纺织材料学课件 G06-纤维的热学光学电学性质

第六章纤维的热学、光学和电学性质

Thermal,Optical,andElectricProperties第一节热学性质第二节光学性质第三节电学性质第一节热学性质Thermalproperties一、比热二、导热三、纤维的热机械性能四、纤维的耐热性与热稳定性五、纤维的热收缩与热定型六、纤维的燃烧性能七、纤维的熔孔性一、比热Specificheat定义：质量为1g纺织材料温度变化1℃所吸收（放出）的热量。单位：J/g·℃反映了纤维材料温度变化的难易程度。纤维结构对比热有影响：取向度，结晶度含水纤维比热的计算水的比热大于干燥纤维的比热，实际纤维的比热与纤维的回潮率有关，并随回潮率的增加而增大。C为纺织纤维的比热(J/g·℃)；C0为干燥纤维比热(J/g·℃)；Cw为水的比热(J/g·℃)；W为纤维的回潮率(%)。

羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系

外界条件对纤维比热有影响：温度、湿度二、导热Heatconduction1.Thermalconductivity导热系数λ定义：材料厚度为1m，两表面之间温差为1℃，1s通过1m2材料所传导的热量。单位：W/(m·℃)；kcal/m·℃·sQdT1T2(T2

T1)SλQ为热量；d为材料厚度；△T为温差；t为时间；s为传导截面积；λ是导热系数。由傅里叶定律：纤维的导热系数空气的导热系数最小，是最好的热绝缘体，纺织品保暖性，主要取决于纤维集合体中静止空气的含量。纤维层体积重量在0.03~0.06g/cm3，导热系数最小，保暖性最好。随着回潮率增加，导热系数增大，纺织品保暖性下降。Thermalconductivityofpadsoffiberswithabulkdensityof0.5g/cm3Thermalconductivitiesoffibers.FromKawabata2.绝热率TEffectiveinsulationratio计算公式：式中：Q0，热体不包覆试样时单位时间的散热量（J）；Q1，热体包覆试样后单位时间的散热量（J）。纺织材料的绝热率与试样厚度有关，厚度越大，单位时间散失热量越少。3.克罗值（CLO）定义：一个安静坐着或从事轻度脑力劳动的人（代谢产热量约为58W/m2），在室温21℃、相对湿度小于50%，风速不超过0.lm/s的环境中，感觉舒适时，所穿着的服装的热阻值为1克罗。CLO值越大，则隔热保暖性越好。形变温度IIIIII三、纤维的热机械性能Thermomechanicalproperties热机械曲线Thermomechanicalcurves：若对某一纤维施加一恒定外力，观察其在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该纤维的温度—形变曲线。结晶度较小时，纤维的性质接近非晶态高聚物，纤维的热机械曲线存在两个斜率突变区，这两个突变区把热机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态。玻璃态温度形变IIIIII玻璃态Glassstate在区域I，温度低，纤维在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为，形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。玻璃化转变区温度形变IIIIII玻璃化转变区Glasstransitionzone在该转变区内，由于温度升高，分子链段开始“解冻”，材料开始变软，伸长增大，该转变温度称为玻璃化温度，记为Tg

。温度形变IIIIII玻璃态高弹态高弹态RubberState进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。粘弹转变区温度形变IIIIII粘弹转变区Viscousflowtransitionzone在该转变区内，链段热运动逐渐加剧，大分子链段在长范围内甚至整体的相对位移，纤维表现流动性，模量迅速下降，形变迅速增加，此转变温度称为流动温度，用Tf表示。温度形变IIIIII玻璃态高弹态粘流态粘流态Viscousflowstate当温度升到足够高时，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。三态二转变两个转变区：

玻璃化转变区，粘弹转变区三种力学状态：玻璃态：分子链段运动被冻结，显现脆性。高弹态：分子链段运动解冻，出现高弹变形，材料变软。粘流态：大分子开始发生质心相对移动，材料呈现流动态。热机械曲线涉及的四个温度（1）玻璃化温度（Glasstransitiontemperature）Tg

：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。（2）粘流温度（Viscousflowtransitiontemperature）Tf

：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。（3）熔点温度（Meltingpoint）Tm

：高聚物结晶全部熔化时的温度，或晶态高聚物大分子链相互滑动的温度。（4）分解点温度（Decompositionpoint）Td

：高聚物大分子主链产生断裂的温度。纺织纤维的热转变点非热塑性纤维，直接分解、炭化。各种合成纤维的熔点FZ/T01057.6-2007《纺织纤维鉴别试验方法第6部分：熔点法》四、纤维的耐热性与热稳定性1.定义耐热性Heatresistance：纤维材料在高温下保持物理机械性能的能力。热稳定性Thermalstability：纤维对热裂解的稳定性。2.高温下纤维力学性能下降的原因热裂解——高分子主链断裂，强力下降。热交联——大分子间形成化学键，材料变脆硬。一般规律是：T↑，断裂强力↓，因此，将剩余强度作为指标衡量材料耐热性。常见纺织纤维受热后的剩余强度（%）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。五、纤维的热收缩与热定型1.热收缩Heatshrinkage（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）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℃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℃

、210℃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℃饱和蒸汽为介质处理一定时间（如3min）后的收缩率。（3）热收缩产生原因：纺丝成形过程中，受到较大的拉伸作用，纤维残留一定的内应力，温度达到一定限度，玻璃态约束接触，产生收缩。（4）影响因素：a.牵伸倍数大，热收缩率↑，例如，长丝>短纤，棉型>毛型b.温度高，热收缩率↑c.纤维吸湿性思考：锦纶和涤纶的干热收缩性和沸水收缩性的差异？干热：锦纶回潮率高，干热时先挥发水分，消耗热能，纤维本身受热时间短，收缩小。沸水：锦纶亲水基团多，氢键多，水中锦纶氢键力下降，分子结合力下降，沸水收缩大。（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，印染易产生疵点。使用时也要注意热收缩问题。2.热定型Heatsetting定义：将织物在一定张力下加热处理（Tg

<T<Tm

），使非晶区分子调整构象，消除内应力，冷却后将这种结构固定下来，并在温度不超过Tg时，仍保持这种定形的状态。影响合纤织物热定型效果的因素（1）温度（最主要因素）温度愈高，定型效果愈显著，但T不能太高，否则会使织物变黄，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（适当）高张力，分子取向大，织物平整硬挺，适合薄型织物；弱张力定型用于厚而松软的织物。（4）冷却速度较快冷却，无定形区较多，织物柔软有弹性，易于染色。缓慢冷却结晶颗粒粗大，织物弹性下降，手感硬。六、纤维的燃烧性能1.燃烧指标极限氧指数LOI、着火点温度TI、燃烧时间θ、火焰温度TB极限氧指数LOI（LimitOxygenIndex）定义：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数值愈大，说明燃烧时所需氧气的浓度愈高，常态下愈难燃烧。LOI≥35，不燃；LOI，

26~34，难燃；LOI，20~26，可燃；LOI≤20，易燃。纤维的燃烧性能比较点燃温度（Ignitionpoint）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，称着火点温度。该值取决于纤维的热降解温度和裂解可燃气体的点燃温度。燃烧时间（Burningtime）θ：是指纤维放入一可燃环境（有氧、高温）中，观察纤维从放入到燃烧所需的时间。燃烧时间反应纤维被点燃的快慢程度。燃烧温度（Burningtemperature）TB：是指材料燃烧时的火焰区中的最高温度值，故又称火焰最高温度。2.提高纤维制品难燃性的途径（1）阻燃整理（Flameretardantfinishing）：棉织物防火整理，采用磷系阻燃剂，耐洗性好。（2）加入阻燃剂：在纺丝原液中加入防火剂。如涤纶的TDBPP阻燃整理，在纤维表面形成难燃性膜，耐洗性好。（3）制造难燃纤维：由合成的难燃聚合物纺制而成。七、纤维的熔孔性1.定义：当纤维及其制品上为热体所溅时被熔成孔洞的性能。抗熔性：抵抗熔孔现象的性能。2.合成纤维易产生熔孔现象的原因涤纶、锦纶熔融所需的热量较少，棉毛分解需热多——吸湿性；涤纶、锦纶比棉、粘、羊毛导热快，热传导至织物其它部位——导热系数大。3.测试方法：落球法——将热玻璃球与织物接触，看织物熔融所需时间，或使织物熔融的最低温度。4.评定标准：抗熔性450℃左右为良好。5.改善织物抗熔性的方法：合纤与天然纤维混纺；制造包芯纱（芯用锦纶、涤纶，外层用棉）。第二节光学性质一、纤维的色泽二、纤维的双折射三、纤维的耐光性四、光致发光OpticalProperties定义：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。纤维在光照射下表现出来的性质。意义：光学性质与纺织品的外观质量关系密切；光学性质是研究纤维内部结构的一种途径。一、纤维的色泽1.纤维的颜色（Color）取决于纤维对不同波长色光的吸收和反射能力。如果在白光中除去一种补色，则可以观察到另一种补色，高锰酸钾因吸收白光中的绿光而呈现紫色。2.纤维的光泽（Luster）（1）纤维的光泽取决于光线在纤维表面的反射情况（反射量的大小；反射光的分布）。光线照到纤维表面入射（incidence），发生反射（reflection）、折射（refraction）、透射（transmission）和吸收（absorption），非常复杂，反射光强纤维光泽就好。纤维集合体的光泽取决于纤维对光的反射和纤维的排列。1122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光与透明纤维及其纤维集合体的折射、反射和透射irtt2t3trtrttr2t2r纤维入射反射1反射3折射2折射1折射3反射2纤维的光泽实际上是：正反射光（镜面反射）、表面散射反射光（漫反射）和来自内部的散射反射光（散射光）的共同贡献。一般物体的光反射作用介于镜面反射和漫反射及散射之间，是具有峰值的漫反射，即平行光射向物体后反射光散布在各个方向上，但其中某一特殊角度上的反射光较强。光线在纤维表面的反射、折射和透射（2）影响纤维光泽的因素①纵面形态：纤维纵向表面平滑一致，则漫反射少，纤维表现出较强的光泽。化纤表面光滑，反光亮度大，光泽强。而天然纤维表面较粗糙，反光亮度较弱。棉纤维中成熟度好光泽好；丝光棉光泽性较好；羊毛中粗的优于细的。②截面形状圆形截面纤维a.圆截面纤维就如同一凸透镜，透射光会形成聚焦，形成极光点或线，称为“极光”b.光线在纤维体内的多次反射也会造成明亮效果三角形截面纤维a.产生强烈的镜面反射和全反射——“闪光”效应b.棱镜的色散作用③层状结构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。天然纤维和化学纤维均可产生层状结构。层状结构使纤维体内光的折射率产生差异。光线在各层发生反射和折射、吸收，纤维呈现出较强的光泽，光泽柔和均匀、不耀眼。二、纤维的双折射1.Birefringence，定义当光线（振动方向）沿着两个不同光轴方向传播时，由于该物质各自方向上光密度不同，将使光线产生两种传播速度，具有两种折射率（Refractiveindex），这种现象称为双折射现象。C，光在真空中传播速度；V2，光在介质中传播速度。寻常光（ordinaryray，简称o光），遵守折射定律，传播速度较快的光，称快光（振动方向垂直于纤维轴），该方向的折射率较小，n⊥；非寻常光（extraordinaryray，简称e光），不遵守折射定律，传播速度较慢的光，称慢光（振动方向平行于纤维轴），该方向的折射率较大，n‖。

双折射率：△n=n‖-n⊥

△n>0为正晶体；△n<0为负晶体纺织纤维的折射率一般在1.5~1.6之间，醋酯纤维与涤纶纤维除外。常见纤维的折射率和双折射率负晶体2.纤维产生双折射的原因纤维中大分子具有取向结构，使得纤维具有各向异性结构特征，振动方向平行于纤维轴向的平面偏振光的能量会被纤维大分子吸收的多，光速较慢，折射率大。3.双折射率与纤维内部结构的关系分子取向程度纤维中的全部大分子与纤维轴平行排列时，纤维的双折射率最大，大分子完全紊乱排列时，双折射率等于零。分子本身结构非线型、极性方向、多侧基和非伸直构象三醋酯纤维分子上的侧基数量多，致使双折射率为负值；羊毛大分子的多侧基和螺旋构象，使其△n比蚕丝小的多；腈纶的侧基（氰基）极性极大，无规螺旋状，以至于纤维的双折射率接近零。4.纤维双折射率的测定方法及应用浸没法（间接法）：寻找倍克线（Beckeline），测得表层折射率纤维边缘对于光线的作用如同棱镜。如果纤维折射率小于液体(nf<ns)，纤维相当于凹透镜，光线通过纤维后向纤维外侧发生倾斜，聚焦平面上升时，贝克线外移。如果纤维折射率大于液体(nf>ns)，纤维相当于凸透镜，光线通过纤维后向纤维一侧发生倾斜，聚焦平面上升时，贝克线内移。当nf=ns

，溶液与纤维的界面消失。光程差法（直接法）用石英楔子补偿法测出△（光程差）和d（纤维的厚度）。△=d（n‖-n⊥）方法：首先使偏振光显微镜的起偏器和检偏器正交，这时视野全暗，然后放置纤维使其与正交的起偏器和检偏器成45º角，以得到最大的光强，这时纤维明亮。然后把石英楔子补偿器插入显微镜筒，使石英楔子的快光方向与纤维的慢光方向(纤维几何轴方向)相重合。调节石英楔子的位置或厚度，使石英楔子产生的光程差恰好等于纤维所产生的光程差，两者相抵消，纤维中央呈全暗。最后从石英楔子的刻度上，读出纤维的光程差数值。应用1.用于判明纤维分子的取向程度

△n大，取向度大，用于调节拉伸倍数。2.测量棉纤维的成熟度橙黄绿——成熟蓝、紫——不成熟三、纤维的耐光性1.定义：纺织材料抵抗光照的能力。老化：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。老化原因：①短波长、高能量的紫外线辐射，纤维大分子主链键能257.2~418.7kJ/mol，近紫外线能量297.7~396.9kJ/mol②氧气环境下，促进氧化裂解过程太阳紫外光能量与有机化合物键能能量的相应波长到达地面的太阳波谱为290～3000nm，可见光400～800nm约占40%，红外线800～3000nm约占55%，紫外线290～400n约占5%。分子结构中含有C—H、C—O、C—C、C—Cl、C—N等键，一般不吸收波长大于290nm的光线。纤维中所含的其他物质或杂质吸收紫外线后，引发氧化反应，形成羟基，羟基吸收波长280～320nm的紫外线。吸收的能量传给整个分子链，破坏不直接吸收紫外线的弱键。锦纶选择吸收波长330nm的紫外线；含有酯基（estergroup）的涤纶能吸收波长313nm的紫外线；二氧化钛能吸收波长300nm以上的紫外线。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，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（锦纶）TiO2具有消光作用，但增加对光的吸收，纤维易老化日光照射时间与纤维强度的损失耐光性大致顺序：腈纶>羊毛>麻>棉>粘胶>涤纶>锦纶>蚕丝回潮率↑，耐光性↓含杂多（TiO2），耐光性↓染色后，耐光性↓纤维中加入荧光物质，耐光性↑温度对光化裂解的影响，湿空气大于干空气荧光物质：吸收高能光子，反射低能光子2.影响纤维耐光性的因素四、光致发光纤维被光照时，尤其是被波长较短的紫外光照射时，受激辐射产生可见光，这种现象称为光致发光。分为荧光和磷光两种。利用荧光或磷光的颜色以及磷光的延续时间长短，可以鉴别纤维。第三节电学性质一、纤维的介电性质二、纤维的导电性三、纤维的静电ElectricProperties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。加工过程消除静电电容法和电阻法测回潮率电容法测量纱线不匀率主要包括纤维的介电性质、导电性质、静电。一、纤维的介电性质Dielectricproperties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.纤维的介电常数（1）定义：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（relativepermittivity，dielectricconstant）。它是材料的本体常数。其数值为：C材，以某种纤维材料为介质时，电容器的电容量；C0，以真空为介质时，电容器的电容量。PolarisationofamediumPhysically,dielectriceffectsareduetopolarisationinthemedium.Thisgivesrisetoareversefield,whichreducestheforcebetweentwochargesandreducesthepotentialdifferencebetweenthechargedplatesofacondenser,whichthusincreasesitscapacitance(givenbycharge/potentialdifference).（2）介电性质的应用介电常数又称电容率或相对电容率，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。相对介电常数愈小绝缘性愈好。空气的介电常数接近于1，干燥纺织纤维的介电常数大约在2~5之间，液态水的介电常数为20，固态水约为80。不同回潮率或含水率的纺织材料作为电容器的介质，电容量不同。通过测量电容量的大小，间接测量回潮率。纱条连续通过由两个金属平板组成的空气电容器时，介质为纤维和空气混合物，各段纱条所含纤维数量的变化，会引起电容量的变化。（3）影响ε大小的因素内因电介质的密度：体积重量或密度愈大，纤维间的空气量↓，ε↑；极性基团↑，ε↑；纤维分子量：分子量↓，端基数↑，ε↑。外因温度：温度增加，分子热运动增加，偶极子易于取向，ε增加。频率：一般频率↑，ε↓。（偶极取向运动总是滞后于电场频率的变化）回潮率：水的ε大，回潮率增加，ε增加。2.介电损耗Dielectricloss定义：介质在交变电场作用下引起发热的能量消耗。机理：在交变电场作用下，纤维材料的极性基团以及纤维内部的水分子会发生极化，极化分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换不断地作扭转交变取向运动，分子间发生碰撞、摩擦、生热，消耗能量。这种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、电场强度以及与材料的介电性质有关。电场频率高，介质产热越多，当电场频率与极化子振动频率达到共振时，介电损耗最大。f过高时，极性基团来不及跟随电场取向，发热量减小。电场强度较大时，纤维的极化现象增强，产生的热量较多。介电常数εr与介电损耗角正切tgδ的乘积也叫介电损耗因数。εr和tgδ主要由纤维的组成和结构决定，与电场频率有关。电场频率↑，εr

↓。介电损耗的影响因素P为电场消耗的功率，W/cm；f为外电场的频率，Hz；E为外电场强度，V/cm；tgδ为介电损耗角δ的正切；εr为介电常数。介电损耗的利用1.纤维材料作为电工绝缘材料，这时介电损耗应当越小越好，以免材料发热老化而破坏。2.利用介电损耗的原理，可以对纤维材料进行加热烘干。干燥纤维材料的介电常数一般为2~5，tgδ为0.00l~0.05，而水的介电常数为20~80，tgδ为0.15~1.2，纤维在高频电场或超高频电场中绝大部分能量将被水分子吸收而蒸发。二、纤维的导电性1.纤维的导电机理导电的基本方式：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。2.纤维的比电阻电阻是反映物体对电流阻碍作用的物理量，用来表示物体的导电性能。由电阻定律，导体的电阻R与导体的长度L成正比，和导体的截面面积成反比，并且和材料的性能有关。电阻R的计算公式：式中ρv叫电阻率（resistivity）或体积比电阻，反映物质对电流阻碍作用的属性，单位Ω·cm。

反应纤维材料导电性质的物理量为纤维的比电阻。（1）表面比电阻surface-specificresistance（ρS）定义：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Ω。（2）体积比电阻volume-specificresistance（ρv）定义：单位长度上所施加的电压（U/L），相对于单位截面上所流过的电流（I/S）之比，其值是电阻率，单位Ω·cm。碳纤维的电阻率为15Ω·m。（3）质量比电阻mass-specificresistance（ρm）测量方便定义：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Ω·g/cm2。ρm可以通过称取纤维重量W和代入电极间距离L值，测出电阻值即可求得；还可除以纤维的密度γ，求得体积比电阻，应用较多。W为纤维的质量（g）γ为纤维密度（g/cm3）纺织纤维的质量比电阻VariationofresistanceoffibreswithrelativehumidityElectricalresistan