纤维结构特征概述

关于纤维结构特征概述研究纤维结构的目的：

了解纤维结构与性能关系，正确选择和使用纤维；通过各种途径改变纤维结构，有效地改变纤维性能。

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纤维结构定义是指组成纤维的结构单元相互作用达到平衡时在空间的几何排列。第3页,共80页，2024年2月25日，星期天纤维结构

大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、取向度、侧序分布等形态结构：纵横向几何形态、径向结构、表面结构、孔洞结构等第4页,共80页，2024年2月25日，星期天

纤维的形态结构microscopicstructure微形态结构：用电子显微镜能观察到的结构，如：微纤、微孔、裂缝等；Featuresmaybeobservedbyelectronmicroscope.Naturalfibers:distinctlayersManufacturedandsilk:uniformthroughoutexceptskin-coreeffect第5页,共80页，2024年2月25日，星期天Macrostructures:宏形态结构：用光学显微镜能观察到的结构，如：皮芯结构、截面形态等。Featurescanbeobservedbyopticalmicroscope.Surfacecontour/longitudinalformsmooth striated convoluted serratedpitted lobed scalyCross-sectionalareashaperound kidneybean triangular flat dog-bone multi-lobal第6页,共80页，2024年2月25日，星期天棉纤维纵、横截面第7页,共80页，2024年2月25日，星期天绵羊毛纵、横截面第8页,共80页，2024年2月25日，星期天大麻纤维纵、横截面第9页,共80页，2024年2月25日，星期天桑蚕丝纵、横截面第10页,共80页，2024年2月25日，星期天涤纶纤维纵、横截面第11页,共80页，2024年2月25日，星期天晴纶纤维纵、横截面第12页,共80页，2024年2月25日，星期天粘胶纤维纵、横截面第13页,共80页，2024年2月25日，星期天四孔中空纤维横截面第14页,共80页，2024年2月25日，星期天导电纤维第15页,共80页，2024年2月25日，星期天第二节纺织纤维的大分子结构

纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤维、金属纤维）等外，绝大多数都是高分子化合物（即高聚物）,分子量很大。第16页,共80页，2024年2月25日，星期天一、单基（链节）

1、定义：构成纤维大分子的基本化学结构单元。A′－A－A……A－A－A〞或A′－(A)n－A〞A——单基；

A′、A〞——端基；

n——聚合度；第17页,共80页，2024年2月25日，星期天2、常用纺织纤维单基的化学组成：

第18页,共80页，2024年2月25日，星期天常用纤维的单基

纤维素纤维：

-葡萄糖剩基蛋白质纤维：-氨基酸剩基涤纶：对苯二甲酸乙二酯锦纶：己内酰胺丙纶：丙烯腈纶：丙烯腈第19页,共80页，2024年2月25日，星期天第20页,共80页，2024年2月25日，星期天单基的化学结构、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数量、极性强弱对纤维的性质影响很大。第21页,共80页，2024年2月25日，星期天二.聚合度1)定义：构成纤维大分子的单基的数目，或一个大分子中的单基重复的次数（n）。

大分子的分子量＝单基的分子量×聚合度第22页,共80页，2024年2月25日，星期天常用纤维的n：棉麻的聚合度很高，成千→上万；羊毛n＝576；

蚕丝n＝400再生纤维素纤维

300-600涤纶130

晴纶1000－1500

维纶n＝1700

丙纶n＝310-430

一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有一定的分布→高聚物大分子的多分散性。第23页,共80页，2024年2月25日，星期天2)聚合度与力学性质的关系：n→n临，纤维开始具有强力；n↑，纤维强力↑（∵n↑；大分子间的结合键↑结合能量变大）；但n增加至一定程度，强力趋于不变。n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿强度也低些，脆性明显些。第24页,共80页，2024年2月25日，星期天聚合度与力学性质的关系

强度P聚合度nno

制造化纤时，要控制n的大小n太小——强度不好；n太大——纺丝困难第25页,共80页，2024年2月25日，星期天n的分布：希望n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。制造化纤时，要控制n的大小。n太小——强度不好；n太大——纺丝困难。第26页,共80页，2024年2月25日，星期天三、纤维大分子链的支化、构型

纤维大分子的形状由于单基的键接方式的不同，可以分为三种构造形式：线型linear枝型branched网型network(crosslinked)第27页,共80页，2024年2月25日，星期天第28页,共80页，2024年2月25日，星期天四、纤维大分子链的内旋性、构象大分子链中的单键能绕着它相邻的键按一定键角旋转，称为键的内旋转。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构象。纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。第29页,共80页，2024年2月25日，星期天第30页,共80页，2024年2月25日，星期天五、纤维大分子链的柔曲性1)定义：指纤维大分子在一定条件下，通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。单键的内旋转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也有很大影响。第31页,共80页，2024年2月25日，星期天2)纤维大分子结构与柔曲性的关系主链上原子链弹性好，链节易绕主轴旋转，∴柔曲性↑；侧链较少，链节易绕主轴旋转，∴柔曲性↑主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋转，∴柔曲性↑；侧基间（大分子间）作用力较少，链节易绕主轴旋转，∴柔曲性↑；温度↑，内旋转加剧，大分子链柔曲性↑。第32页,共80页，2024年2月25日，星期天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曲形状使高度柔曲性，这就是高聚物产生弹性的原因。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，但在外力作用下，易被拉伸，易形成结晶。第33页,共80页，2024年2月25日，星期天

小结：纤维大分子是由许多个单基通过共价键连接而成的线型大分子。纤维大分子分子量大，分子链长。纤维大分子的主链一般都具有一定的内旋转自由度，使大分子链具有一定的柔曲性。由于热运动，在不同条件下，纤维大分子的构象可以不断改变。第34页,共80页，2024年2月25日，星期天第三节纺织纤维的聚集态结构一、大分子间作用力（次价键力）

纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位置，链的形状、大分子排列的密度及链的柔曲性等有关。这种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，使纤维具有一定的物理机械性质。第35页,共80页，2024年2月25日，星期天纤维大分子的次价键力包括范得华力、氢键、盐式键、化学键、其产生的原因及特点如下

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名称产生原因特点范得华力定向力产生于极性分子间，是由它们的永久偶极矩作用而产生的作用能量3～5千卡/克分子

与温度有关诱导力由相邻分子间的诱导电动势产生的，产生于极性分子与非极性分子之间1.5～3千卡/克分子

与温度有关色散力由相邻原子上的电子云旋转引起瞬时的偶极矩而产生的。产生一切非极性分子中。0.2～2千卡/克分子

与温度无关氢键大分子侧基（或部分主链上）极性基团之间的静电吸引力（如－NH，－COOH，－OH，－CONH等）能量1.3～10.2千卡/克分子距离2.3～3.2A

与温度有关盐式键在部分大分子侧基上，某些成对基团之间接近时，产生能级跃迁的原子转移，从而基团间形成相互结合的化学键是化学键中作用力较弱的一种，能量30～50千卡/克分子

化学键少数纤维的大分子之间存在这桥式侧基。化学键主要包括共价键、离子键和金属键能量50～200千卡/克分子

第37页,共80页，2024年2月25日，星期天四种结合力的能量大小：化学键＞盐式键＞氢键＞范得华力

四种结合力的作用距离：化学键＜盐式键＜氢键＜范得华力第38页,共80页，2024年2月25日，星期天总结：纤维大分子链间的作用力范德华力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。作用范围小于1纳米，作用能比化学键小1-2个数量级。第39页,共80页，2024年2月25日，星期天

氢键极性很强的X-H键上的氢原子，与另一个键上电负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引而形成的一种键（X—H···Y)。

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

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纺织纤维中常见的氢键：

O—H···ON—H···ON—H···NC—H···N第41页,共80页，2024年2月25日，星期天

盐式键

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（—COOH）和氨基（—NH2

）可形成盐式键—COO¯···+H3N—

盐式键键能大于氢键，小于化学键

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化学键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存在二硫键和（—S—S—）酯键（—C—O—）

O第43页,共80页，2024年2月25日，星期天纤维大分子主要是通过范德华力和氢键聚集在一起。分子间力的大小取决于：

1.单基化学组成（原子团多少、极性集团数目、极性强弱）

2.聚合度

3.分子间距离第44页,共80页，2024年2月25日，星期天

二、聚集态结构超分子结构（聚集态结构）：具有一定构象的大分子链通过分子链间的作用力而相互排列、堆砌而成的结构。纤维的超分子结构是在天然纤维的生长过程或化学纤维的纺丝成形及后加工过程中形成的。

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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）。第46页,共80页，2024年2月25日，星期天1、结晶

Crystallinity

（1）结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。

（2）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。

（3）结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率。

（4）非晶态：纤维大分子无规律地乱排列的状态。

（5）非晶区：纤维大分子无规律地乱排列的区域。Crystallineregions:adjacentpolymersarepackedwithspatialorderAmorphousregions:nospatialorder第47页,共80页，2024年2月25日，星期天

重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。

体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率。

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晶区特点

1)大分子链段排列规整

2)结构紧密，缝隙，孔洞较少

3)相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和

结晶度↑→纤维的拉伸强度、初始模量、硬度、尺寸稳定性、密度↑，纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、、柔软性、化学活泼性↓。第49页,共80页，2024年2月25日，星期天非晶区特点：

1)大分子链段排列混乱，无规律；

2)结构松散，有较多的缝隙，孔洞；

3)相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。结晶度↓→纤维吸湿性↑；容易染色；拉伸强度较小，变形较大，纤维较柔软，耐冲击性，弹性有所改善，密度较小，化学反应性比较活泼。第50页,共80页，2024年2月25日，星期天2、取向度Orientation

1)定义：指大分子或链段等各种不同结构单元包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。Highlyoriented:largeproportionofpolymerchainsarealignedwiththefiberaxis

结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定取向度高，取向应包括微晶体的取向。除了卷绕丝，一般说来，结晶度高，取向度也高。

第51页,共80页，2024年2月25日，星期天2)取向度与纤维性能间的关系：

纤维的取向度大，大分子可能承受的轴向拉力也大，拉伸强度较大，伸长较小，模量较高，光泽教好，各向异性明显。第52页,共80页，2024年2月25日，星期天Tensilebehaviorofnaturalfibers第53页,共80页，2024年2月25日，星期天第四节纤维的形态结构微形态结构：``用电子显微镜能观测到的结构。如微纤，微孔，裂缝等宏形态结构：用光学显微镜能观测到的结构。如皮芯结构，表面形态等。第54页,共80页，2024年2月25日，星期天研究纤维形态结构的意义形态结构与纤维性质密切相关

抱合力、可纺性、摩擦性能、粘合性、光泽、手感、保暖性、吸湿性……第55页,共80页，2024年2月25日，星期天第五节纤维素纤维的内部结构一、纤维素纤维的大分子结构纤维素大分子的基本链结是ß-葡萄糖剩基。第56页,共80页，2024年2月25日，星期天

纤维素纤维大分子中纤维素二糖由相邻2个葡萄糖剩基反向对称、一正一反连接而成，它的空间结构属于椅式结构：第57页,共80页，2024年2月25日，星期天二、纤维素大分子的超分子结构

结晶结构的最小单元（晶胞）是由五个平行排列的纤维素大分子在两个氧六环的一段上组成：第58页,共80页，2024年2月25日，星期天三、纤维素纤维的形态结构1、棉纤维的形态结构棉纤维由外向内是由初生层、次生层和中腔三个部分组成：第59页,共80页，2024年2月25日，星期天（1）初生层其外皮是一层极薄的蜡质与果胶的淀积层，外层之内是纤维的初生胞壁。一般认为初生胞壁由原纤呈网状结构组成。初生层很薄，纤维素含量不多。第60页,共80页，2024年2月25日，星期天（2）次生层次生胞壁占棉纤维的绝大部分。它在棉纤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S1，中层S2，内层S3。第61页,共80页，2024年2月25日，星期天（3）中腔棉纤维的中空部分，其内留有少数原生质和细胞核残余，它对棉纤维颜色有影响。第62页,共80页，2024年2月25日，星期天

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，微原纤的集积方式也要随之改变，因此原纤的膨化能力和试剂的可及性都不一样。第63页,共80页，2024年2月25日，星期天2、麻纤维的形态结构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。纤维之间用果胶相粘接，经脱胶后纤维分离。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构。第64页,共80页，2024年2月25日，星期天3、粘胶纤维的形态结构粘胶纤维中纤维素大分子聚集成微原纤，原纤和聚原纤再形成纤维；粘胶纤维部分初生层和次生层，没有“日轮”层。但有皮芯结构和锯齿形截面；一般而言，皮芯层凝固速度差别越大，截面形状越不规则，皮层与芯层相比，具有较小的结晶区和无定形区，结构比较均一，溶胀性较小，可能存在亚纤维管空隙，密度较小，取向度较高。第65页,共80页，2024年2月25日，星期天第六节蛋白质纤维的内部结构一、蛋白质纤维的大分子结构蛋白质大分子的基本链节是α-氨基酸剩基依靠肽键连结而成，其化学结构是如下图。第66页,共80页，2024年2月25日，星期天R基团不同形成的α-氨基酸也不同，有酸性，碱性和中性的。蛋白质大分子可以是直线状的曲折链（β型），也可以是螺旋链（α型）（见后页图）。羊毛纤维中两种都有，蚕丝基本是直线状的曲折链。第67页,共80页，2024年2月25日，星期天第68页,共80页，2024年2月25日，星期天二、蛋白质纤维的超分子结构羊毛中大分子间依靠范德华力，氢键，盐式键和二硫键相结合，形成网型构造形式；蚕丝中蛋白质大分子间仅依靠范德华力，氢键和盐式键相结合。第69页,共80页，2024年2月25