纺织物理第7章课件

《高等纺织材料学》《高等纺织材料学》第七章纤维的表面性质第七章纤维的表面性质纤维的表面性质取决于表面和表层的结构特征。如羊毛纤维表面的鳞片作用赋予羊毛的差微摩擦效应；涤纶纤维表面形态的粗糙话赋予纤维的光泽变化；高强聚乙烯表面等离子体货哈，赋予其高的粘结性。作为复合材料的增强体纤维，如何与基质发生相互粘结；作为与人体接触的纺织品，纤维如何提供舒适感；作为装饰材料的纤维的色光特征；以及作为特殊用途功能的材料，纤维如何体现吸附、传递、耐腐蚀、能量转换等性质，均以纤维表面性状特征为主，是物质相互结合、共存、分离、传递的关键层面或部位。纤维表面性质是一广泛的定义，包括表面摩擦、磨损和变形；表面光学特性，如色泽特征；表面传导特性，如对热、湿、声、电的传递；表面能及表面吸附与粘结。同时表面性能还涉及实用中的表面改性方法、表面分析方法等。本章仅就纤维表面性质中的3个内容进行阐述：纤维的摩擦性质、纤维的浸润性、纤维的粘结性。《高等纺织材料学》-第七章纤维的表面性质第一节纤维的摩擦性质一、纤维摩擦参数及其相互关系与纤维摩擦有关的参数有：摩擦力F、正压力或法向负负荷N、摩擦系数、摩擦时接触面积S、摩擦时的相对运动速度v、摩擦面的粗糙度r、表面形状和表层附着物。1.F、N、S间的关系

Amontons或Leonard很久以前的摩擦实验就表明物质间的摩擦力F与物质间的正压力N成正比，这个比例常数就是摩擦系数，即F=N其他经典理论：较为接近实际情况的理论：对于纤维材料而言，n一般位于2/3~1之间。第一节纤维的摩擦性质第一节纤维的摩擦性质2.静、动摩擦和滑移速度第一节纤维的摩擦性质3.摩擦系数与纤维表面状态的关系纤维与摩擦有关的表面状态主要包括：一是纤维表面的粗糙度r；另一是纤维间的摩擦系数，即界面摩擦和润滑摩擦。界面摩擦是纤维固体间的接触摩擦形式，随相对运动速度增大而减小。润滑摩擦是纤维间流体状膜的剪切粘滞力的摩擦，包括纤维本身软化和表面的油迹等，随速度增加而增大。第一节纤维的摩擦性质3.摩擦系数与纤维表面状态的关系一般而言，纤维的摩擦系数为0.1-0.8，其典型的摩擦系数值根Amonton定律可得。第一节纤维的摩擦性质4.纤维外观形态与摩擦作用纤维外观形态主要指纤维的截面形状、纤维的卷曲。合成纤维截面形态一般为圆形或近圆形，扭曲趋势最不明显，纤维间接触概率较高，有效作用较强；而非圆形纤维易于产生螺旋状扭曲，影响纤维的靠近。纤维卷曲主要影响纤维间的排列，导致纤维间的纠缠。一方面使得纤维的分离、开松和梳理变得容易，纤维网中的集束纤维束大都由无卷曲的纤维集合而成。另一方面，纤维卷曲会使纤维网更具有弹性、均匀性，因为卷曲的纤维容易相互嵌合形成整体，纤维卷曲产生的抱合力使得纤维条的牵伸变得稳定，但需要大的牵伸力。

由于材变形，剪切而被刨刮、耕犁的力用Fp表示，简称为耕犁力。因此，摩擦系数与正压力和移动速度密切相关，并且不是一个常数。线性组合，可得总摩擦力：显然，Fad，Fl和Fp均是接触面积A、粗糙度r、相对滑移速度v的函数。当高速运动时，会形成软化点和膜，Fad、Fp作用增大，Fl消失。式只是一种定性描述，摩擦作用过程是一个复杂有交互作用的问题。一方面决定于摩擦接触面的微观分子作用过程和宏观力学变形过程。另一方面，摩擦是一个能量转换和耗散的过程，叠加应该从能量的角度来进行。但式明确给出了摩擦作用的机制及产生原因。第一节纤维的摩擦性质三、摩擦理论1.焊接理论就是指纤维在正压力作用下，某些凸起点在接触压力作用下，发生紧密接触和变形，形成良好的粘结作用点。认为两物体间的滑移必须克服焊接点的剪切变形阻力，即焊接点的破坏。故正压力越大，接触点越多，熔接点的变形越大，故“焊接”的面积越大。第一节纤维的摩擦性质2.焊接理论应用与纤维材料纤维在相互摩擦过程中，在接触部位会发生变形和熔接现象，这与焊接摩擦理论所描述的特征一样。第一节纤维的摩擦性质X=0.74.绞辫法或加捻法算法根据Amonton定律，第一节纤维的摩擦性质一、概述纤维的浸润与芯吸都是讨论纤维与液体（一般指水）的相互作用的。只是浸润较多地表达单纤维或纤维集合体表面或表观与水的相互作用；芯吸则表达纤维集合体内（纤维间）或单纤维体内（孔洞）对液体的毛细作用。似乎一个在外表面，一个在内表面，但作用机制是一致的。因此，表达了纤维浸润的特征，芯吸只要加上孔洞的等效毛细半径影响即可。纤维浸润中有许多有趣的现象，但主要有平衡与非平衡浸润现象、浸润滞后现象和伪浸润现象等。纤维的浸润，或称纤维的润湿(wetting)，是指纤维与液体发生接触时的相互作用过程。可以达到平衡不变的液体形状的浸润，称为平衡态浸润，又称静态浸润；液体形态一直在变化铺展的浸润，称为非平衡态浸润，或称铺展浸润，又称动态浸润。第二节纤维的浸润性质由图6-27可知接触角θ，是指气－液切面与固－液界面间，含液体的夹角。其值为(6-22)图6-27平衡浸润模型Young-Dupré方程（1）平衡态浸润第二节纤维的浸润性质理论上，纤维最大的平衡浸润性发生在θ＝0（cosθ=1），这时液体的表面张力应该等于固体的表面张力，即(6-23)此结果是求固体表面张力的一种方法。液体对固体的浸润，是固体对液体的吸附能所致，用粘着功WSL表示。Dupré方程表达为

(6-24)如果一液体，或一固体，与其本身结合，称为内聚功（WLL或WSS），由式(6-24)可知：(6-25)(6-26)第二节纤维的浸润性质依据接触角公式，式(6-24)可变为：(6-27)此式可以看出，粘着功由二部分构成，一部分为液体本身的性能LV；另一部分为液体和固体的相互作用，LVcos。依据的大小，同样可以将平衡态浸润也分为五种情况：①当WSL=WLL=2LV时，cos

=1，为全铺展，或完全浸润；②LV<WSL<WLL时，0<cos

<1，为正浸润；③WSL=

LV，cos

=0，为零浸润；④０<WSL<LV，1<cos

<０为负浸润；⑤WSL=０，cos

=1，为完全不可浸润。由粘着功WSL=０时，可以比接触角＝π，更为清楚地反映出纤维与液体间无任何粘着或吸附作用。（2）铺展浸润对于铺展过程，即非平衡浸润，在理论上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程，故Young-Dupré方程已不再适用。而在＝0时，液体在固体表面仍以某种速度vS扩展，克服液体内聚能WLL，使液体表面积扩大。第二节纤维的浸润性质因此铺展的必要条件是，WSL≥WLL恒成立。显然对于只描述液滴在固体物质上的形状变化，而对表面积变化不加考虑的式(6-21)或(6-22)已无意义。铺展浸润的特征是液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固－气界面消失，而留下二层固－液界面和气－液界面。2.浸润的滞后性浸润滞后性是指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在的差异，且第一次浸润角θ1恒大于第二次浸润角θ2，即(6-28)以此推广，存在(6-29)式中，i为浸润次数，随着i的增大，θi和θi+1趋于一致。即i→∞，θi＝θi+1。第二节纤维的浸润性质（1）形态的影响当液滴作用于粗糙表面时，表观接触角会发生跳跃性变化，其变化的原因如图6-28所示。实际A、B液滴为同一液体，固体物质也为均质材料，只是表面起伏，引起表观接触角θA≠θB≠θ，θA’=θA’’=θB’=θB’’=θ为真正的接触角。表面的起伏可以通过微区测量获得真实的接触角，但当起伏趋于微区化时，上述跳跃性，或θA与θB的差异会趋向一个稳态值。（2）组份的影响不同组分的表面浸润如图6-29所示。在不同组份区域尺寸较大时，接触角值也会产生跳动。当不同组份的区域趋向于微观化时，A、B两组份所形成的θA与θB的差异趋向一个稳态值θAB。第二节纤维的浸润性质图6-28粗糙表面浸润模型图形态伪浸润第二节纤维的浸润性质图6-31悬滴法计算示意和实物图悬滴法第二节纤维的浸润性质对浸润前进后退角的测量，可采用插入法的缓慢插入测θa；缓慢拔出测θb。也可采取注入法（图6-32）测得前进角θa和后退角θb。图6-32浸润的前进角和后退角的测量示意第二节纤维的浸润性质2.浸润力的测量浸润力的测量可以有竖直拔出法和水平浸入拉出法，如图6-33所示。

图6-33浸润力测量原理图第二节纤维的浸润性质（1）竖直拔出法竖直拔出法的受力平衡为(6-33)式中，F为纤维拔出力；FP为浸润力；Gf为纤维的重力；Fb为纤维浸润段的浮力，即；；。其中，P为固、液、气三相交界线的长度，即纤维截面的周长，当圆形时，P=πd，d为纤维直径；L、Af，和ρf分别为纤维的长度、截面积和密度；l和ρL分别为浸入液体的纤维长度和液体的密度。将拔出力F换算出表面张力的表达，并令纤维为圆形截面积，可得(6-34)纤维表面的真实浸润表面张力(6-35)第二节纤维的浸润性质即为Wilhelmy表达式，可求液体的表面张力或cosθ，转而求γSV。竖直拔出法不适于接触角大的、柔软的纤维。（2）水平浸入拉出法典型的实验曲线如图6-34所示，其中(a)为纤维和液体接触过程示意图；(b)为实验过程中力值变化和时间的关系图。在时间T1以前，为纤维和纤维架逐渐进入液体中的过程。初始OA阶段，纤维架开始向下进入液体中，OA阶段的力值由于纤维架受到的浮力的增大而逐渐线性减少，但十分微小。到A点时，纤维开始接触液体，此时，力值突然增加到B点，是纤维吸着液体的表现，界面张力的变化导致了这个力值的变化。过B点后，纤维继续进入液体中，固液界面开始趋替固气界面，力值逐渐减小，至C点。当由于纤维进入液体形成的凹液面消失、液面闭合，力值突然增大回到D点。时间T1以后，即到I点，开始向上拉纤维架，液体对纤维架浮力的减少以及移动阻力的出现，使得力值缓慢增加，直到J1点。J1点后，纤维开始被拉出液面，并附带部分液体形成液膜，随着液膜的逐渐增加，力值呈线性增大，直到J2点；第二节纤维的浸润性质随着液膜的减薄和破损，力值出现非线性特征，从J2点缓慢增加到P点，然后又从P点下降到P′点。由于最后液膜破裂，力值在瞬间降至Q点。根据上述浸润过程的现象，假设纤维为均匀细长的圆柱形，由于纤维水平进入液体中，其与液体接触的界面为圆形。对于这一浸润，接触角θ为常数，纤维受到的有效浸润力，即液体表面张力沿垂直方向的分力（∥）大小随液体与纤维接触点的位置变化，如图6-35所示。第二节纤维的浸润性质浸没拔出图6-34典型的实验曲线及过程示意图第二节纤维的浸润性质图6-35液面和纤维的接触点的关系示意图第二节纤维的浸润性质图6-35中，E点为液体和纤维的接触点，O′为纤维截面圆心，点A为液体和纤维的初始接触点；点D为液面闭合时液体和纤维的接触点，线BC为过E点的圆的切线，线FG为过E点的水平线。α为O′A和O′E的夹角；β为过E点的切线BC和水平线FG的交角。在浸入过程中，水平线FG和接触角θ是恒定不变的，变化的是β。理论上，总有一接触点，使β＝θ。因为，当θ<β，接触点E高于液面FG线，即线a，液体表面张力沿垂直方向的分力a⊥向下；当θ>β时，接触点E将低于液面水平面，即线b，此时液体表面张力沿垂直方向的分力b⊥向上。只有θ＝β时，接触点E位于FG线上，液体表面张力在水平方向，垂直方向的分力为零。因此，可以显微观察得到θ。但理论上可以求得接触角θ值。首先定义浸润因子w为(6-36)式中，FAB和FCD分别为AB和CD段得力值，见图6-36。当θ＝β时，有：（6-37）第二节纤维的浸润性质据图6-36可知：（6-38）假设图6-36中BC为直线，根据浸润因子的定义：（6-39）不考虑纤维架和纤维的浮力作用，则（6-40）将（6-40）代入（6-39）得：（6-41）将（6-41）代入（6-37）得：（6-42）式（6-42）反映了接触角θ与浸润因子的定量关系。结合浸润因子的定义，有表6-5的关系。第二节纤维的浸润性质图6-36实验曲线中力值变化分析示意图第二节纤维的浸润性质表6-5浸润因子与接触角θ的关系力值关系浸润因子接触角FCDw→∞θ=0FAB1<w<∞0<θ<π/2FAB=FCDw=1θ=π/2FAB<FCD0<w<1π/2<θ<πFAB=0w=0θ=π第二节纤维的浸润性质3.铺展速度的测量纤维的铺展浸润性可用铺展系数P来表达，即（6-43）铺展系数又可称为“铺展压”或“铺展张力”，其反映在此压力或张力的作用下，液体分子不仅能克服自身的内聚能作用，展开增加表面积，而且使液体分子在固体表面上快速扩散。vS为铺展速度，即气、液、固三相的交汇点A+的移动。第二节纤维的浸润性质图6-37长丝向下运动时液面月牙状的变化第二节纤维的浸润性质三、纤维芯吸与表征浸润对于单一纤维，或单一表面，可以用上述现象和说法来解释.但面对纤维集合体或多表面靠近，或多孔材料时，即便是原平衡态的浸润，也会变为非平衡态特征的浸润，即气、液、固三相交汇点A（图6-27），会发生长时间的移动，称为芯吸(wicking)。 1.纤维集合体的浸润现象纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象，或称芯吸。芯吸作用除了单纤维的浸润作用外（cosθ），还有孔隙形状因子的影响。典型的毛细管压力p方程为：(6-44)

第二节纤维的浸润性质毛细管的等效半径，即为形状参数；增大，芯吸压力p下降，浸润作用减弱；变小时，芯吸压力上升；当大于液体表面月牙弧的曲率半径ρ时，芯吸便停止。即毛细管垂直状态因重力作用存在极限值。水平状态时，当大到一定程度时，一种是液体分离，回到浸润的平衡或铺展状态，一种是如平常的水管，只要水源足够，将不停地流动。垂直和水平两种毛细状态见图6-38所示。

图6-38无毛细作用时液体的状态第二节纤维的浸润性质2.芯吸高度当纤维条，织物竖直插入液体或纤维集合体的空隙为竖直面对液体时，其拒水和芯吸作用，如图6-39所示。(a)90°<θ<180°（拒水）(b)0°<θ<90°（导水）图6-39纤维正、负浸润时的芯吸模型图第二节纤维的浸润性质⑴拒水高度hP根据力学平衡原则，液面垂直方向的作用力之和应该为零。即式中，γ为液体表面张力；d为孔隙的等效直径；ρ为液体的密度；h为液柱高度；g为重力加速度值。图6-39(a)中织物的拒水高度hP，可得：(6-46)织物能够拒水的必要条件是θ>π/2，θ越大，hP越大，θ=π时，（6-47）拒水的第二条件，才是织物的孔隙等效直径d0在织物不可浸润的条件下，d与hP成反比，d愈小，织物愈拒水。(2)导水高度hW由图6-39(b)可得力平衡方程第二节纤维的浸润性质所以，纤维间的芯吸高度hW为：(6-48)显然，要获得导水材料的必要条件是接触角θ<90°，当θ=0时，又回到式(6-47)。其次是毛细管直径要小，纤维集合体越紧密，则纤维间孔隙的等效孔径越小，纤维集合体的芯吸作用越强，hW越大。。3.芯吸速度纤维集合体的芯吸速率，在微观上取决于纤维的物理和化学性质，以及液体分子的热平衡过程；在宏观上取决于孔隙形态与方向。可由定时间t，测芯吸高度hW、扩展长度L和芯吸液体质量mW来表达。