成化学组成（构造和构型构造和构型）1.构造：构造：即骨架，分子中的原子和键的序列。即骨架，分子中的原子和键的序列。 1）链节：）链节： 结构单元的化学组成结构单元的化学组成由什么元素组成由什么元素组成 结构单元的键接方式结构单元的键接方式单双键单双键 2）主链：指纤维大分子共聚物的）主链：指纤维大分子共聚物的序列序列结构、结构、支化支化形态形态 和和交联交联。对高分子的性能有影响。对高分子的性能有影响。 3）官能团：端基和侧基）官能团：端基和侧基结构单元结构单元主链主链侧链基团侧链基团 或或 取代基取代基e.g. Polyviny

4、l Chloride - PVCH2CCHCln聚合度聚合度单基的化学结构、官能团的种类决定了纤维的耐酸、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、染色性等，单基中极性官能团的耐碱、耐光、吸湿、染色性等，单基中极性官能团的数量、极性强弱对纤维的性质影响很大。数量、极性强弱对纤维的性质影响很大。常用纤维的单基常用纤维的单基n纤维素纤维：纤维素纤维： -葡萄糖剩基葡萄糖剩基n蛋白质纤维：蛋白质纤维： -氨基酸剩基氨基酸剩基n涤纶：对苯二甲酸乙二酯涤纶：对苯二甲酸乙二酯n锦纶：己内酰胺锦纶：己内酰胺n丙纶：丙烯丙纶：丙烯n腈纶：丙烯腈腈纶：丙烯腈近程结构（一级结构）2.构型：构

5、型：通过通过化学键化学键固定的固定的原子空间排列原子空间排列。 1）立体异构（旋光异构）立体异构（旋光异构） 空间立构空间立构若正四面体的中心若正四面体的中心原子上四个取代基是不对称的原子上四个取代基是不对称的（即（即四个基团不相同四个基团不相同）。此原子）。此原子称为不对称称为不对称C原子，这种原子，这种不对称不对称C原子原子的存在会引起异构现象，其的存在会引起异构现象，其异构体互为镜影对称，各自表现异构体互为镜影对称，各自表现不同的旋光性，故称为不同的旋光性，故称为旋光异构旋光异构。两者互为旋光异构体H2CCH2XHHXCH2H2CCC三种类型Isotactic 全同立构全同立构Atact

6、ic 无规立构无规立构Syndiotactic 间同立构间同立构高分子全部由一高分子全部由一种旋光异构单元种旋光异构单元键接而成。分子键接而成。分子链结构规整，链结构规整，可可结晶。结晶。两种旋光异构单两种旋光异构单元交替键接而成。元交替键接而成。分子链结构规整，分子链结构规整，可结晶可结晶。两种旋光异构单两种旋光异构单元无规键接而成。元无规键接而成。分子链结构不规分子链结构不规整，不能结晶。整，不能结晶。n立体异构不同材料性能不同立体异构不同材料性能不同 全同聚苯乙烯：结构规整，能结晶，熔点全同聚苯乙烯：结构规整，能结晶，熔点240。 无规聚苯乙烯：不能结晶，熔点无规聚苯乙烯：不能结晶，熔点

7、80。 全同或间同聚丙烯：结构规整易结晶，可全同或间同聚丙烯：结构规整易结晶，可纺丝成纤。纺丝成纤。 无规同聚丙烯：不能结晶，是胶状粘弹体。无规同聚丙烯：不能结晶，是胶状粘弹体。2）几何异构（顺反异构）n几何异构几何异构内双键上的基团在双键两侧内双键上的基团在双键两侧排列方式不同而引起的异构（因为排列方式不同而引起的异构（因为内双键内双键中键是不能旋转的中键是不能旋转的）。）。Cis-顺式顺式Trans-反式反式n几何异构对材料的性能有影响几何异构对材料的性能有影响 顺丁橡胶顺丁橡胶分子链间距大，结晶性差，分子链间距大，结晶性差，低温性低温性能好能好 (Tg= -110 ，Tm=2 ）弹性大，

8、滞后）弹性大，滞后生热低、压缩变形小、耐磨性能优良、老化性生热低、压缩变形小、耐磨性能优良、老化性能好；但能好；但 拉伸应力、硬度、拉伸强度、撕裂拉伸应力、硬度、拉伸强度、撕裂强度较差。强度较差。 反式聚丁二烯反式聚丁二烯由于结构对称，极易结晶由于结构对称，极易结晶(Tg= -80, Tm=148 ） ，为坚硬塑料。，为坚硬塑料。 远程结构（一级结构）n主要研究：主要研究：分子的分子量、分子量分布、构象分子的分子量、分子量分布、构象及柔顺性及柔顺性 1.1.聚合度聚合度定义：构成纤维大分子的单基的数目，或一定义：构成纤维大分子的单基的数目，或一个个 大分子中的单基重复的次数（大分子中的单基重复

9、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聚合度合度常用纤维的常用纤维的n n：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 300-600 300-600涤纶涤纶 130 130 晴纶晴纶 100010001500 1500 维纶维纶 n n1700 1700 丙纶丙纶 n n310-430 310-430 一根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 高聚物大分子的高聚物大分子的多分散性多分散性。Mo

10、lecular weight distribution2.平均分子量的定义平均分子量的定义假设一个高聚物总共有假设一个高聚物总共有 n个分子个分子 质量为质量为w其中分子量大小不同的有其中分子量大小不同的有nimmmmm321对应分子量为对应分子量为 的分子数有的分子数有iMninnnnn321分子量为分子量为 的质量是的质量是iMniwwwww321分子量为分子量为 的分子的质量占总质量的分数为的分子的质量占总质量的分数为iMWwWwWwWwWwni321分子量为分子量为 的分子数占总分子数的分数为的分子数占总分子数的分数为iMNnNnNnNnNnni321则这些量之间存在下列关系：则这些量

11、之间存在下列关系：nniiwwiiiiNnniiWww1iiNiiW1iiiMnw 常用的统计平均分子量有以下几种：常用的统计平均分子量有以下几种：（1）数均分子量）数均分子量 ：以数量为统计权重的平均分子量。：以数量为统计权重的平均分子量。iiiiiiiinMNnMnnwMnM（1-1）（2）重均分子量）重均分子量 ：以重量为统计权重的平均分子量。：以重量为统计权重的平均分子量。wMiiiiiiiiiiiiiiwMWwMwMnMnM2（3）z均分子量均分子量 ：以：以z值为统计权重的平均分子量。值为统计权重的平均分子量。zM232iiiiiiiiiziiiiiiiiz MwMn MMzwMn

12、 M（4）粘均分子量）粘均分子量 ：用稀溶液粘度法测得的平均分子量。：用稀溶液粘度法测得的平均分子量。M1/111aiiiiiiiiiiiMn MMn MMn Mn M（1-2）（1-4）（1-3）iiiZwM定义 这里的这里的a是指特性粘数分子量关系式是指特性粘数分子量关系式 中的指数。中的指数。 aKM定义1iiin M一般情况下有：一般情况下有：zwnMMMM分子量的分布（聚合度的分布）分子量的分布（聚合度的分布）n平均分子量是分子量大小的平均水平，不能反平均分子量是分子量大小的平均水平，不能反应分子量的分布情况。应分子量的分布情况。N MW Mn的分布：希望的分布：希望n的分布集中些，

13、分散度小些，这对的分布集中些，分散度小些，这对纤维的强度，耐磨性、耐疲劳性、弹性都有好处。纤维的强度，耐磨性、耐疲劳性、弹性都有好处。聚合度与力学性质的关系：聚合度与力学性质的关系：nn n低时，一般来说，纤维的强度低些。低时，一般来说，纤维的强度低些。nnnnn临临，纤维开始具有强力；，纤维开始具有强力；nnn，纤维强力，纤维强力（nn；大分子间的结合；大分子间的结合键键结合能量变大）；结合能量变大）；n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。聚合度/分子量强力临界聚合度/分子量3 3、纤维大分子链的内旋性、构象、纤维大分子链的内旋性、构象n大分子链中的单键能绕

14、着它相邻的键按一大分子链中的单键能绕着它相邻的键按一定键角旋转，称为定键角旋转，称为键的内旋转键的内旋转。n分子链由于围绕单键内旋转而产生的原子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在空间的不同排列形式称为构象构象。 分子的内旋转示意图分子的内旋转示意图 纤维大分子的典型构象示意图纤维大分子的典型构象示意图 4 4、纤维大分子链的柔曲性、纤维大分子链的柔曲性 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，通过通过内旋转内旋转或振动而形成各种形状（或振动而形成各种形状（改变改变构象构象）的难易程度。）的难易程度。 单键的内旋转单键的内旋转是大分

15、子链产生柔曲性的根是大分子链产生柔曲性的根源。对于高聚物而言，其中的大分子链的源。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互影响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及环境温度也有很大影响。外分子间作用力及环境温度也有很大影响。2) 2) 纤维大分子结构与柔曲性的关系纤维大分子结构与柔曲性的关系n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；n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n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；n侧基间

16、（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，柔曲性柔曲性；n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。n大分子的柔曲性是判断高聚物弹性的主要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成弯条件之一，长链分子由于热运动而变成弯曲形状使高度柔曲性，这就是高聚物产生曲形状使高度柔曲性，这就是高聚物产生弹性的原因。弹性的原因。n柔顺性好的纤维，受外力易变形，伸长大，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集，但弹性较好，结构不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成结晶

17、。在外力作用下，易被拉伸，易形成结晶。大分子柔性对纤维性能的关系大分子柔性对纤维性能的关系 小结：小结：n纤维大分子是由许多个纤维大分子是由许多个单基单基通过通过共价键共价键连接而成的连接而成的线型大分子线型大分子。n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。n 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由度，自由度，使大分子链具有一定的使大分子链具有一定的柔曲性柔曲性。n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可以不断改变。以不断改变。 第二节第二节 纺织纤维的聚集态结构纺织纤维的聚集态结构一

18、、大分子间作用力（次价键力）一、大分子间作用力（次价键力）高分子链的形成主要靠主价力（化学键），高分子链聚集成高分子链的形成主要靠主价力（化学键），高分子链聚集成高聚物主要靠次价键力（分子间的力）。高聚物主要靠次价键力（分子间的力）。 纤维大分子间的作用力使纤维中的大分子形成纤维大分子间的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。分子间力的形式：化学键、盐式键、氢键、范得华力分子间力的形式：化学键、盐式键、氢键、范得华力n范德华力范德华力 存在于一切分子之间的一种吸引力。

19、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。包括定向力、诱导力、色散力。 作用范围小于作用范围小于1 1纳米，作用能比化学键小纳米，作用能比化学键小1-21-2个数量个数量级。级。 n 氢键氢键 极性很强的极性很强的X-HX-H键上的氢原子，与另一个键键上的氢原子，与另一个键上电负性很大的原子上电负性很大的原子Y Y上的孤对电子相互吸引上的孤对电子相互吸引而形成的一种键（而形成的一种键（XHY)XHY)。 发生在分子极性基团之间的作用力。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键能与范德华力的数量级相同 纺织纤维中常见的氢键：纺织纤维中常见的氢键： OHO

20、 NH O NH N CH N n盐式键盐式键 存在于部分纤维大分子间。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（如羊毛、蚕丝大分子侧基上的羧基（COOHCOOH）和氨基（）和氨基（NHNH 2 2 ）可形成盐式）可形成盐式键键 COO COO + + H H 3 3 NN 盐式键键能大于氢键，小于化学键盐式键键能大于氢键，小于化学键 n 化学键化学键 网状构造的大分子可由化学键构成交联。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部分纤维，如羊毛和蚕丝的桥式侧基中存在二硫键（存在二硫键（SSSS）n四种结合力的能量大小：四种结合力的能量大小：q化学

21、键盐式键氢键范得华力化学键盐式键氢键范得华力n四种结合力的作用距离：四种结合力的作用距离：q化学键盐式键氢键范得华力化学键盐式键氢键范得华力纤维大分子主要是通过纤维大分子主要是通过范德华力范德华力和和氢键氢键聚聚集在一起。集在一起。分子间力的大小取决于：分子间力的大小取决于： 1.1.单基化学组成（原子团多少、极性集单基化学组成（原子团多少、极性集 团数目、极性强弱）团数目、极性强弱） 2.2.聚合度聚合度 3. 3.分子间距离分子间距离 二、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：具有一定构象的大分子链通过的大分子链通过分子链间的作用力分子链

22、间的作用力而相互排列、而相互排列、堆砌而成的结构。堆砌而成的结构。 纤维的超分子结构是在天然纤维的纤维的超分子结构是在天然纤维的生长过程生长过程或或化学纤维的纺丝成形及化学纤维的纺丝成形及后加工过程后加工过程中形成的。中形成的。 n高聚物的基本性质取决于大分子结构，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 Crystalline regions 与非晶与非晶Amorphous regions （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

23、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：纤维大分子无规律地乱排列的区域。 晶区特点晶区特点 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相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和饱和 结晶度结晶度 纤维的拉伸强度、初始模量、纤维的拉

24、伸强度、初始模量、 硬度、尺寸稳定性、密度硬度、尺寸稳定性、密度，纤维的吸湿性、，纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性染料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性。非晶区特点：非晶区特点： 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，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

25、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 。对纤维甚至原纤来说，很少存在完善的结晶区，对纤维甚至原纤来说，很少存在完善的结晶区，往往是结晶与非晶区的混合体。往往是结晶与非晶区的混合体。 2.结晶度n结晶度结晶度是指纤维中结晶部分占纤维整体的比率，是指纤维中结晶部分占纤维整体的比率，不涉及晶体的形式及分布。不涉及晶体的形式及分布。在理论上，可分为在理论上，可分为体积结晶度体积结晶度XV和质量结晶度和质量结晶度XW 。 n重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。量的百分率。n体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体体积结

26、晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率。积的百分率。 accvaVVXcaacw/1/1/1/1WWX结晶度的测量n1.密度法密度法n测定原理：测定原理：利用部分结晶高聚物中结晶部分和无定形部分利用部分结晶高聚物中结晶部分和无定形部分对对x-射线衍射强度的贡献不同，利用衍射仪得到衍射强度射线衍射强度的贡献不同，利用衍射仪得到衍射强度与衍射角的关系曲线，再将衍射图上的衍射峰分解为结晶与衍射角的关系曲线，再将衍射图上的衍射峰分解为结晶与非晶部分，则结晶度为结晶峰面积与总峰面积之比。与非晶部分，则结晶度为结晶峰面积与总峰面积之比。2.x-射线衍射法(x-ray diffraction meas

27、urement) IaxccxIKIXIc和和Ia分别为一定角度范围分别为一定角度范围内晶区与非晶区的散射积分内晶区与非晶区的散射积分强度；强度；Kx为修正常数为修正常数 n布拉格方程： n=2dsin （补充）X-射线衍射晶体分析原理3.差示扫描量热法（DSC）3.纤维的结晶结构n缨状微胞结构模型缨状微胞结构模型 n纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，大分子可以穿越几纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，大分子可以穿越几个晶区与非晶区，晶区的尺寸很小，为个晶区与非晶区，晶区的尺寸很小，为10nm数量级，分数量级，分子链在晶区是有规则排列的，在非晶区则是完全无序堆砌。子链在晶区是有规则排列的，在非晶

28、区则是完全无序堆砌。 缨状缨状是指无序区中分子排列的状态；是指无序区中分子排列的状态；微胞微胞是指分子有序排的结构块。是指分子有序排的结构块。从晶区到非晶区是否存在逐步转化的过渡区，尚有不同从晶区到非晶区是否存在逐步转化的过渡区，尚有不同解释。解释。 n缨状原纤结构模型缨状原纤结构模型n结晶区结晶区认为是连续的缨状原纤（认为是连续的缨状原纤（细长细长），由许多），由许多长链分子组成。这些分子沿着本身的长度方向，长链分子组成。这些分子沿着本身的长度方向，在在原纤的不同位置上分裂出来原纤的不同位置上分裂出来，有的进入无定形，有的进入无定形区，有的重新进入其他的原纤组织中。区，有的重新进入其他的原纤

29、组织中。与缨状微胞理论的区别是放弃了微胞是非常短的观点，与缨状微胞理论的区别是放弃了微胞是非常短的观点，认为原纤是由认为原纤是由长的长的但并但并不完善不完善的结晶区所组成。的结晶区所组成。n1957年，年，Keller首次发现，首次发现，0.01%PE稀溶液极缓慢冷却稀溶液极缓慢冷却时可生成单晶。时可生成单晶。n不同高聚物单晶虽然外形不同，但晶片厚度几乎都在不同高聚物单晶虽然外形不同，但晶片厚度几乎都在10 nm左右，且左右，且晶片厚度与分子量无关晶片厚度与分子量无关，仅随结晶温度，仅随结晶温度和热处理条件变化而变化，电子衍射数据表明：和热处理条件变化而变化，电子衍射数据表明：晶片晶片中的分子

30、链垂直于晶面。中的分子链垂直于晶面。聚乙烯单晶（菱形）折叠链片晶结构模型折叠链片晶结构模型聚乙烯单晶电子衍射图n缨状折叠链片晶模型缨状折叠链片晶模型n在化学纤维的成形加工过程中，高分子熔体或溶在化学纤维的成形加工过程中，高分子熔体或溶液中的液中的分子分子，经喷丝孔喷出和导向，经喷丝孔喷出和导向牵伸后牵伸后，存在，存在折叠状态的分子链。折叠状态的分子链。4.4.取向度取向度Orientation 1) 1)定义：指定义：指大分子大分子或链段等各种不同结构单或链段等各种不同结构单元，包括元，包括微晶体微晶体沿纤维轴规则排列程度。沿纤维轴规则排列程度。 在化学纤维生产过程中，通过对初生纤维进行机在化

31、学纤维生产过程中，通过对初生纤维进行机械拉伸，可以使纤维的取向度提高，取向结构增械拉伸，可以使纤维的取向度提高，取向结构增加，如对晶态聚合物的取向加工如图加，如对晶态聚合物的取向加工如图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，纤维的取向度大，致使材料在不同方向上致使材料在不同方向上力学、热学和光学性能发生显著差异，力学、热学和光学性能发生显著差异，各各向异性向异性明显明显 。Tensile behavior of natural fibers取向结构的表达231sin2f 为分子链主轴与纤维轴的夹角。为分子链主轴与纤维轴的夹角。 是所有分子链节相对纤维轴夹

32、角余弦平方的统计平均值。是所有分子链节相对纤维轴夹角余弦平方的统计平均值。f=1，完全取向；，完全取向； f=0，完全无取向；，完全无取向；f=0.5，分子链垂直于，分子链垂直于纤维轴纤维轴Hermans取向因子：取向因子：2cos取向度的测试方法nX衍射法：衍射法：晶区分子和晶体取向度晶区分子和晶体取向度fxn将探测器固定在具有最强衍射峰（将探测器固定在具有最强衍射峰（2 ）的位置上，试样架）的位置上，试样架沿方位角沿方位角作作360 匀速转动，测试此衍射弧的谱图匀速转动，测试此衍射弧的谱图 ，计，计算得：算得： xHfH为为X射线衍射强度曲线得半高宽射线衍射强度曲线得半高宽 衍射弧越窄，取

33、向度越高 取向度的测试方法n声速法：声速法：无序区大分子取向度无序区大分子取向度fs EEvvfaa2s1)(1va 和和Ea分别为无定形纤维的声传播的速度和模量；分别为无定形纤维的声传播的速度和模量；v和和E为实测纤维的声速和模量。为实测纤维的声速和模量。 此法较多考虑无序区分子的作用此法较多考虑无序区分子的作用 取向度的测试方法n偏振红外二色性法：偏振红外二色性法：分子极性基团取向度分子极性基团取向度fIR 00/AAAAfIRA和和A分别为实测纤维平行和垂直于红外偏振光偏振面的吸光度值；分别为实测纤维平行和垂直于红外偏振光偏振面的吸光度值； 和和 分别为完全取向同种纤维平行和垂直于红外偏

34、振光偏振面的吸分别为完全取向同种纤维平行和垂直于红外偏振光偏振面的吸光度值光度值 。0/A0A磁场磁场电场电场dipole电场电场时间时间+无偶极矩变化无偶极矩变化无红外吸收无红外吸收红外光谱涉及分子的振动问题，振动引起偶极矩变红外光谱涉及分子的振动问题，振动引起偶极矩变化时，分子吸收光子能量，从低振动能级跃迁到高化时，分子吸收光子能量，从低振动能级跃迁到高振动能级，在光谱中形成一条红外吸收带。振动能级，在光谱中形成一条红外吸收带。红外光谱产生的原理红外光谱产生的原理取向度的测试方法n染色法显微镜观察：染色法显微镜观察：形状或界面取向形状或界面取向度度fi n基于两相结构的纤维取向度应该是基于

35、两相结构的纤维取向度应该是 iacffXXff)1 (X为结晶度；为结晶度；fc 和和fa 分别为晶区和无定形区分子和取向度；分别为晶区和无定形区分子和取向度；fi 为形状取向度为形状取向度 第三节第三节 纤维的形态结构纤维的形态结构n定义：是指纤维在光学显微镜或电子显微镜，定义：是指纤维在光学显微镜或电子显微镜，乃至原子力显微镜乃至原子力显微镜(AFM)下能被直接观察到的下能被直接观察到的结构。结构。微形态结构：用电子显微镜能观测到的结构。微形态结构：用电子显微镜能观测到的结构。如原纤（亚微米级），微孔，裂缝等如原纤（亚微米级），微孔，裂缝等宏形态结构：用光学显微镜能观测到的结构。宏形态结构

36、：用光学显微镜能观测到的结构。如皮芯结构，表面形态等。如皮芯结构，表面形态等。纺织纤维内部结构层次单分子单分子基原纤基原纤微原纤微原纤 原纤原纤巨原纤巨原纤纤维纤维 10 10 10 -30 10 -30 40-100 40-100 100-300100-300 0.1-0.5u 0.1-0.5u10-100u10-100u从微结构从微结构宏结构宏结构一、纤维的原纤结构（微形态结构一、纤维的原纤结构（微形态结构 ）n纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状的物质，统称为原纤大多为细长纤维状的物质，统称为原纤(fibril)(fibri

37、l)n原纤结构普遍存在与天然纤维和生物体和化学纤原纤结构普遍存在与天然纤维和生物体和化学纤维内部。维内部。 n纤维中的原纤纤维中的原纤(fibril)(fibril)是大分子有序排列的结构，是大分子有序排列的结构，或称或称结晶结构结晶结构。严格意义上是带有缺陷并为多层。严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构。次堆砌的结构。n原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提供供给纤维良好的力学性质和弯曲能力给纤维良好的力学性质和弯曲能力。 n纤维的原纤按其尺度大小和堆砌顺序可分为基原纤维的原纤按其尺度大小和堆砌顺序可分为基原纤纤微原纤微原纤原纤原纤巨原纤巨原纤细

38、胞细胞 天然纤维的原纤化结构明显。天然纤维的原纤化结构明显。n化学纤维由于结晶机理和生长方向不同，会产化学纤维由于结晶机理和生长方向不同，会产生片晶生片晶(lamella)，如折叠链片晶，如折叠链片晶(fold-chain lamella)和伸展链片晶和伸展链片晶(extended chain lamella)，导致纤维原纤结构的淡化或模糊化，导致纤维原纤结构的淡化或模糊化 .n高强高模化学纤维，绝大多数为原纤化结构。高强高模化学纤维，绝大多数为原纤化结构。 棉纤维纵、横截面棉纤维纵、横截面二、纤维的宏观结构（纤维纵、横截二、纤维的宏观结构（纤维纵、横截面结构）面结构）绵羊毛纵、横截面绵羊毛纵

39、、横截面大麻纤维纵、横截面大麻纤维纵、横截面粘胶纤维纵、横截面粘胶纤维纵、横截面四孔中空纤维横截面四孔中空纤维横截面第四节第四节 纤维素纤维的内部结构纤维素纤维的内部结构一、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。棉纤维大分子的聚合度为棉纤维大分子的聚合度为600060001500015000，分子，分子量为量为1 12.432.43百万。百万。 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、一正一反连接而个葡萄糖剩基反向对称、一正一反连接而成，它的空间结

40、构属于椅式结构：成，它的空间结构属于椅式结构：二、纤维素大分子的超分子结构二、纤维素大分子的超分子结构n结晶结构的最小单元（晶结晶结构的最小单元（晶胞）是由五个平行排列的胞）是由五个平行排列的纤维素大分子在两个氧六纤维素大分子在两个氧六环的一段上组成。环的一段上组成。n纤维中约纤维中约2/32/3为结晶部分，为结晶部分，结晶晶格是单斜晶系，结晶晶格是单斜晶系，大大分子取向度较高。分子取向度较高。 三、纤维素纤维的形态结构三、纤维素纤维的形态结构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、次生层和中棉纤维由外向内是由初生层、次生层和中腔三个部分组成：腔三个部分组成：n次

41、生层次生层原纤排列原纤排列的螺旋角的螺旋角在在(20(20- -3030) )的影响，故的影响，故纤维强度较麻纤维纤维强度较麻纤维低。低。（1 1）初生层）初生层 其外皮（表皮层）是一层极薄的其外皮（表皮层）是一层极薄的蜡质与果蜡质与果胶胶的淀积层，外层之内是纤维的的淀积层，外层之内是纤维的初生胞壁初生胞壁。一般认为初生胞壁由原纤呈一般认为初生胞壁由原纤呈网状结构网状结构组成，组成，与纤维轴呈与纤维轴呈70709090倾角倾角 ，形成对纤维，形成对纤维整体的形态约束和保护整体的形态约束和保护 。初生层很薄，仅。初生层很薄，仅为为m0.2m，重量占纤维重量的，重量占纤维重量的2

42、.5%2.5%2.7%2.7%，纤维素含量不多纤维素含量不多。是纤维吸湿膨胀。是纤维吸湿膨胀复圆后，直径或周长不变的主机制。复圆后，直径或周长不变的主机制。（2 2）次生层）次生层 次生胞壁占棉纤维总质量的次生胞壁占棉纤维总质量的90%90%以上。它纤维素在棉纤以上。它纤维素在棉纤维生长期间由外向内逐渐分层沉淀，形成日轮。次生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：外层胞壁也分为三层：外层S1S1，中层，中层S2S2，内层，内层S3S3。次生胞壁次生胞壁S1S1，厚度小于，厚度小于0.1 m0.1 m ，由平行排列的原纤组成，原纤，由平行排列的原纤组成，原纤与纤维轴呈与纤

43、维轴呈20203535螺旋状排列，较为致密。螺旋状排列，较为致密。次生层次生层S2S2，厚约，厚约1 1 4 4mm ，是棉纤维主体，全部为纤维素，原，是棉纤维主体，全部为纤维素，原纤与纤维轴的螺旋角约为纤与纤维轴的螺旋角约为2525，螺旋的方向周期性地换向，在一，螺旋的方向周期性地换向，在一根纤维中换向可达根纤维中换向可达5050次以上。次以上。 S2S2层由原纤呈平行螺旋状相互堆层由原纤呈平行螺旋状相互堆砌而成，微原纤间形成空隙，使棉纤维具有多孔性。砌而成，微原纤间形成空隙，使棉纤维具有多孔性。次生胞壁次生胞壁S3S3，厚度小于，厚度小于0.10.1mm 。u次生层有明显的次生层有明显的“

44、日轮日轮”结构结构，共有，共有25-4025-40层，每层层，每层厚厚0.1-0.1-0.40.4mm 。相邻的。相邻的S1S1、S2S2、S3S3层间的螺旋方向往层间的螺旋方向往往是相反的。往是相反的。u棉纤维的棉纤维的天然转曲天然转曲是由于次生层是由于次生层S2S2中的原纤螺旋排列中的原纤螺旋排列所致。原纤螺旋方向大多与转曲方向一致。所致。原纤螺旋方向大多与转曲方向一致。 （3 3）中腔）中腔 棉纤维的中空部分，其内留有少数原生质和细棉纤维的中空部分，其内留有少数原生质和细胞核残余，为蛋白质、矿物盐和色素等。它对胞核残余，为蛋白质、矿物盐和色素等。它对棉纤维棉纤维颜色颜色有影响。胞腔的复圆

45、截面积约为棉有影响。胞腔的复圆截面积约为棉纤维截面积的纤维截面积的1/101/10。 棉纤维成熟后截面呈腰圆形，次生胞壁各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，微原纤的集积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，因此原纤的膨化能力方式也要随之改变，因此原纤的膨化能力和试可及性都不一样。和试可及性都不一样。2 2、麻纤维的形态结构、麻纤维的形态结构n麻纤维成束聚集生长在植物的韧皮部或叶中。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，两端封闭。纤维之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，经脱胶后纤维分离。间用果胶相粘接，经脱

46、胶后纤维分离。n麻纤维具有初生层，次生层和第三层，其内纤麻纤维具有初生层，次生层和第三层，其内纤维素分层沉积，纤维素大分子也将集成原纤结维素分层沉积，纤维素大分子也将集成原纤结构。构。第五节第五节 蛋白质纤维的内部结构蛋白质纤维的内部结构一、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-氨基酸剩基依氨基酸剩基依靠肽键连结而成，其化学结构是如下图。靠肽键连结而成，其化学结构是如下图。nR R基团不同形成的基团不同形成的-氨基酸也不同，有酸性，碱氨基酸也不同，有酸性，碱性和中性的。性和中性的。羊毛有20多种氨基酸，主要为：谷氨酸Glu 12.3-16%半胱氨酸Cys 10.84-12.28%精氨酸Arg 7.9-12.1%蚕丝也有多种氨基酸，主要为：甘氨酸Gly