第二章 纤维的结构特征.docx

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第二章纤维的结构特征

第二章纤维的结构特征

纤维的结构是复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆砌和混杂所组成的，并决定纤维的性质。

第一节纤维基本结构的构成

尽管纤维结构复杂，但人们对其认识一般分为三个方面，最为直观的纤维形态结构、较为间接的纤维聚集态结构和更为微观的纤维分子结构。

一、纤维的形态结构

1.基本内容

纤维的形态结构，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。

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。

2.纤维的原纤结构

（1）原纤结构特征

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。

原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。

纤维的原纤按其尺度大小和堆砌顺序可分为基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞。

（2）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。

图2-1微原纤的堆砌形式示意图

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。

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。

二、纤维的聚集态结构

具体所指纤维高聚物的结晶与非晶结构、取向与非取向结构、以及通过某些分子间共混方法形成的“织态结构”等。

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。

对于纤维聚集态的形式，上世纪40年代出现了“两相结构”的模型。

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（图2-3）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

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。

图2-5取向和非取向折叠链片晶结构模型

3.纤维的取向结构

不管天然纤维还是化学纤维，其大分子的排列都会或多或少地与纤维轴相一致，这种大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度称作取向度。

纤维的取向结构使纤维许多性能产生各向异性。

三、纤维的分子结构

1.大分子结构的基本概念

纺织纤维的分子一般都是线形长链分子，量很大，由n个（n约为102~105数量级）重复结构单元（称链节或单基）相互连接而成的，分子量很大，故多大分子或高分子。

若纤维大分子的分子量为M，单基的分子量为m，则聚合度（重复结构单元数n）为：

（2-1）

通常将大分子结构分为分子内（分子链）结构和分子间（超分子）结构两部分。

分子链结构是指单个分子的结构，也是大分子的化学结构，简称链结构或化学结构。

链结构又分为讨论链节（单基）组成及结构的近程结构和讨论分子链空间形态的远程结构。

图2-6分子的内旋转示意图

图2-7纤维大分子的典型构象示意图

分子间的结构属三级结构或称三次结构，就是前面所提的聚集态结构。

若干大分子聚集体或不同组份大分子聚集体的相互共混、复合，组合体是更高层次的结构体，属高次结构，或称织态结构。

第二节纤维的结构特征与测量

一、纺织纤维结构的一般要求

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；

从聚集态结构的角度看，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上说，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

（1）质谱（massspectrometry）分析。

（2）红外吸收光谱

（3）紫外与可见光谱

（4）核磁共振光谱

2.分子量及其分布的测量

（1）数均分子量

（2）重均分子量

（3）Z均分子量

（4）粘均分子量

（2-7）

三、纤维聚集态结构的测量

1.结晶结构及非晶结构

纤维是结晶与非晶结构共存的材料。

测量方法常采用密度法、X射线衍射法、热分析法、红外光谱法、电子显微镜法等测量，其结晶度的大小、晶区的分布、结晶形态等。

主要指标有结晶度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区分布及非晶区结构等。

表2-1不同晶系及晶格参数表

晶系

晶格轴长及夹角关系

三斜triclinic

a≠b≠c；α≠β≠γ

单斜monoclinic

a≠b≠c；α=γ=90o≠β

正交orthorhombic

a≠b≠c；α=β=γ=90o

四方tetragonal

a=b≠c；α=β=γ=90o

三方trigonal

a=b=c；α=β=γ≠90o<120o

六方hexagonal

a=b≠c；α=β=90o；γ=120o

立方cubic

a=b=c；α=β=γ=90o

2.取向结构

纤维的取向结构可用显微观察的方法，或进行各结构单元间的染色增强的制样方法来观察，纤维的取向结构最为重要的表达指标是取向度或称取向因子f。

纤维取向度的测量可有X射线或电子衍射法、红外二色性法、光学偏振法、声速模量法、染色二色性法、导热系数法、介电系数法等。

四、纤维形态结构特征的测量

1.一般观察及测量

纤维的形态结构均是微米级及其以下，显微观察是必须的。

对>0.2μm以上的微细及外观形态结构，一般采用光学显微镜的方法。

图2-8SEM和TEM试样制备与观察流程示意图

2.所需结构信息特征化的制样

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

（1）分子构成及分子间结构

棉纤维和麻纤维的主要成分是纤维素，其分子式为（C6H10O5），化学结构式为：

棉纤维大分子的聚合度为6000～15000，分子量为1～2.43百万，其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。

图2-9棉纤维原纤中（纤维素I）的晶胞结构

（2）细胞形态与构成

图2-10棉纤维的形态结构模型

（3）各层次结构

表皮层。

初生层。

次生层。

次生层分为三个基本层，S1、S2、S3依次向内。

次生层有明显的“日轮”结构。

中腔。

2.麻纤维的结构特征

3.羊毛纤维的结构特征

（1）羊毛纤维的组成

羊毛纤维的基本组成是α氨基酸螺旋大分子，α氨基酸是哺乳动物组织的基本组成。

羊毛角蛋白大分子的构成及相互链接作用如图2-11所示，是多交联的结构，尤其是二硫键（－S－S－）。

（2）羊毛纤维的组织结构

羊毛纤维是多细胞结构体，有两类细胞：

鳞片细胞和皮质细胞。

每一个鳞片是一个细胞，称为表皮细胞（cuticlecell），由细胞间质CMC（cellmembranecomplex）粘结组合成羊毛表面的连续覆盖层。

皮质细胞（cortexcell）有正皮质（ortho-cortex）细胞和副皮质（para-cortex）细胞之分。

羊毛的髓质层。

图2-11角蛋白大分子的构成及分子间作用

图2-12羊毛纤维各层次结构综合示意图

（3）羊毛的鳞片

鳞片为角质化细胞，在成形后失去了细胞核和原生质，形成为死细胞组织的角质薄片。

图2-13羊毛鳞片表层膜结构示意图

（4）羊毛的皮质细胞

由于正、副皮质的结构差异，导致一刚一柔，一伸一缩，是羊毛的整体外观形态呈弯曲状。

正皮质位于弯曲的外侧；副皮质位于弯曲的内侧。

图2-14羊毛纤维的天然卷曲

（5）细胞间质（CMC）

图2-15羊毛纤维的细胞间质

4.蚕丝的结构特征

（1）分子构成及结构

蚕丝是昆虫加工的纤维，无细胞结构。

大分子也是α氨基酸结构，称丝朊或丝蛋白质。

图2-16蚕丝分子结构

（2）微细结构及形态

蚕丝由丝胶和丝素构成，丝胶包覆于丝素之外，丝素则是蚕丝纤维的主体，如图2-17所示。

图2-17蚕丝的各层次结构综合示意图

二、典型再生纤维素纤维的结构特征

1.几种粘胶纤维的典型结构

表2-2再生纤维素纤维的结晶度与聚合度

纤维

结晶度（%）

聚合度

普通粘胶

30～35

250～300

富强粘胶

45～50

500左右

强力粘胶

50～55

300～350

Modal

42～46

350～450

Tencel®

48～52

500～550

浆粕

55～65

>600

表2-3纤维素纤维的光学取向因子比较

纤维

取向因子

粘胶低牵伸（普通粘胶）

0.54

高牵伸（强力粘胶）

0.88

铜氨粘胶

0.74

苧麻

0.97

海岛棉

0.72

陆地棉

0.62

图2-18纤维素Ⅱ的晶格结构示意图

图2-19几种再生纤维素纤维的截面形态

2.Lyocell纤维

Lyocell纤维是可回收溶剂法制备的再生纤维素纤维。

图2-20水中膨润后的纤维结构示意图

三、典型合成纤维的结构

1.常规合成纤维

（1）涤纶纤维（PET）

涤纶纤维或聚酯纤维，其大分子链化学结构式为：

单基由一个苯环、两个酯基和两个亚甲基（－CH2）构成。

－CH2－CH2－是柔性链；苯环使分子链的刚性增大，熔融熵减小，结晶速率减缓，所以按传统的熔体纺丝法得到的初生纤维一般为非晶态，但经过拉伸取向可诱导快速结晶，不仅取向度高，而且结晶度也高。

图2-21涤纶纤维的分子及晶格示意图

（2）锦纶纤维（PA）

锦纶或聚酰胺纤维或尼龙主要特征是大分子链由酰胺键（－CONH－）连接，主要品种锦纶6和锦纶66，化学结构式如下：

尼龙66：

尼龙6：

图2-22尼龙66的晶胞结构图

（3）腈纶纤维（PAN）

腈纶纤维即聚丙烯腈纤维，其主要重复单元化学式为：

－CH2－CH（CN）－。

腈纶在内部大分结构上很独特，呈不规则的螺旋形构象，且没有严格的结晶晶区，属准晶结构，但有高序排列与低序排列之分。

图2-23腈纶分子堆砌与单元晶格结构

（4）丙纶纤维（PP）

根据甲基在链上的排列位置不同，形成不同的立体构型，分为等规，间规、和无规。

图2-24聚丙烯纤维的构型示意图

图2-25丙纶纤维分子螺旋构型

（5）维纶纤维（PVA）

图2-26维纶纤维的晶胞结构示意图

（6）氯纶纤维（PVC）

2.差别化纤维

（1）异形与多孔

差别化纤维在形态上改变，可引入异形和多孔。

例：

（a）为单开孔，以增加表面积和内凹蓄水和快速导水，但受压后易于反渗水；

（b）为中空带微孔，若微孔与中空相通，则可以形成导水和扩散；

（c）为变异三叶形，大凹反射光性能优良和减少接触，叶顶小沟槽有利于导水和点状接触；（d）为表面多坑结构，可柔和光泽和增加表面积极蓄水点。

图2-27中空微孔纤维SEM照片

（2）复合与超细

复合纤维的常见结构如图2-28所示，主要为双组份的，但也可以是多组份的，此时结构将变得复杂。

图2-28多种复合纤维的截面结构示意

对环芯多层结构的夹层大量掺入碳黑，并在纤维主体中，并在纤维主体中也掺入碳黑，制成耐久性抗静电、导电纤维。

图2-29复合纺丝法制成的夹层导电纤维

超细纤维。

图2-30典型超细纤维成形方法示意图

（3）弹性结构

弹性结构的获得主要是通过纤维的分子结构聚集态结构获得，分子结构中最为主要的是分子链的柔性和构象。

图2-31两种弹性结构的示意图