纤维的热学光学电学性质

关于纤维的热学光学电学性质第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热机械性能曲线

三、纤维的耐热性与稳定性

四、纤维的热膨胀与热收缩

五、纤维的热塑性和热定型六、纤维的燃烧性能

七、纤维的熔孔性

第2页,共90页，2024年2月25日，星期天一、热学指标1.比热C（specificheat）质量为1克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量：J/g·℃比热值的大小，反映材料释放、贮存热量的能力

式中：Co——干纤维的比热（J/g·K），M——干纤维的质量，△T——温度的变化，q——纤维吸收或放出的热量。

第3页,共90页，2024年2月25日，星期天湿纤维的比热为：式中：C——湿纤维的比热（J/g·K），Co——干纤维的比热（J/g·K），Cw——水的比热（J/g·K），M——纤维含水率。

第4页,共90页，2024年2月25日，星期天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芳香聚酰胺纤维1.21羊毛1.36锦纶61.84醋酯纤维1.46桑蚕丝1.38～1.39锦纶662.05玻璃纤维0.67亚麻1.34涤纶1.34石棉1.05大麻1.35腈纶1.51水4.18黄麻1.36丙纶(50℃)1.80空气1.01

常见干燥纺织纤维的比热单位：J/g·℃第5页,共90页，2024年2月25日，星期天影响比热的因素温度与回潮率的影响纤维吸湿热随温度升高而增大

羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系

第6页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维结构的影响

dH/dt

(J.s-1)12701350H=175J/gH=202J/g80100120140160T/℃不同取向聚乙烯纤维的DSC图谱第7页,共90页，2024年2月25日，星期天2.导热系数λ：材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度。在数值上为在传热方向纤维材料厚度为1m,面积为1m2，两个平行表面之间的温差为1℃，1h内通过材料传导的热量焦耳数。单位：W/m·℃λ是导热系数(W/m·℃)；Q为热量(J)；t为时间(s)，s为传导截面积(m2)，d为纤维制品厚度(m)；ΔT为纤维材料两表面之间的温度差

。第8页,共90页，2024年2月25日，星期天导热性：在有温差的情况下，热量从高温向低温传递的性质。保暖性：抵抗这种传递的能力。导热系数与集合体的体积重量的关系第9页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维制品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0.32

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——第10页,共90页，2024年2月25日，星期天影响导热系数的因素纤维的结晶与取向

有序排列的晶格→导热系数↑热传导的各向异性纤维集合体密度密度在0.03～0.06g/cm3，导热系数λ最小

第11页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维层体积重量和导热系数间的关系

第12页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维排列方向

纤维平行于热辐射方向排列时，导热能力较强

αf热辐射方向纤维层方向导热系数第13页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维细度和中空度纤维细度↓，导热系数↓。纤维中的空腔量↑，纤维集合体的导热系数↓。环境温湿度纤维材料导热系数随温度升高而增大。

回潮率越高，λ↑。

第14页,共90页，2024年2月25日，星期天3.绝热率定义：纤维材料隔绝热量保持温度的性能绝热率T为：Q0被包覆的热体一定时间后的散热量Q1未包覆的热体相同时间后的散热量∆t0--不包覆试样的热体单位时间温度下降量（温差）∆t1--包覆试样的热体单位时间温度下降量（温差）第15页,共90页，2024年2月25日，星期天4.克罗值定义：它的定义是在温度为20℃，相对湿度不超过50%，空气流速不超过10cm/s的环境中，一个人静坐并感觉舒适时衣服所具有的热阻，称为1克罗。1克罗=4.3×10-2℃·m2·h/J=155m2·℃/W第16页,共90页，2024年2月25日，星期天5.保暖率描述织物的保暖性能在保持热体恒温的条件下，无试样包覆时消耗的电功率和有试样包覆时消耗的电功率之差，占无试样包覆时消耗的电功率的百分率数值越大，说明该织物的保暖性能越强第17页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热力学性质

三、纤维的耐热性与稳定性

四、纤维的热膨胀与热收缩

五、纤维的热塑性和热定型六、纤维的燃烧性能

七、纤维的熔孔性

第18页,共90页，2024年2月25日，星期天热力学性质：在温度变化过程中，纺织材料的机械性质随之变化的性质两相结构结晶区：熔融前的熔融态，刚性体、强力高、伸长小、模量大；熔融后的熔融态，黏性流动体无定形区：玻璃态、高弹态、黏流态

第19页,共90页，2024年2月25日，星期天（一）熔点熔点：晶体从结晶态转变为熔融态的转变温度低分子物的相变--熔点；高聚物的融化--熔程熔点受结晶度和晶粒状态影响第20页,共90页，2024年2月25日，星期天玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹转变区交联型分子Tg(℃)Tf(℃)(a)非晶态材料的热机械性质

两种转变和三种力学状态

玻璃态、高弹态和粘流态称为高聚物的力学三态。第21页,共90页，2024年2月25日，星期天玻璃态：聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为；纤维坚硬，类似玻璃玻璃态温度形变IIIIII（二）玻璃态由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度Tg

玻璃化转变区玻璃化转变区：几乎所有物理性质，如比热、导热系数、热膨胀系数、模量、介电常数和双折射率等，均发生突变第22页,共90页，2024年2月25日，星期天当温度升高到某一程度时，形变发生突变，进入区域II。当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。（三）高弹态温度形变IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区第23页,共90页，2024年2月25日，星期天形变温度IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区Tg粘流态粘弹态转变区Tf交联聚合物MaMbMb>Ma（四）粘流态纺织纤维呈现一种具有黏滞性可流动的液体状态，该力学状态称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。第24页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热机械性能曲线

三、纤维的热塑性和热定形四、纤维的耐热性与稳定性

五、纤维的热膨胀与热收缩

六、纤维的燃烧性能

七、纤维的熔孔性

第25页,共90页，2024年2月25日，星期天三、热定形

热定形指在热的作用下（以热手段进行分子之间联系的切断或重建）进行的定形。

热变形目的：使纤维材料获得卷曲和膨松效果热塑性

将合成纤维加热到Tg以上，并强迫其变形，然后冷却并去除外力，这种变形就可固定下来。第26页,共90页，2024年2月25日，星期天合成纤维采用发生在无序区、温度范围在Tg～Tm的热定形高结晶的棉、麻类纤维采用交联或其他的方法定形。羊毛类纤维热湿作用。丝类纤维类似棉、麻热定形的机理

第27页,共90页，2024年2月25日，星期天（二）热定形的效果暂时性热定形效果是指纤维或其织物在热定形后的使用中会较快消失半永久性热定形效果若给以激烈的作用，其热定形也会消失。永久性热定形效果是指纤维的Tg温度高于一般衣着使用的温度的热定形处理。

第28页,共90页，2024年2月25日，星期天热定形的方法

根据热定形时纤维发生收缩的程度划分张力定形（有张力）松弛（自然状态）定形根据热定形的热媒介质划分干热空气定形接触加热定形水蒸气湿热定形浴液(如水、甘油)定形……第29页,共90页，2024年2月25日，星期天（三）影响热定效果的主要因素

温度：热定形的温度，要高于合成纤维的玻璃化温度，低于软化点及熔点。适当降低定形温度，可以减少染料升华，使织物手感柔软。

第30页,共90页，2024年2月25日，星期天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几种纤维织物的常用热定形温度

第31页,共90页，2024年2月25日，星期天时间：大分子间的联结只能逐步拆开，重建分子间的联结也需要时间。在一定范围内，温度与热定形时间呈反比。张力：在热定形过程中对织物施加张力，有利于布面的舒展和平整。冷却速度：高温处理后，应急速冷却，使相互位置快速冻结而固定，形成较多的无定形区第32页,共90页，2024年2月25日，星期天膨体纱

第33页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热机械性能曲线

三、纤维的热塑性和热定型四、纤维的耐热性与稳定性

五、纤维的热膨胀与热收缩

六、纤维的燃烧性能

七、纤维的熔孔性

第34页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维的耐热性指纤维抵抗热破坏的性能。表达方法：纤维的特征温度Tg、Tm和Tf以及Td；纤维力学性能在高温下的保持率表示；纤维随温度升高而强度降低的程度。第35页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维的热稳定性

指在一定温度条件下随时间增加纤维性能抵抗恶化的能力。受热温度超过500℃时，纤维的热稳定性叫耐高温性。质量与组成的稳定性结构的稳定性形态的稳定性第36页,共90页，2024年2月25日，星期天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110－－－－－－丙纶－35145～150163～175－－－－氯纶8290～100200－－30～40第37页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维在20℃未加热在100℃经过20d在100℃经过80d在130℃经过20d在130℃经过80d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100100100100100常见纺织纤维受热后的剩余强度(%)

第38页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热机械性能曲线

三、纤维的热塑性和热定型四、纤维的耐热性与稳定性

五、纤维的热膨胀与热收缩

六、纤维的燃烧性能

七、纤维的熔孔性

第39页,共90页，2024年2月25日，星期天热收缩

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。产生原因：定形效果不好，有残余内应力存在分子链比较伸展，各键节、键段无规运动第40页,共90页，2024年2月25日，星期天指标：热收缩率，即加热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率。根据介质的不同有：沸水收缩率：热空气收缩率：饱和蒸汽收缩率：第41页,共90页，2024年2月25日，星期天第42页,共90页，2024年2月25日，星期天热膨胀一部分纤维在加热的情况下有轻微的膨胀现象。纤维种类膨胀系数（10－4）纤维种类膨胀系数（10－4）棉40膨胀锦纶1聚乙烯2膨胀涤纶0.5聚丙烯10锦纶－3醋酯纤维0.8～1.6涤纶－10（在80℃附近）第43页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热机械性能曲线

三、纤维的耐热性与稳定性

四、纤维的热膨胀与热收缩

五、纤维的热塑性和热定型六、纤维的熔孔性

七、纤维的燃烧性能第44页,共90页，2024年2月25日，星期天基本概念织物接触到热体而形成孔洞的性能——熔孔性。抗熔性：抵抗熔孔现象的性能。

第45页,共90页，2024年2月25日，星期天影响熔孔性的主要因素热体的温度热体的作用时间热体的热量纤维的性能第46页,共90页，2024年2月25日，星期天测量方法落球法：一定温度、重量大小的钢（或玻璃）球在布上形成孔洞所需时间。烫法：用热体（金属棒、玻璃棒、纸烟等）接触试样一定时间，观察熔融状态。

第47页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节

热学性质

一、纺织纤维的导热与保温

二、纤维的热机械性能曲线

三、纤维的耐热性与稳定性

四、纤维的热膨胀与热收缩

五、纤维的热塑性和热定型六、纤维的熔孔性

七、纤维的燃烧性能和阻燃性

第48页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维的燃烧易燃(B3)可燃(B2)难燃(B1)不燃

(A)描述纤维燃烧性的指标极限氧指数LOI着火点温度TI燃烧时间θ火焰温度TB等指标。第49页,共90页，2024年2月25日，星期天极限氧指数LOI（LimitingOxygenIndex）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。第50页,共90页，2024年2月25日，星期天分类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LOI对纤维燃烧性能的分类

第51页,共90页，2024年2月25日，星期天点燃温度和燃烧时间

点燃温度TI：是指纤维产生燃烧所需的最低温度，称着火点温度。取决于纤维的热降解温度和裂解可燃气体的点燃温度。燃烧时间θ是指纤维放入一可燃环境中，观察纤维从放入到燃烧所需的时间。燃烧时间取决于纤维的导热系数λ、热降解速率等

第52页,共90页，2024年2月25日，星期天燃烧温度

TB是指材料燃烧时火焰区中的最高温度值该指标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。

第53页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维阻燃的途径及形式纤维的阻燃性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。目前的阻燃纤维主要分为两类：在纺丝原液中加入阻燃剂由合成的难燃聚合物纺丝阻燃织物的性能要求第54页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节：热学性质第二节：光学性质第三节：电学性质第55页,共90页，2024年2月25日，星期天光在纤维中的反射与折射现象

光与平行界面介质的相互作用:入射主反射次反射次透射主透射介质1(空气或液体)介质1(空气或液体)介质2(纤维)

2

2

1

1(a)层状结构第56页,共90页，2024年2月25日，星期天入射反射1反射3折射2折射1折射3反射2(b)纤维（b)普通纤维截面第57页,共90页，2024年2月25日，星期天irtt2t3trtr2trtt2rtr(c)纤维集合体第58页,共90页，2024年2月25日，星期天一、光泽

纤维的光泽取决于三类反射：正反射光：平行光射向界面为平面的物体，反射出来的仍将是平行光。漫反射：如果平行光射向界面粗燥的物体，反射出来的光均匀地射向各个方向。散射光：因光子的多次碰撞从纤维表层散射出的光线。第59页,共90页，2024年2月25日，星期天影响纤维光泽的主要因素

纤维的层状结构

多层反射作用使到达纤维表面的反射光产生叠加，且不同波长光还会产生干涉作用。入射反射1234空气层1层2层3层4…第60页,共90页，2024年2月25日，星期天纤维纵向形态对光泽的影响如纤维纵向表面平滑一致，纤维表现出较强的光泽。化学纤维丝光棉光泽较强粗羊毛细羊毛若鳞片受损伤制造半无光或消光化纤的常用方法纺丝液或纺丝熔体中加入消光剂第61页,共90页，2024年2月25日，星期天横向截面形状圆形截面纤维：纤维外观较明亮“极光”效应光线在纤维体内的多次反射涤纶纤维“极光”产生机理第62页,共90页，2024年2月25日，星期天三角形异形纤维消除极光的原理--

三角形截面纤维：照射到纤维上的光线会产生强烈的镜面反射效果。“闪光”效应。三角棱镜的色散作用，还会产生不同色彩效应。第63页,共90页，2024年2月25日，星期天白光经过三棱镜可分解成不同波长的彩色光第64页,共90页，2024年2月25日，星期天二、光的双折射双折射现象：折射率的数值与光的传播方向有关双折射率定义为：△n=n∥─n⊥

n∥为光波振动方向平行于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n⊥为光波振动方向垂直于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率o光e光第65页,共90页，2024年2月25日，星期天o光E光o光：振动方向垂直于纤维轴，传播速度较快，折射率较低，又称为寻常光或快光。E光：振动方向平行于纤维轴，传播速度较慢，折射率较大，又称为非常光或慢光第66页,共90页，2024年2月25日，星期天影响双折射大小的因素

取向度

取向度↑，双折射率↑。大分子本身的不对称性

大分子链呈曲折状或螺旋状，或主链上有侧基，都会使双折射率下降。第67页,共90页，2024年2月25日，星期天三、耐光性与光防护

“老化”耐光性：指纤维受光照后其力学性能保持不变的性能。腈纶＞羊毛＞麻＞棉＞粘胶＞涤纶＞锦纶＞丙纶＞蚕丝光照稳定性：指纤维受光照射后其不发生降解或光氧化、不产生色泽变化的性能。蚕丝、锦纶第68页,共90页，2024年2月25日，星期天光防护机理：对紫外线的吸收和反射涤纶羊毛和蚕丝等蛋白质纤维麻类纤维棉、粘胶纤维、锦纶、腈纶等纤维第69页,共90页，2024年2月25日，星期天紫外线防护系数UPF：UPF=50，说明有1/50的紫外线可以透过织物。紫外线透过率T：覆盖有试样时的紫外线辐照度占无试样时的紫外线透射辐照度的百分率。第70页,共90页，2024年2月25日，星期天防紫外线产品UPF≥30透过率≤5%类型：纤维内嵌入紫外线吸收材料、织物防紫外线印染整理、织物表面加金属涂层、织物表面加非金属涂层第71页,共90页，2024年2月25日，星期天第72页,共90页，2024年2月25日，星期天四、紫外荧光定义：纤维受到紫外线的照射时，会发出可见光范围内的光用于鉴别纤维。紫外线照射下，成熟棉纤维是淡黄色，未成熟的棉纤维是淡蓝色，丝光后的棉纤维是淡红色第73页,共90页，2024年2月25日，星期天第一节：热学性质第二节：光学性质第三节：电学性质第74页,共90页，2024年2月25日，星期天一、介电常量表示绝缘材料储存电能的能力介电常量干燥物质为2~5，真空为1，液态水为20，固态水为80。影响因素内因：纤维材料的填充密度纤维在电场中的排列方向纤维含杂外因：环境温度、相对湿度、电场频率等影响第75页,共90页，2024年2月25日，星期天介电现象是指绝缘体材料在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象。纤维的介电常数ε

数值为：ε＝C/C0物理意义：式中的C0和C分别是以真空为介质和以纤维为介质时，平板电容器的容量第76页,共90页，2024年2月25日，星期天材料或纤维介电常数材料或纤维介电常数棉6涤纶3.02羊毛6锦纶4粘纤7.7真空1醋纤3.5～6.4空气≈1材料的介电常数（频率f＝50Hz，T＝20～25℃，RH＝65％）

第77页,共90页，2024年2月25日，星期天影响ε大小的因素

a.内因电介质的密度：密度增大，介电常数增大；极化率：纤维分子极化程度增加，介电常数增加；纤维分子量：分子量降低，介电常数增加。b.外因温度频率：频率增加，介电常数降低。回潮率：W增加，介电常数增加。

第78页,共90页，2024年2月25日，星期天二、电阻纤维导电性指标：比电阻第79页,共90页，2024年2月25日，星期天体积比电阻ρv（Ω·cm）：－指单位长度上所施加的电压U，相对于单位截面上所流