东华大学纺织材料学第二章--纤维的结构特征1.ppt

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第二章纤维的结构特征,第一节纤维基本结构的构成,一、纤维的形态结构1.基本内容是指纤维在光学显微镜或电子显微镜，乃至原子力显微镜（AFM）下能被直接观察到的结构。

诸如纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在于纤维中的各种裂隙与空洞等表观形态、表面结构和微细结构,表观形态，主要讨论纤维外观的宏观形状与尺寸，包括纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等，这在第三章中介绍。

表面结构，主要涉及纤维表面的形态及表层的构造，是微观形态与尺度的问题，这在第六章纤维的表面性质中表述。

微细结构，是指纤维内部的有序区（结晶或取向排列区）和无序区（无定形或非结晶区）的形态、尺寸和相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。

2.纤维的原纤结构定义：

纤维中的原纤（fibril）是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。

严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构基原纤微原纤原纤巨原纤细胞,各层次原纤的特征基原纤（proto-fibril或elementaryfibril）是原纤中最小、最基本的结构单元，亦称晶须，无缺陷。

微原纤（micro-fibril）是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，亦称微晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。

原纤（fibril）是一个统称，有时可代表由若干基原纤或含若干根微原纤，大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束。

图2-1微原纤的堆砌形式示意图,巨原纤（macro-fibril）是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。

细胞（cell）是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。

定义：

指构成该纤维的大分子链之间的作用形式与堆砌方式，又称为超分子结构或分子间结构。

聚集态结构的基础：

大分子间作用力（次价键力）,二、纤维的聚集态结构,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,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,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。

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（XHY）。

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,纺织纤维中常见的氢键：

OHONHONHNCHN,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,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（SS）酯键（CO）,O,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,1.纤维的结晶结构将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，形成有较大内聚能和密度并有明显转变温度的稳定点阵结构，称为结晶结构。

将具有结晶结构的区域称作结晶区对纤维甚至原纤来说，很少存在完善的结晶区，往往是结晶与非晶区的混合体，以及与某些结构缺陷区或其他掺杂成份组合的结构,聚集态结构发展的过程,缨状微胞模型缨状原纤结构模型折叠链片晶结构,图2-2取向和无序排列的缨状微胞结构,图2-3缨状原纤结构图2-4折叠链片晶,这种模型称为缨状微胞模型。

缨状是指无序区中分子排列的状态；微胞是指分子有序排的结构块。

对从晶区到非晶区是否存在逐步转化的过渡区，尚有不同解释。

图2-2取向和无序排列的缨状微胞结构,Hearle教授提出的缨状原纤结构模型对此作了很好的解释，并与纤维的原纤结构形成很好的对应。

图2-3缨状原纤结构,图2-4折叠链片晶,Kellel等人于1957年用透射电镜观察得到聚乙烯高分子单晶薄片的厚度约为12nm，其厚度与分子量无关，并测得分子链垂直于晶片平面，见图2-4。

依此提出了著名的折叠链片晶结构假说，并认为，线形高分子链长可达几百到几千纳米，具有很大的表面能，极易在一定条件下自发地折叠，而形成片状晶体（片晶）。

图2-5取向和非取向折叠链片晶结构模型,根据片晶理论及事实，人们认为片晶就如同缨状微胞结构中的微胞；伸出的分子就像缨状分子，再进入其它片晶的为“缚结分子”，是纤维产生强度的主机制，如图2-5所示。

该结果已在化学纤维中得到证实，并被称为缨状，折叠链片晶模型也是典型的两相结构模型。

2、纤维的非晶结构纤维大分子高聚物呈不规则聚集排列的区域称为非晶区，或无定形区。

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。

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。

3.纤维的取向结构大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度称作取向度力学性能，强度、模量在纤维轴向上提高，而伸长性降低光泽较好，各向异性明显,单基（链节）定义：

构成纤维大分子的基本化学结构单元。

AAAAAA或A（A）nAA单基；A、A端基；n聚合度；,三、纤维的分子结构,常用纺织纤维单基的化学组成：

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,常用纤维的n：

棉麻的聚合度很高，成千上万；羊毛n576；蚕丝n400再生纤维素纤维300-600涤纶130晴纶10001500维纶n1700丙纶n310-430一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。

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）,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。

第二节纤维的结构特征与测量,一、纺织纤维结构的一般特征二、纤维化学结构的测量1.化学结构的测量2.分子量及其分布的测量三、纤维聚集态结构的测量1.结晶结构及非晶结构2.取向结构,一、纺织纤维结构的一般特征,从形态上：

要求纤维必须具有一定的长度和细度、有较高的长径比、具备形成一维材料的基本条件；从聚集态结构：

要求分子排列有一定的结晶和取向，使分子间和轴向作用力增强，从而使纤维具备必要的强度和形态稳定性，但又必须有一定的无定形区，以使纤维具有可及性和可加工性；从大分子组成和结构：

分子量要较高，且分子量分布应比较窄，支链较短，侧基要小，以得到粘度适当的熔体及溶液和浓度足够高的溶液。

二、纤维化学结构的测量,1.化学结构的测量确定分子结构式、特征基团及其含量和位置。

质谱分析红外吸收光谱紫外可见光谱核磁共振光谱,2、分子量及其分布的测量数均和粘均的分子量：

端基法粘度法重均和Z均分子量:

凝胶渗透色谱法GPC（gelpermeationchromatography）光散射法,三、纤维聚集态结构的测量,1.结晶结构及非晶结构方法常采用密度法、X射线衍射法、热分析法、红外光谱法、电子显微镜法等测量结晶度是指纤维中结晶部分占纤维整体的比率，不涉及晶体的形式及分布。

体积结晶度和质量结晶度体积结晶度XV和质量结晶度XW,2.取向结构纤维的取向结构最为重要的表达指标是取向度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。

四、纤维形态结构特征的测量,1.一般观察及测量,图2-8SEM和TEM试样制备与观察流程示意图,第三节典型纤维的结构与特征,一、典型天然纤维的结构与特征1.棉纤维的结构与特征棉纤维和麻纤维的主要成分是纤维素,纤维素大分子的基本链结是-葡萄糖剩基，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。

其分子式为（C6H10O5），化学结构式为：

棉纤维大分子的聚合度为600015000氧六环结构是固定的，但六环之间夹角可以改变，所以分子在无外力作用的非晶区中，可呈自由弯曲状态棉纤维大分子取向度较高，主要是次生层原纤排列的螺旋角在（2030）的影响，故纤维强度较麻纤维低，但伸长较大,图2-9棉纤维原纤中（纤维素I）的晶胞结构,棉纤维的形态结构最外层是表皮和初生层中心是瘪了的中腔纤维的主要构成是沉积生长增厚的次生层（S层）,图2-10棉纤维的形态结构模型,

（1）表皮层是初生层外的一层薄薄的外皮，由蜡质与果胶组成。

（2）初生层在表皮的内层，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。

（3）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。

（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。

总结：

纤维素纤维（棉、麻、粘胶）,一、结构1.大分子结构

（1）化学组成纤维素（C、H、O组成）伴生物-棉：

蜡质、糖份、果胶、灰分，占5%左右麻：

比棉含量要高（各种麻不同）粘胶：

无,

（2）单基特征基团：

氧六环；6个-OH；氧桥-O-单基连接方式：

1-4甙键连接，在空间转180,因为大分子内有氢键。

（3）空间形态：

椅式结构,2.超分子结构大分子间作用力：

强大的氢键力，还有范德华力。

结晶度：

棉-60-70%左右；麻70%；粘胶-30-40%取向度：

棉-20-30；麻-7-8；粘胶-看抽伸倍数，可人为控制，普通粘纤30左右。

缝隙空洞：

棉-较小；粘纤-较大,3.形态结构棉：

腰圆形，有中腔，扁平带状，有天然转曲。

苎麻：

腰圆形，有中腔裂缝。

粘胶：

纵向有构槽，截面呈锯齿形，有皮芯层。

4.丝光棉丝光通常是指棉织品（纱、布）在紧张状态下经浓碱液（NaOH或液氨）处理，以获得持久的光泽，并提高对染料吸附能力的加工过程。

结构变化：

天然转曲消失成为棒状；无定形区有所增加，结晶区有所下降；取向度视张力变化而定。

性能变化：

光泽、染色性改善；强力增大，延伸度下降；化学性能活泼。

一.结构1.大分子结构

（1）化学组成羊毛：

蛋白质角朊；C、H、O、N、S元素组成。

丝：

蛋白质丝素（70-80%），少量丝胶（20-30%）；C、H、O、N元素组成。

柞蚕丝：

丝素85%,天然蛋白质纤维,

（2）单基R侧基羊毛：

多、复杂，约25种氨基酸；蚕丝：

少、简单，约18种氨基酸。

（3）空间形态：

羊毛的稳定结构是型，型加外力变为型，型去外力变为型；蚕丝的稳定结构是型。

2.超分子结构分子间力羊毛：

范德华力、盐式键、氢键、硫键力；蚕丝：

范德华力、盐式键、氢键结晶、取向羊毛的结晶度、取向度低，而蚕丝的较大。

3.形态结构：

羊毛鳞片层、皮质层、髓质层,1）鳞片层：

作用如下：

保护纤维，使羊毛内层组织不受外界的生物、化学、机械等作用；由于鳞片具有方向性，形成差微摩擦效应。

鳞片形状：

环状、瓦状、龟裂状,2）皮质层：

羊毛纤维的主体，占90%左右。

皮质细胞：

正皮质结构疏松；偏皮质（副皮质）结构紧密；双边结构：

细羊毛的正副皮质细胞（结构与性能不同）分布于纤维的两侧，并在长度方向上不断转换位置，正皮质一般在纤维卷曲处的外侧，而副皮质处于卷曲的内侧，使羊毛具有天然卷曲。

这种结构成之。

3）髓质层存在于粗羊毛中；羊毛越粗，中腔髓质层的比例越大，羊毛品质越低。

蚕丝：

丝素外包有丝胶；纵向平滑，截面为不规则三角