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1、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；
2、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1页/共54页第一节 纤维的摩擦性质 纤维的摩擦性质是指纤维与纤维，或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行为。它是纤维表面性质中必然涉及的性质之一。在纤维成纱过程中，纤维是靠其相互间的摩擦作用成网、成条、滑动变细、纠缠结合成纱的，并具有一定的力学性能。在织物成形过程中，也是靠纱线间的相互摩擦作用，使织物的交织点或编结固定，形成形状稳定、具有力学强度，又多孔通透、柔软舒适的织物。对于非织
3、造布的成形，更是靠纤维表面的摩擦性能，使纤维可以在无任何粘结剂的帮助下，仅靠纤维间的纠缠和摩擦使其成形并具有很好的力学强度。即便对于添加粘结剂的非织造布，摩擦作用仍在起着作用，只是对象换为纤维与胶粘剂，而不是纤维与纤维。纤维的摩擦性能不仅影响纺、织加工性能，而且影响成品的手感的风格。纤维的摩擦还会导致纤维的磨损与变形，产生质量转移、生热和静电现象。因此，要对纤维摩擦过程和性能进行分析。第2页/共54页第一节 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
4、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2/31之间。第3页/共54页第一节 纤维的摩擦性质第4页/共54页第一节 纤维的摩擦性质2.静、动摩擦和滑移速度第5页/共54页第一节 纤维的摩擦性质2.静、动摩擦和滑移速度第6页/共54页第一节 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
5、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7页/共54页第一节 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8页/共54页第一节 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
6、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。第9页/共54页第一节 纤维的摩擦性质二、摩擦机理 摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象。从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用，在切向外力作用下产生剪切和分离的过程。显然，当两物质接触面积越大，分子间的作用就越多越强。两接触物的表面平整光滑和接触压力，起着重要的作用，两物质发生相对滑移时，分子间的抗剪切作用越强，相对滑移越困难。该作用产生的摩
7、擦力用Fad表示，简称为粘粘附力附力。而分子间相互作用的解脱，是一个驰豫过程，即与外力作用时间有关，故摩擦作用的大小与相对滑移速度有关。从物质作用的宏观形态来看，两物质接触不可能是平行平面的理想接触，存在着高地起伏的峰与谷，这在摩擦作用过程中变成了两接触物质间的碰撞、挤压和错位。当物质一硬一软时，会产生耕犁和刨刮现象；当两物质均较软时，会产生软化和剪切变形；当两物质均较硬时，会产生相互间的错位，抬起等移动。显然摩擦力与两物质的硬度或屈服应力、剪切模量、压缩摸量、碰撞和粘结点的数量以及正压力的大小有关。这种宏观形态的锁结造成了接触点处的卡扣和锁结，用Fl表示，简称为锁结力锁结力；第10页/共54
8、页 由于材变形，剪切而被刨刮、耕犁的力用Fp表示，简称为耕耕犁力犁力。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 纤维的摩擦性质第11页/共54页三、摩擦理论1.焊接理论就是指纤维在正压
9、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 纤维的摩擦性质第12页/共54页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=0.7第13页/共54页3.绞盘法根据Amonton定律，根据Howell定律第一节 纤维的摩擦性质第14页/共54页4.绞辫法或加捻法算法根据Amonton定律，第一节 纤维的摩擦性质第15页/共54页一、概
10、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，
11、或称铺展浸润，又称动态浸润。第二节 纤维的浸润性质第16页/共54页由图6-27可知接触角，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-Dupr方程（1 1）平衡态浸润）平衡态浸润第二节 纤维的浸润性质第17页/共54页表6-4 平衡浸润的几种形式可否浸润可否浸润cos状态状态0完全浸润完全浸润1或称铺展或称铺展0 90 可浸润可浸润 0正浸润正浸润=90 无浸润无浸润0零浸润零浸润90 180 不可浸润不可浸润 0负浸润负浸润=180 完全不浸润完全不浸润 1随遇稳态随遇稳态第二节 纤维的浸润性质第18页/共54页理论上，纤维最大的平衡浸润
12、性发生在0（cos=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。Dupr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 纤维的浸润性质第19页/共54页依据接触角公式，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：当WSL=WLL=2LV时，c
13、os=1，为全铺展，或完全浸润；LVWSLWLL时，0cos 1，为正浸润；WSL=LV，cos=0，为零浸润；WSLLV，1cos 为负浸润；WSL=，cos=1，为完全不可浸润。由粘着功WSL=时，可以比接触角，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-Dupr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 纤维的浸润性质第20页/共54页因此铺展的必要条件是，WSLWLL恒成立。显然对于只描述液滴在固体物质上的形状变化，
14、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。2.2.浸润的滞后性浸润的滞后性 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，且第一次浸润角的差异，且第一次浸润角11恒大于第二次浸润角恒大于第二次浸润角2，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，i和i+1趋于一致。即i，ii+1。第二节 纤维的浸润性质第21页/共54页实际中第一次和第二次浸润可以用液体的前浸润，即三相交汇点a有液体前进
15、的趋势和后浸润，即三相交汇点b有液体回缩的趋势来表示，见图6-26的a，b点。a，b点的接触角分别称为前进角a和后退角b。同样，(6-30)(6-31)a-b被称为滞后角，其反映纤维浸润的滞后性。浸润滞后性是由浸润的表面清洁作用，或残留和固结水分子的亲和作用，或材料浸润后的表面结构变化的作用等引起，解释较多，是一值得探讨和测量的问题。3.3.伪浸润现象伪浸润现象 所谓伪浸润现象是指由于材料的表观形态与真实形态存在差异，或材料表面不同组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中，而引起的表观接触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象。前者称为形态伪浸润形态伪浸润；后者称为组份伪浸润组份伪浸
16、润。因此，对形态波动或粗糙的表面，或表面多组份或有孔隙的表面应该特别小心，且必须进行显微观察。第二节 纤维的浸润性质第22页/共54页（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AB，A=A=B=B=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A与B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
17、所形成的A与B的差异趋向一个稳态值AB。第二节 纤维的浸润性质第23页/共54页图6-28 粗糙表面浸润模型图形态伪浸润形态伪浸润第二节 纤维的浸润性质第24页/共54页图6-29 不同组份表面的浸润模型组份伪浸润组份伪浸润第二节 纤维的浸润性质第25页/共54页二、纤维浸润性测量1.接触角测量接触角的测量可以采用显微镜直接观测角度值，主要有插入转动法，如图6-30所示；悬滴法（如图6-31）仅适于900的测量，悬滴法的计算为：(6-32)图6-30 插入转动法示意图第二节 纤维的浸润性质第26页/共54页图6-31 悬滴法计算示意和实物图悬滴法第二节 纤维的浸润性质第27页/共54页对浸润前
18、进后退角的测量，可采用插入法的缓慢插入测a；缓慢拔出测b。也可采取注入法注入法（图6-32）测得前进角a和后退角b。图6-32 浸润的前进角和后退角的测量示意第二节 纤维的浸润性质第28页/共54页 2.2.浸润力的测量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 纤维的浸润性质第29页/共54页（1 1）竖直拔出法）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=d，d为纤维
19、直径；L、Af，和f分别为纤维的长度、截面积和密度；l和L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 纤维的浸润性质第30页/共54页即为Wilhelmy表达式，可求液体的表面张力或cos，转而求SV。竖直拔出法不适于接触角大的、柔软的纤维。（2 2）水平浸入拉出法）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，
20、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 纤维的浸润性质第31页/共54页随着液膜的减薄和破
21、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 纤维的浸润性质第32页/共54页浸没拔出图6-34 典型的实验曲线及过程示意图第二节 纤维的浸润性质第33页/共54页图6-35 液面和纤维的接触点的关系示意图第二节 纤维的浸润性质第34页/共54页图6-35中，E点为液体和纤维的接触点，O为
22、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。为OA和OE的夹角；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和接触角是恒定不变的，变化的是。理论上，总有一接触点，使。因为，当时，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。但理论上可以求得接触角值。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。当时，有：（6-37）第二
23、节 纤维的浸润性质第35页/共54页据图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 纤维的浸润性质第36页/共54页图6-36 实验曲线中力值变化分析示意图第二节 纤维的浸润性质第37页/共54页表6-5 浸润因子与接触角的关系力值关系力值关系浸润因子浸润因子接触角接触角FCDw=0FAB1w0/2FAB=FCDw=1=/2
24、FABFCD0w1/2FAB=0w=0=第二节 纤维的浸润性质第38页/共54页 3.3.铺展速度的测量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 纤维的浸润性质第39页/共54页图6-37 长丝向下运动时液面月牙状的变化第二节 纤维的浸润性质第40页/共54页三、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
25、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（cos），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 纤维的浸润性质第41页/共54页 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，
26、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 纤维的浸润性质第42页/共54页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)90180（拒水）(b)0/2，越大，hP越大，=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 纤维的浸润性质第44页/共54页所以，纤维间的芯吸高度hW为：(6-4
27、8)显然，要获得导水材料的必要条件是接触角90，当=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。3.3.芯吸速度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。(6-49)第二节 纤维的浸润性质第45页/共54页式中，t为时间；vh(cm/sec)为单位时间内的上升高度值；vl(cm/sec)为单位时间扩散的长度；vm(g/sec)为单位时间内芯吸的质量的增加量。孔隙横
28、向时，即纤维集合体平放时，根据扩展速度vl还可给出不同方向的扩展速度vl和vl，来表达织物对液体扩展的各项异性。如扩展比 (6-50)扩展取向度 （6-51)同样，可由定高度、长度或质量测达到这些值的时间th、tl或tm。该测量得到的是上述速率值的倒数。第二节 纤维的浸润性质第46页/共54页 4.芯吸的方向性与选择性第二节 纤维的浸润性质对于同种纤维，接触角相等，即第47页/共54页是纤维与其他物质在界面处的相互作用性质。一、粘结理论粘结取决于界面的作用力，或粘结点的强度。1.吸附理论 原本是指物理作用，即范德华力或极性的氢键作用。，但也存在离子键或化学共价键的作用，为化学吸附。（1）物理吸
29、附：范德华力（偶极力、诱导力、色散力）、氢键（2）化学吸附：离子的吸附中和化学键的键合作用。第三节 纤维的粘结性第48页/共54页2.电子理论 又称静电或电子粘合理论，主要基础为双电层作用，玻璃相当于电容器两级板分离达一定距离，使电压差增大到引起放电，产生撕裂声和发光。3.扩散理论两物质间发生分子扩散，相互渗透和缠结，形成两物质在界面处的扩散型交缠网络。4.粘结的复合作用第三节 纤维的粘结性第49页/共54页二、粘结中的形态作用1.纤维表面形状的影响表面形状主要指宏观截面形态、微观的起伏形态。第三节 纤维的粘结性第50页/共54页二、粘结中的形态作用2.粘结点的形状和分布的影响主要考虑单根纤维上的粘结点的个数、一个粘结点上的纤维根数 第三节 纤维的粘结性第51页/共54页三、粘结中的化学和力学作用1.化学吸附的键接作用2.表面摩擦和剪切作用第三节 纤维的粘结性第52页/共54页思考问题第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页