第七章纤维的热学、光学和电学

第七章

纤维的热学、光学和电学性质第一节纤维的热学性质一、比热容1．比热容的概念

单位质量的纤维，温度升高（或降低）1℃所需要吸收（或放出）的热量，叫做纤维的比热容，简称比热。单位J/(g·℃)，或cal/(g·℃).

比热容的大小，直接反映纤维材料温度变化的难易程度，影响着纤维的加工和使用性能。2．常见纺织纤维的比热容纤维种类比热值纤维种类比热值纤维种类比热值棉1.21～1.34粘胶纤维1.26～1.36羽绒羊毛1.36锦纶61.84芳香聚酰胺纤维1.21桑蚕丝1.38～1.39锦纶662.05醋酯纤维1.46亚麻1.34涤纶1.34玻璃纤维0.67大麻1.35腈纶1.51石棉1.05黄麻1.36丙纶(50℃)1.80木棉表7-1常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为20℃）单位：J/g·℃静止干空气：1.01；水：4.183．影响纺织纤维比热容的主要因素图7-1羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系（1）水分的影响纤维的比热容随回潮率的增大而增大：（2）温度的影响

回潮率一定时，温度愈高，纤维的比热容也愈大。图7-2不同取向聚乙烯纤维的DSC图谱图7-3两种涤纶丝的比热随温度的变化规律（3）纤维结构的影响

大分子的取向排列会导致其比热容的增大；纤维的结晶形式和结晶度也对比热容值产生影响。4．比热容对纤维加工和使用的影响对纤维的使用性能和加工工艺有重要意义，如锦纶；对涉及到快速热加工的纺织工艺，比热容对制订工艺参数有重要意义；具有较大比热容值的纤维可用于那些需要抵御温度骤变的场合。二、导热图7-4热传递示意图1、导热与导热系数

导热主要通过热传导、热对流和热辐射三种方式来实现。

导热系数：当材料的厚度为1m及两端间的温度差为1℃时，1秒钟内通过1m2纤维材料传导的热量焦耳数。单位：W/m·℃表7-2常见纺织纤维的导热系数纤维制品λ(W/m·℃)λ∥λ⊥棉纤维0.071～0.0731.12590.1598羊毛纤维0.052～0.0550.47890.1610蚕丝纤维0.05～0.0550.83020.1557粘胶纤维0.055～0.0710.71800.1934醋酯纤维0.05羽绒0.024木棉0.032麻1.66240.2062涤纶0.0840.97450.1921腈纶0.0510.74270.2175锦纶0.244～0.3370.59340.2701丙纶0.221～0.302氯纶0.042静止干空气0.026——纯水0.697——2．影响纤维导热系数的因素（1）纤维的结晶与取向纤维的结晶度越高，导热系数越大；纤维取向度越高，沿纤维轴向的导热系数越大；

（热传导的各向异性∥≠⊥）纤维集合体实际是纤维、空气和水的混合物。（2）纤维集合体的密度纤维集合体的导热系数取决于纤维中的孔隙量和孔隙中气体的流动性。图7-5纤维层体积重量和导热系数间的关系纤维层中夹持的空气越多，则纤维层的绝热性越好。

一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cm3，λ最小，保暖性最好。

纤维填充密度一样，导热系数随孔隙中气体流动性增大而增大填充密度变化时，导热系数先减小再增大。7-6纤维排列方向角αf与导热系数的关系（3）纤维排列方向纤维平行于热辐射方向排列时，即纤维垂直于纤维层方向取向时，导热能力较强；纤维垂直于热辐射方向，即纤维平行于纤维层排列时，导热能力较低。（4）纤维细度和中空度当纤维排列特征相同时，纤维细度越细，纤维制品的热辐射穿透能力越弱；在同样密度下相对的间隙越小，静止空气的作用越强，导热系数越小；纤维中的空腔量越大，纤维集合体的导热系数越小。表7-3温度与纤维导热系数间的关系纤维导热系数λ(W/m·℃)0℃30℃100℃棉0.0580.0630.069羊毛0.0350.0490.058亚麻0.0460.0530.062蚕丝0.0460.0520.059（5）环境温、湿度T↑λ↑，

因为随温度增加，分子的热振动频率加大，使热量能籍此得到更好的传递。水分越多，λ越大，保暖性越差.在同样温湿度条件下，吸湿能力比较好的纤维，导热性比较好。3．导热系数对加工和使用的影响对纤维加工而言，导热系数低、会影响热作用的传递和热处理的效果，造成处理对象的外热内冷和热作用时间的外长内短现象，引起处理效果的不均匀；对纤维材料的使用，应该充分利用高导热系数的纤维来制作导热、散热性能良好的夏季织物，应用采用低导热系数的纤维或纤维集合体材料，来获得高保暖和绝热的材料。1.两种转变与三种力学状态纤维受热作用时，性状会发生变化。在较高温度时会发生软化、熔融的纤维成为热塑性纤维。

如涤纶、锦纶、丙纶、醋酯纤维等。在较高温度时不出现熔融而直接发生分解、炭化的纤维成为非热塑性纤维。如棉、麻和再生纤维素纤维，羊毛、蚕丝和再生蛋白质纤维。三.热作用下纤维的性状对于热塑性纤维，当结晶度较低时，纤维的性质具有非晶态高聚物所特有的力学三态及其转变特征。纤维在不同温度下，测量纤维的伸长变形和弹性模量随温度的变化，可以得到变形-温度曲线和模量-温度曲线，也称为热机械曲线。典型的纤维热机械曲线存在两个斜率突变区（玻璃化转变区和粘弹转变区），在这两个转变区之间和两侧分别对应三种不同的力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态。形变温度IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区Tg粘流态粘弹态转变区Tf2.三态与两种转变的分子运动机理（1）玻璃态在低温时，纤维的弹性模量很高，变形能力很小，具有胡克体行为，纤维坚硬，类似玻璃，称为玻璃态。

温度低，由于分子热运动能低、链段的热运动不足以克服内旋转势垒，链段处于“冻结”状态，只有侧基、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。

（2）玻璃化转变区这是一个对温度变化十分敏感的区域。在该转变区，由于温度升高，分子链段开始“解冻”，其热运动能可以克服主链的内旋转位垒绕主链轴旋转，使分子的构象发生变化。该转变温度称为玻璃化温度Tg

。（3）高弹态是指大分子链段可以运动的状态，但没有分子链的滑移。纤维呈现出较高的弹性，成为高弹态。

（4）粘弹转变区

也是一个对温度很敏感的区域。

由于温度升高，链段热运动加剧，链段可以沿作用力方向协同运动。不仅使分子链的构象发生变化，而且导致大分子链段在长范围内甚至整体发生相对位移，纤维表现出流动性，模量迅速下降，形变迅速增加。对应的温度区成为流动温度Tf

。

（5）粘流态

当温度高于Tf后，纤维大分子链段运动剧烈，各大分子链件可以发生相对位移，从而产生不可逆变形，纤维呈现出粘性液体状。大分子间存在化学键交联的纤维，无粘弹转变区和粘流态。常见纺织纤维的热学性能纤维种类玻璃化温度软化点熔点分解点洗涤最高温度棉------15090-100羊毛------13030-40桑蚕丝------15030-40粘胶纤维------150--醋酯纤维186195-205290-300----涤纶80,67,90235-240256--70-100锦纶647,65180215-220--80-85锦纶6685225253--80-85腈纶80-100,140-150190-240--280-30040-45维纶85干220-230水中110------丙纶-35145-150163-175----氯纶82水中110200--30-404、热定形与变形热定形：使纤维的内部结构或织物的形状在热作用

下固定并获得一定的尺寸；变形：使纤维材料获得卷曲和蓬松效果。（1）热定形及其机理对于合成纤维：一般采用高于玻璃化温度Tg

、低于晶体熔融温度Tm的热处理；对于高结晶的棉、麻类纤维：采用交联或其它方法定形；对于羊毛类纤维：采用热湿和张力作用打开部分二硫键，并在新的位置重建二硫键，达到分子间结构的稳定；对于丝类纤维：可通过热湿作用，或部分融化调整丝胶的包覆状况，冷却后得到定形。（2）热定形效果的持久性暂时性热定形：纤维或其织物在热定形后的使用中，定形效果会较快消失；半永久性热定形：是指在平时使用中能抵御一般作用的热定形，但给以激烈的作用，其热定形效果也会消失；永久性热定形：是指纤维的Tg高于一般衣着使用温度的热定形处理。（3）热定形的方法根据纤维发生收缩的程度分：张力定形和松弛定形；张力定形可形成有伸长定形（1％）、无收缩定形、部分收缩定形；按照定形时所采用的热媒介质或加热方式分：干热空气定形、接触加热定形、水蒸气湿热定形和浴液（水、甘油）定形等。（4）影响热定形效果的主要因素

1）温度温度愈高，定型效果愈显著，但T不能太高，否则会使织物手感粗糙，甚至引起纤维损伤。2）时间温度高，定型时间可短些；温度低，定型时间可长些。定型时间必须保证热在织物中的均匀扩散及分子链段的重建。3）张力高张力定型适用于单丝袜子；弱张力定型用于多数的针织物和机织物；无张力定型在一般织物中用得较少。

4）冷却速度

一般要求较快冷却，可使新结构快速固定，可获得较好手感的织物。5）定型介质

表7-5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120~130120~130190~210羊毛90~100100~120130~150锦纶66100~120110~120170~190腈纶125～135130～140丙纶100~120120~130130~140（5）热变形加工通过热作用的变形加工主要是针对热塑性类纤维；热变形加工的速度更快，变形的温度偏高、张力较大四、纤维的耐热性和热稳定性耐热性：纤维经加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。一般规律是：T↑，断裂强力↓；断裂伸长率↑；初始模量↓；纤维变得柔软。图7-8PBO纤维的力学性能保持率1纤维的耐热性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；纤维随温度升高而强度降低的程度常用表达方法：常用纤维耐热性：

天然纤维：棉>麻>蚕丝>羊毛

人造纤维：粘胶>棉

合成纤维：涤纶>腈纶>锦纶>维纶碳纤维、玻璃纤维相当好。表7-6常见纺织纤维受热后的剩余强度(%)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1006226126蚕丝1007339——粘胶10090624432锦纶10082432113涤纶100100969575腈纶1001001009155玻璃纤维1001001001001002．纤维的热稳定性图7-９高强高模聚乙烯的热重曲线（1）质量与组成的稳定性纤维在热作用下会发生热降解，而引起分子量的下降和组成变化，尤其是有氧条件下会发生氧化降解。表7-7Kevlar®纤维的聚集态结构变化数据纤维样品结晶度(%)双折射值Kevlar129-未处理67.80.736Kevlar129-200°C67.60.734Kevlar129-300°C67.30.731Kevlar129-400°C67.20.729（2）结构的稳定性热作用下纤维的聚集态结构会发生改变，这是热稳定性中最主要的表达内容，也是耐热性高低的最主要机制；在热作用下，纤维的结晶会解体，取向会下降。（3）形态的稳定性

形态的稳定性是指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。1）定义：合成纤维受热后发生不可逆的收缩现象称之为热收缩。2）指标：

热收缩率——加热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率。根据介质不同有：

a.沸水收缩率：

一般指将纤维放在100°C的沸水中处理30min，晾干后的收所缩率；

b.热空气收缩率：

一般指用180°、190°C、210°C热空气为介质处理一定时间（如15min）后的收缩率；

c.饱和蒸汽收缩率：

一般指用125-130°C饱和蒸汽为介质处理一定时间（如3min）后的收缩率。3）产生原因：纺丝成形过程中，受到较大的抽伸作用，纤维残留一定的内应力；

4）影响因素：温度——T↑，热收缩率↑介质——水、空气、蒸汽原来的热处理条件5）利弊利用不同的纤维收缩率，混纺可改善纱线结构。长丝或合纤纱热收缩率不同，产生易吊经、吊纬、裙子皱。使用时也要注意热收缩问题。五、纤维的燃烧性质极限氧指数LOI着火点温度TI燃烧时间t火焰温度TB描述纤维燃烧性的指标：根据燃烧性能的不同，可将纤维分为四类：易燃可燃难燃不燃

可燃性和阻燃性易燃纤维：纤维素纤维、腈纶可燃纤维：羊毛、蚕丝、锦纶、涤纶、维纶难燃纤维：氯纶不燃纤维：玻璃纤维、碳纤维等1、极限氧指数

是指试样在氧气和氮气的混合气中，维持完全燃烧状态所需的最低氧气体积分数。表7-8主要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37071026~30Nomex43027~30kynol430;576250029~30杜勒特35~38表7-9LOI对纤维燃烧性能的分类分类LOI(%)燃烧状态纤维品种不燃≥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、玻璃纤维及PBO、PBI、PPS纤维难燃26~34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20~26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2．点燃温度和燃烧时间(1)点燃温度TI

是指纤维产生燃烧所需的最低温度，是燃烧的激发点温度，也称着火点温度。

点燃温度取决于纤维的热降解温度和裂解可燃气体的点燃温度，其值越高，纤维越不易被点燃。(2)燃烧时间t

是指纤维放入可燃环境（有氧、高温）中，观察纤维从放入到燃烧所需的时间。

当纤维质量趋于无穷小或可燃环境趋于无穷大时的燃烧时间，称为本质燃烧时间。

燃烧时间反应纤维被点燃的快慢程度，取决于纤维的导热系数、比热容、热降解速率、点燃温度。3．燃烧温度TB

是指纤维燃烧时的火焰区中的最高温度值，故又称火焰最高温度。

反应了纤维材料在燃烧过程中的反应速度及其热能的释放量。

取决于纤维的热裂解速度以及氧化反应速率、量和完善程度，并与燃烧时纤维质量的损失率直接相关。4．纤维阻燃的途径及形式（1）阻燃机理：纤维的阻燃，一般通过阻止或减少纤维热分解、隔绝或稀释氧气和快速降温使其终止燃烧等原理实现。将有阻燃功能的阻燃剂通过聚合、共混、共聚、负荷纺丝、接枝改性等方法加入到纤维中；用后整理方法将阻燃剂涂覆在纤维表面或浸渍于纤维内，以此提高纤维的阻燃性。（2）阻燃途径：（3）阻燃纤维的获得主要分为两类：在纺丝原液中加入阻燃剂，混合纺丝制成；由合成的难燃聚合物纺制而成。第二节纤维的光学性质光学性质：纤维对光的反射、折射和透射性质及光泽特征，以及纤维对光的吸收激发发光、降解和耐光性质。图7-1光与透明纤维及其纤维集合体的折射、反射和透射11、22入射主反射次反射主透射次透射介质1(空气或液体)介质2(纤维)介质1(空气或液体)（a）光对纤维的折射、反射和透射（b）光与单纤维内的作用（c）光与纤维集合体的作用lPbb1b2irtt2t3tststts2t2s纤维一、光在纤维中的反射与折射现象二、

纤维的光泽

（1）纤维光泽的形成

（2）影响纤维光泽的因素：

a.层状结构

b.纵面形态

c.截面形状

a．纤维层状结构对光泽的影响图7-12层状结构纤维多层反射与折射示意图在纤维体内，材料密度由外及里连续或分层变化的结构，称为纤维的层状结构；层状结构使纤维体内光的折射率产生差异；多层反射作用使到达纤维表面的反射光产生叠加，不同波长光还会产生干涉作用，使纤维呈现出较强的光泽而不耀眼。（蚕丝的光泽）b．纤维纵向形态对光泽的影响纤维纵向表面光滑一致，则漫反射少，纤维光泽强。化学纤维光泽强丝光棉纤维较未处理棉纤维光泽强粗羊毛光泽较强，细羊毛光泽柔和，鳞片受损伤的羊毛光泽暗淡半无光或消光化纤的原理是加入TiO2消光剂c．纤维横截面形状对光泽的影响圆形截面纤维：极光效应三角形截面纤维：闪光效应三、光的双折射1.双折射现象当光沿着不同方向传播时，由于在该物质不同方向上的光密度不同，使光的传播速度产生差异，即折射率的数值与光的传播方向有关。这种现象称为双折射现象，具有这种现象的物质叫成为双折射物质。

双折射率：△n=nmax-nmin对于纤维有：△n=n//-n

纤维折射率n‖n⊥n‖-n⊥棉1.573~1.5811.524~1.5340.041~0.051苎麻1.595~1.5991.527~1.5400.057~0.068亚麻1.5941.5320.062羊毛1.553~1.5561.542~1.5470.009~0.012桑蚕丝1.5781.5380.040粘胶纤维1.539~1.5501.514~1.5230.018~0.036三醋酯纤维1.4741.479-0.005涤纶1.7251.5370.188锦纶61.5681.5150.040锦纶661.570~1.5801.520~1.5300.053腈纶1.500~1.5101.500~1.510-0.005~0维纶1.5471.5220.0252.常见纤维的双折射率3．双折射率与纤维内部结构的关系纤维分子的取向程度分子本身结构的不对称程度纤维大分子本身结构的非线型、极性方向、多侧基和非伸直构象，都会使其双折射率减小。4．双折射率的测定

浸没法——将纤维浸没在一定折射率的液体中，用显微镜观察。（倍克线法）（1）间接法（2）直接法

原理为：直接测量纤维的光程差或相位差和纤维的厚度，计算纤维的双折射率,常用方法有：石英楔子法、干涉法、萨那蒙补偿法等。四、耐光性及光照稳定性耐光性：纤维受光照后其力学性能保持不变的性能；光照稳定性：指纤维受光照射后不发生降解或光氧化、不产生色泽变化的性能。

纤维经长期光照，会发生不同程度的裂解，使大分子断裂，分子量下降，强度下降。1．耐光性 纤维分子链节的组成、主链键和交联键的形成分子基团的振动能量及转换纤维聚集态结构光辐射强度、照射时间和波长耐光性大致顺序：腈纶>羊毛>麻>棉>粘胶>涤纶>锦纶>蚕丝氰基—CN：能吸收紫外光转化为振动能而损耗，有效的保护主链；羰基—CO—：对光敏感，产生热振动，易使大分子裂解。日光照射时间与纤维强度的损失

纤维日晒时间（h）强度损失（%）棉94050亚麻、大麻110050羊毛112050蚕丝20050粘胶纤维90060涤纶60060锦纶20036腈纶90016-25图7-14PBO光照后的力学性能保持率2．光照稳定性

光照稳定性的本质是要求纤维分子组成的化学结构稳定，聚集态结构有序和稳定，纤维色泽稳定，这些都取决于光能向振动能和热能的转化量。纤维光照稳定性的特征是：分子不易降解、化学组成和结构稳定蚕丝：差，主要原因是含有酪氨酸；羊毛：比丝好，因为含有较多不易光降解的胱氨酸；但光照易泛黄；锦纶：较差，其裂解过程是氧化反应，酰胺基具有促进氧化的作用，其裂解速度随氧浓度的增大和温度的升高而增大；涤纶：比锦纶好，是其分子的刚性和高结晶及有序排列所致；PBO纤维：耐热性和热稳定性好，但耐光性和光照稳定性较差。五、光致发光

是指纤维激发态分子发生跃迁而辐射出特定波长光的现象；荧光现象：纤维受到紫外光照射时，受激而即刻辐射出可见光；为单重激发辐射现象；磷光现象：即紫外光停止照射后的一段时间内纤维仍继续发光的现象；为多重激发辐射现象。第三节纤维的电学性质纤维的电学性质与纺织加工及使用有关，并可通过纤维的电学性质间接测量纤维的其它性质（如回潮率、纱线条干）。主要包括纤维的介电性质、导电性、静电。

导电的基本方式:

自由电子的定向运动，如金属;

电离离子的定向运动，如电解溶液。纤维的导电机理

纤维本身导电性很差,理论上为电绝缘体.

纤维内的水分、杂质和其它低分子物质的存在，会电离出一定的离子，形成离子导电。吸湿性好的纤维;

导电高分子.一、导电性质 1．纤维比电阻及其表达(1)表面比电阻：单位长度上的电压与单位宽度上流过的电流之比：

(2)体积比电阻：单位长度上的电压与单位截面上流过的电流之比：表7-13纺织纤维的质量比电阻纤维种类lgρmnlgK棉6.811.416.6苎麻7.512.318.6蚕丝9.817.626.6羊毛8.415.826.2粘胶7.011.619.6锦纶9~12醋酯11.710.620.1腈纶8.7腈纶（去油）14涤纶8.0涤纶（去油）14(3)质量比电阻：单位长度上的电压与单位线密度纤维上流过的电流之比： 2．影响纤维比电阻的主要因素(1)内部因素：非极性分子组成的纤维，导电性较差；聚合度大、结晶度大，而取向度小的纤维，比电阻较大。（2）外部因素：湿度：吸湿后纤维导电性提高，比电阻下降；温度：温度升高，比电阻降低；温度每升高10摄氏度，比电阻约降低5倍；纤维附着物：特别是具有吸湿能力和导电能力的杂质，会降低纤维比电阻；测试条件图7-15质量比电阻与相对湿度的关系

7-16质量比电阻与温度间的关系二、介电性质纤维的导电能力只有导体的10-10—10-14，是一种电绝缘材料（电介质）。

1．介电现象和介电常数 (1)介电现象：是指绝缘材料在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象；（2）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，其变化的倍数称为介电常数。它是材料的本体常数，衡量介电现象强弱的物理量 2．常见纺织纤维的介电常数表7-14常见纺织纤维的介电常数纤维介电常数εr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2.8a.内因

纤维密度：密度愈大，ε↑；

极性基团：纤维分子极化程度↑，ε↑；

纤维分子量：分子量↓，ε↑。b.外因

温度：温度增加，ε增加。回潮率：回潮率增加，ε增加。杂质：含有杂质，ε增加。交变电场频率：增加，ε减小。 3．影响纤维介电常数的主要因素图7-17纤维介电常数与含水率的关系图7-18频率对棉纤维介电常数的影响高频可有效消除水分对介电常数的影响，因此电容式传感器测量质量变化要采用高频。三、介电损耗1．介电损耗电介质在电场作用下引起发热的能量消耗，称为介电损耗；介电损耗的大小与外加电场频率、电场强度及材料的介电性质有关；2．介电损耗的利用对纤维材料进行加热烘干四、纺织纤维的静电1．静电现象织物表面比电阻ρs(Ω)2×10102×10112×10122×10132×10142×10152×1016电荷半衰期t1/