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1、高等纺织材料学高等纺织材料学杜赵群杜赵群（东华大学纺织学院）（东华大学纺织学院）-年第年第1学期学期第第1页页高等纺织材料学第一章 纤维结构第第2页页第一章纤维结构第一章纤维结构纤维结构为纤维固有特征，为本质属性，决定其使用特征。纤维结构构结构构层次次：微细结构集聚态结构织态结构宏观结构与形态纤维微微细结构表征技构表征技术：光学显微镜、电子显微镜、透射电子显微镜、X射线、红外、紫外、荧光、拉曼、原子力显微镜、核磁共振；影响影响纤维理化性能理化性能结构表征技构表征技术：热分析、动态和断裂力学法、质谱法等。高等纺织材料学高等纺织材料学-第一章纤维结构第一章纤维结构第第3页页一、缨状微胞理论一、缨状
2、微胞理论Ngeli：适宜淀粉和植物 微胞+微胞间质Meyer&Mark：适宜淀粉和植物 微胞+微胞间质 阐述微胞中晶体结构Spearkman：羊毛第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论Staudinger：高聚物含有高相对分子质量第第4页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论问题产生：1.纤维素及其它聚合物分子长度问题？纤维素及其它聚合物分子长度问题？2.纤维终究是分离晶体组成，还是连续均匀分子所连接而纤维终究是分离晶体组成，还是连续均匀分子所连接而成？成？3.天然纤维与化学纤维微细结构异同？天然纤维与化学纤维微细结构异同？缨状微胞结构：微胞为晶区，由规整排列长链分子组成；微胞间为非晶区，由
3、晶区伸出、无规则排列分子组成，为缨状须丛第第5页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论问题产生：1.缨状微胞可解释基本物理性能。缨状微胞可解释基本物理性能。2.但电子显微镜发觉纤维微细结构（原纤）解释？但电子显微镜发觉纤维微细结构（原纤）解释？2.原纤内结构假设，缨状微胞、？原纤内结构假设，缨状微胞、？3.原纤为结晶区？晶区与非晶区交替？高度有序无定形结原纤为结晶区？晶区与非晶区交替？高度有序无定形结构？构？二、缨状原纤理论二、缨状原纤理论晶区由连续许多长链分子规整排列组成；大分子链从原纤中分裂出来，为缨状须丛，组成非晶区第第6页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论三、折叠链片晶体理论三
4、、折叠链片晶体理论适合用于合成高分子量化学纤维第第7页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论四、纤维结构其它理论四、纤维结构其它理论1.准结晶状态结构准结晶状态结构第第8页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论四、纤维结构其它理论四、纤维结构其它理论2.无定形结构无定形结构3.缺点结晶形结构缺点结晶形结构基于金属结构，无序区为结晶区中缺点组成第第9页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论四、纤维结构其它理论四、纤维结构其它理论3.串晶结构串晶结构第第10页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论五、纤维弱节结构理论五、纤维弱节结构理论1.弱节定义与内涵弱节定义与内涵 因为结构弱节与形态弱
5、节差异，造成对应区域力学性质较弱；结构弱节结构弱节：纤维内部结构和外观形态不匀或缺点形态弱节形态弱节：纤维显著几何细颈部位、生长或加工、自然和人为造成第第11页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论（1）纤维细节）纤维细节：纤维均匀地由细粗、由粗细（2）天然生长形态缺点）天然生长形态缺点：风蚀、鳞片鼓胀、局部畸变第第12页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论（3）加工损伤）加工损伤：运输与加工过程中与机械相互作用（4）内部结构缺点）内部结构缺点：纤维原料不均匀、加工与环境参数改变第第13页页第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征一、纺织纤维结构普通特征一、纺织纤维结构
6、普通特征1.基本要求基本要求（1）分子链长度（2）线型长链、短支链、柔性（3）分子间相互作用（4）分子排列取向、结晶，空隙或空间二、纤维结构表征二、纤维结构表征1.聚合度及其分布聚合度及其分布 凝胶色谱法、粘度法、光散射法、端基法 相对分子质量均值：Z均、重均、粘均、数均（大小）2.链段长度链段长度可运动最小独立单元，公式均方末端距第第14页页第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征3.结晶度结晶度 体积结晶度体积结晶度 重量结晶度重量结晶度4.结晶区分布结晶区分布第第15页页第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征5.取向度取向度 大分子链节与纤维轴平行程
7、度，为平均值。表征指标Hermans取向因子：6.取向度分布取向度分布 包括纤维径向各层、纤维长度方向各段第第16页页第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征7.微细结构尺寸微细结构尺寸 电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜 超薄切片、冷冻断裂、超声波分离、等离子体刻蚀等8.空隙形态与大小空隙形态与大小 气体吸附、显微镜、压汞法、密度法、X射线与电子小角衍射第第17页页第二节第二节 纺织纤维结构特征与表征纺织纤维结构特征与表征三、纤维弱节结构表征三、纤维弱节结构表征1.纤维弱节力学特征纤维弱节力学特征 断裂在力学最弱处，不一定是形态或细节最细处2.纤维弱节断裂判定准则与方法纤
8、维弱节断裂判定准则与方法第第18页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构一、天然纤维素纤维一、天然纤维素纤维 由葡萄糖剩基（C6H10O5）连接而成，聚合度高，经过型苷键（氧桥）在1、4位碳间衔接纤维素I=0.835nm，b=1.03nm c=0.79nm，=84纤维素II=0.814nm，b=1.03nm c=0.914nm，=62第第19页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构一、天然纤维素纤维一、天然纤维素纤维 微细结构：基原纤微细结构：基原纤，如苎麻纤维超薄切片基原纤基原纤微原微原纤第第20页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构一、天然纤维素纤维一、天然
9、纤维素纤维 微原纤微原纤原原纤纤维第第21页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 包括对象：丝、毛 组成主要为氨基酸（NH2 CHR COOH)经过肽链(-CO-NH-)联接而成长链分子；分子间作用形式：（1）氢键（2）盐式键（3）二硫键丝：半胱氨酸含量极少、丝：半胱氨酸含量极少、侧基小，氢键为主；侧基小，氢键为主；毛：有一定半胱氨酸，毛：有一定半胱氨酸，第第22页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 蛋白质纤维结晶和取向丝丝：更易形成结晶，取向度较高，毛毛：取向度相比较低，结晶度较低，结晶颗粒小，
10、但弹性好（二硫键交联）结构可交换结构可交换：热、湿和时间激励，a螺旋 折叠第第23页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 蚕丝微细结构蚕丝：由丝胶合丝素组成丝素普通由微原纤、原纤微原纤、原纤组成，微原纤组成原纤，原纤基本上呈同心环状分布，组成丝素层状结构。第第24页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 羊毛纤维微细结构羊毛纤维分为鳞片层、皮质层、髓质层；为多细胞结构；皮质细胞和细胞间质堆砌成毛干，表面覆有鳞片细胞。第第25页页第一节第一节 纤维结构理论纤维结构理论问题产生：1.纤维素及其它聚合物分子
11、长度问题？2.纤维终究是分离晶体组成，还是连续均匀分子所连接而成？3.天然纤维与化学纤维微细结构异同？缨状微胞结构缨状微胞结构：微胞为晶区，由规整排列长链分子组成；微胞间为非晶区，由晶区伸出、无规则排列分子组成，为缨状须丛第第26页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋白质纤维 羊毛纤维鳞片结构示意图鳞片细胞鳞片细胞：外表皮层（高含硫量）次表皮层（高含硫量）内表皮层（低含硫量）鳞片细胞与鳞片细胞之间经过细胞间质粘结细胞间质细胞间质：三明治结构，低含硫量/高含硫量/低含硫量第第27页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构二、天然蛋白质纤维二、天然蛋
12、白质纤维 羊毛皮质细胞微原纤结构示意图正皮质细胞正皮质细胞：巨原纤、微原纤、基原纤副皮质细胞副皮质细胞：微原纤、基原纤 正、副皮质细胞双边分布双边分布，羊毛宏观形态卷曲第第28页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构三、人造纤维三、人造纤维 粘胶纤维结晶形式粘胶纤维结晶形式微细结构：基原纤、微原纤、原纤基原纤、微原纤、原纤粘胶皮芯层结构：皮层：取向度高、结晶度低、结晶颗粒小，结晶分布均匀；含有高强、韧性好，如高强粘胶；芯层：结晶度高、颗粒大、空隙大，但吸湿稳定性好，如全芯层富强粘胶，以及近似tencel纤维。第第29页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合
13、成纤维 纤维种类纤维种类第第30页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合成纤维 1.聚酯纤维聚酯纤维：由刚性苯环链段+柔性链亚甲基，由酯基联接涤纶晶区中分子链节构型为反式构型，非晶区中为顺式/旁式结构涤纶为缨状折叠链片晶晶胞为三斜晶系第第31页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合成纤维 2.聚酰胺纤维聚酰胺纤维：柔性链亚甲基多个组合，由酰胺键联接涤纶晶区中分子链节构型为反式构型，非晶区中为顺式/旁式结构为缨状折叠链片晶晶胞为单斜晶系、斜方等第第32页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合成纤维 2.聚酰胺纤维
14、聚酰胺纤维：锦纶6 分子排列图锦纶66晶胞结构图第第33页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合成纤维 3.聚乙烯纤维聚乙烯纤维：微细结构调整晶格结构图第第34页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合成纤维 4.聚丙烯纤维聚丙烯纤维：丙纶纤维分子螺旋结构及其球晶第第35页页第三节第三节 惯用纤维实际结构惯用纤维实际结构四、合成纤维四、合成纤维 5.聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维：结构与晶格示意图 六角或正交晶系 6.聚乙烯醇纤维聚乙烯醇纤维：结构与晶格示意图，属于单斜晶系 7.聚氯乙烯纤维聚氯乙烯纤维：单斜晶系第第36页页第三节第三节 惯用纤维
15、实际结构惯用纤维实际结构五、弹性纤维五、弹性纤维 主要为聚氨酯类纤维，弹性变形大，在于分子链结构 弹性纤维分子由软链段软链段+交联（物理或化学）组成交联（物理或化学）组成物理交联化学交联第第37页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述 有别于普通三大类纤维（天然、人造和合成纤维），主要指：（1）高性能纤维高性能纤维：芳纶、超高分子量聚乙烯、碳纤维等；（2）功效纤维功效纤维：导电、水溶、过滤、变温、防辐射等；（3）差异化纤维差异化纤维：异形、超细、高收缩、高吸湿、抗静电、抗起毛起球、阳离子可染等。一、聚四氟乙烯纤维结构一、聚四氟乙烯纤维结构 因为C-F强极性，纤维分子高度对称、
16、整体不带极性；氟作用半径大，分子量呈螺旋状结构 晶胞有2种：三斜晶系、六方晶系第第38页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述二、聚合物共混体纤维结构二、聚合物共混体纤维结构 包含：均相共混、非均相共混、双组份第第39页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述三、碳纤维结构三、碳纤维结构1.结晶与取向结构结晶与取向结构石墨烯与碳纤维第第40页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述三、碳纤维结构三、碳纤维结构2.微细组织结构微细组织结构（1）原纤特征）原纤特征（4）微结构不均一性）微结构不均一性（3）皮芯特征）皮芯特征（2）层状特征）层状特征第
17、第41页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述四、液晶及芳纶高聚物结构四、液晶及芳纶高聚物结构（1）液晶：含有液态流动特征，又有晶体有序和光学各向异性特征物质。）液晶：含有液态流动特征，又有晶体有序和光学各向异性特征物质。（3）液晶纺丝结构）液晶纺丝结构（2）制备方法：溶致液晶高聚物、热致液晶高聚物）制备方法：溶致液晶高聚物、热致液晶高聚物第第42页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述四、液晶及芳纶高聚物结构四、液晶及芳纶高聚物结构（4）液晶聚合物结构条件）液晶聚合物结构条件 （a）形成液晶态基本分子结构单元：可形成棒状或板状构想；（b）分子量含有一定长径比，远大于1；（c）有一定柔性链段；（d）端基含有很好极性第第43页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述四、液晶及芳纶高聚物结构四、液晶及芳纶高聚物结构（5）液晶纤维实例）液晶纤维实例 芳纶1414、芳纶1313 第第44页页第四节第四节 特种纤维结构普通概述特种纤维结构普通概述五、功效化与差异化纤维结构五、功效化与差异化纤维结构（1）高吸水性纤维（2）水溶性纤维（3）光、热敏感性纤维（4）膜分离中空纤维（5）过滤纤维（6）光导纤维（7）导电纤维（8）抗辐射、屏蔽纤维（9）仿真丝差异化纤维 第第45页页第第46页页