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1、高分子材料学纤维复习资料高分子材料学纤维复习资料第一章 纤维材料概述 第一节 纤维的定义和分类 定义:长度与截面直径比较大，有一定的强度和柔韧性的细长物体(形态上的概念长细软) Fiber/Fibre 直径 Di 几mm十几um甚至是纳米级 长度 入 几mmkm，也有纳米级 分类 天然纤维:(棉、麻、毛、丝) 植物纤维:棉(种子纤维)、麻(韧皮纤维) 果实纤维:椰子纤维 动物纤维:毛(羊毛驼着羊绒)丝(蚕丝)(蜘蛛丝:蛋白纤维) *超高分子量聚乙烯:高度结晶取向，密度约为1，质轻，高强度，做防弹衣(矿物纤维:石棉(耐高温) 化学纤维再生纤维(人造纤维) 再生纤维素纤维:粘胶纤维(沾水变硬)(结

2、构类似于棉纤维)醋酯纤维，铜胺纤维 再生蛋白质纤维:大豆纤维 合成纤维:低分子化合物聚合而成的高分子化合物，经过重新加工而得到的纤维 *成纤高分子化合物应具备的条件 (1)线性:少支链 环状 (2)链长:Mn:10e4-10e6; 大小:溶液装，强度不够; 太大:缠结太厉害，防止分子链的滑移 (3)结晶性:有一定的强度 (4)含有极性基团 合成纤维 碳链类:腈纶:具有羊毛的卷曲特征，有纺毛的感觉，毛衣 PAN纤维 丙纶:PP纤维 维纶:聚乙烯醇.缩醛纤维 氯纶:PVC纤维 氟纶:PTFC纤维 做膜较多，作纤维少，成本高 杂链类:涤纶:聚酯纤维:PBT PET PEN 锦纶(芳纶):聚酰胺纤维，

3、尼龙-b 氨纶:聚氨酯 丝袜 弹性好 PI纤维 无机纤维 玻璃纤维 金属纤维(也有说是化学纤维) 碳纤维 第二节 纤维结构 定义:结构单元相互作用达到平衡而形成的空间几何排列 大分子结构 1) 链的化学结构: 极性-亲水-抗静电 侧基:多-结晶减少-强度下降，弹韧性加强 2)链长(聚合度): 400-600，Xn增多，纤维强度增强，但过大，纺丝用难 *存在临界值: 湿强度:洗涤时强度，Xn低，强度下降，湿强度也低 Xn减少:分散性小，耐磨性增强，耐疲劳性增强 3)大分子链的内旋转性及构象: 柔顺性:内旋转活化能:从势能最小位置旋到最大位置所需克服的势垒 均方末端距 均方回转半径 链段长度 *链

4、越长，Mn越高，所获得构想越多，越柔顺 主链引入杂原子，改变柔顺性，Si-C、C-O规整，无大侧基,一定温度及时间范围内，结晶范围:Tg-Tm之间(本身具备结晶能力的)温度高，运动快，但不一定结晶好,等温结晶:T=Tg-Tm，在某一温度T长时间放置，让其缓慢结晶,结晶速度:桑链刚链;有对称中心-无对称中心 (4)晶态结构对结晶性能的影响 强度增大=拉伸性能下降;结晶度增大=拉伸强度，密度，尺寸稳定性，模量，硬度均增强;洁晶度减小=吸湿性增强，变形能力增强，延伸性增强，染色性增强 2、非晶态结构 特点:大分子链排列不规律，结构松散，缝隙.孔洞.分子间作用力小，链段发生运动的自由度比较大 *外力作

5、用下，纤维变形主要是其非晶区内链段发生运动变化;回复性，靠自身回复能力，以及结晶度，晶区的分布 PE:晶区密度为1.0，非晶区密度为0.85，密度大，染料分子扩散进入非晶区，所以非晶区对染色性能、吸湿性、透气性影响较大 *非晶态影响Polymer的形变能力 3、取向 拉伸取向,拉伸过程中，非晶区区先发生形变，分子链取向，当温度升高时，晶区折叠链伸直取向，为等性能 取向度增强=强度增强，变形能力减弱，模量增大，延伸度减弱 三、形态结构 比超分子大一个层次 光学偏光、电子显微镜观察形态结构 1、纤维的多重(很多个层次)原纤结构 1)机原纤【protofibit】几根或几十根大分子链相互平行排列，具

6、有稳定距离和相位的大分子束【D=1-3nm】 2)微原纤【microfibril】基原纤上基础上，两个大分子束通过作用力或其他的分子将其捆绑起来形成的结构，基纤之间就有孔洞【D=10-50nm】 3)原纤【fihril】微原纤平行排列在一起，通过分子间作用力或穿过其间的分子将其结合在一起形成更大的分子束，微纤之间有孔洞，亦会形成非晶区，亦会有杂质【D=100-50nm】 4)大原纤【macrofilril】由原纤堆砌起来的分子束【D-1.5nm】 5)纤维: 几个大原纤排列在一起形成纤维 *各种纤维形状并不规则，圆形、半圆、六角、长方依材料品种而定 2、纤维的断面形状 棉纤维:腰圆形 羊毛:圆

7、形 蝉丝:三角形 化学纤维:喷丝孔的形状和纺丝方法不同来改变其截面形状 常规:圆形:涤纶、丙纶、锦纶 扁平状:粘胶纤维 马蹄状:维纶 颧骨形:腈纶 豆形:氯纶 改性:增加染色性=通过改变截面形状 3、纤维中的空洞 空洞:吸湿性增强，力学性能下降，光学性下降 不允许存在1mm以上的微孔，否则大大降低力学性能 *吸湿性 湿度 1防止纺丝过程中产生静电=否则起火 光学性能:(吸光纤维、消光纤维)=反射=颜色;双折射不同，取向不变 燃烧性能:在燃烧后离开火还能燃烧多久极限氧指数;阻燃纤维 第三节 纤维的基本性质 纺织纤维应具备的基本性质(纺织、建筑、造纸、航天) 1)有一定的长度和长度的整齐度 (1)

8、25-250mm(棉、麻、毛)受品种和天然生长条件的时空制(天然纤维) 化纤、丝:很长，切成所需长度的段(切断纤维) 二者长度均有一定离散形 棉型纤维:30-40mm 生长纤维:51-65mm 毛型纤维:70-150mm (2)细度和细度的整齐度 a直接测试法:显微镜下测宽度 b间接测试法:长度和重量之间的关系来表征细度 1特数:tex 在公定回潮率下(60%+-2),1km长纤维所具有的重量的克数，叫一个tex， 公定回潮率:在标准条件下(T=20摄氏度，湿度65%) 分特:dtex(0.1tex) 2旦数:在共定回潮率下(T=20,湿度65%)，91cm长纤维所具有的重量的克数 3品质变数

9、:羊毛可纺(或纱线)的支数 支数与密度和重量有关 *特数和旦数可计算强度，其中，特数常用于棉、麻，旦数常用于化纤 1长度整齐度越好，强度越强，质量越好越均匀 2纤维越细，纤维强度越高，纱线质量越高 c强度.模量 d延伸性和弹性 e抱合力和摩擦力 抱合力:纤维与纤维之间有一定的缠结，需凝聚在一起抱合力，纺成纱线 摩擦力:若无，则在纺的过程中 会滑移，所以纤维表面不能太光 f吸湿性和染色性 g化学稳定性 特殊要求:抗菌、阻燃 若作为产业纤维:造纸，不需纺成纱，但强度增强，吸湿增强 光纤，要求光学性能和强度，全反射，损耗小 第二章 纤维的力学性能 一、单纤维的拉伸性能 强度测试:温度20摄氏度+-3

10、摄氏度，湿度65%+-5% 纤维受力面积小，吸湿度不一样，差别会很大 1、性能指标 1)断裂强度 比强度:断裂强力/断裂面积 断裂应力:强度极限，纤维单位截面上承受的最大应力 断裂长度:纤维自身的重量与其断裂强力想当时所具有的长度 2)断裂伸长率: 模量 大-刚(硬) 小-柔(软) 屈服强度(或断裂强度) 大-强 小-弱 断裂伸长 大-韧:过屈服点 小-脆:没过屈服点 普通涤纶，断裂伸长大(刚而韧) 锦纶拉伸好(柔而韧) 棉麻(刚而脆) 高强涤纶，丝(刚而强) 粘胶纤维(柔而弱) 3)初始模量 4)屈服点(以前的变形可回复):屈服前E，增强E，增强模量位移 5)断裂功 6)耐磨性 7)回弹性:

11、急回弹:力一撤，就回复 缓回弹:通过分子链运动回复 塑性变形: 测量:定伸长回弹率/定负荷回弹率 影响耐磨性的因素 分子量大，结晶度适中(晶力小)，模量低，柔曲性大(细而均匀)，耐磨性增强 8)耐疲劳性(多次施加应变成应力后，材料力学性能的衰减) (回弹性好;单纤维越细;分子量大;晶力小，晶区分布均匀)=耐磨性增强 (结晶度、取向度高;温度高，分子运动剧烈;应变增强)=耐疲劳性减弱 *变长过度，无法回弹 羊毛 伸长 1% 5% 10% 回复 99% 69% 51% 棉 91% 52% *锦纶:回复较好 粘胶纤维:10%-23% 二、束纤维的拉伸性能 静态性能 动态性能 摩擦力、抱合力、切向阻力

12、 *影响因素 内因大分子结构:柔曲性、聚合度 结合力小，聚合度低-滑移-束纤维强度下降 聚集态结构(超分子):结晶度增强，取向度高-强度增强-断裂伸长减少 形态结构:纤维自身裂缝、孔洞，形态不均一-强度下降 外因温度增加，分子运动增加，柔韧性增加，结合力下降-强度下降，断裂伸长增加，模量降低 湿度增加，含水量增加，分子间结合力下降，晶区松散 *棉、麻:强度随相对温度增加而增加 化纤:涤纶锦纶等不吸湿，相对湿度对其影响性小 测试条件:纤维结构不均一，测试结构越长，出现弱环机会越多，测得强度越低，束纤维测得的根数越多，折合的单纤维强度越低(束纤维间有相对滑移，且不是平行的，即使单纤维尽量拉平也无法

13、避免) 拉伸速度:提高-强度增加，模量增加，断裂伸长下降 耐热性 常用纤维的耐热性 天然纤维:棉麻蝉丝羊毛 人造纤维:粘胶棉 合成纤维:涤纶腈纶锦纶维纶 第三章 纤维的热学、电学、光学性质 一、热学性质 1、纤维材料的三态变化 使用温度:Tg以下 加工温度:Tf以上 2、纤维材料在Tg以下的多重转变 四种转变峰:a-主链链段变化，B峰-端基、侧链、结晶缺陷、杂质 3、纤维的耐热性 定义:纤维材料在高温下保持自身的物理和机械性能不变的能力 耐高温材料:500摄氏度以上能保持其性能 热裂解稳定性=热稳定性:抵抗热裂解的能力 *高温下，材料会软化、熔融、交联 耐热性: 棉、粘胶亚麻 粘胶130摄氏度

14、以上还可保持完好，做轮胎连子线 羊毛100 100摄氏度变黄，强度降低，洗涤温度小于45摄氏度 蝉丝羊毛 涤纶、腈纶耐热性较好，Tm、Td比较高 涤纶(轮胎连子线)腈纶 维纶:耐热水性差，聚乙烯醇缩醛，水性，在水中变形，有一定溶解 4、纤维的燃烧性能(阻燃性能) LOI=V(O2)/(V(O2)+V(N2) 1)极限氧指数(LOI):材料点燃后，在O2、N2混合气体里，维持燃烧所需要的最低含量的体积分数 (空气中O2含量21%) LOI21%，在空气中会自动熄灭，难燃性成阻燃性纤维 26%，可作为阻燃纤维 LOI (棉20.1%粘胶19.7%醋酯18.6%羊毛25.2%腈纶18.21%涤纶20

15、.6%锦纶20.1%维纶19.7%丙纶18.6% 氯纶37.1%芳纶28.2%C纤维60%) 常见纤维在空气中均易燃或可燃，需作阻燃处理 *氯纶、芳纶是阻燃纤维 2)阻燃技术 1、原丝的阻燃改性 2、阻燃整理: 天然纤维在后整理过程中，通过吸附沉淀，化学键合成非极性范德华力，使阻燃剂附着在植物或纱线上，取得阻燃效果; 化学纤维或合成纤维; 也可在纺丝中加入阻燃剂，通过共聚共混起到阻燃效果(成本低，使用简单，加工方便，工艺简单;只是表面处理，材料手感不好，对强力(降低)有负面影响); 3、阻燃机理:植物燃烧是一个封闭的链式反应过程，阻燃即打破该过程，使活性自由基钝化切断链，在放热阶段，阻燃剂起吸

16、收热量的作用;热降解过程中，阻燃剂座位催化剂，促使反应朝可燃气体减少的方向进行(eg.纤维和阻燃剂受热分解产生磷酸，改变裂解途径，脱水碳化，达到阻燃效果) 4、阻燃剂: Pyrovafer CP含N有机磷酸酯:用于棉、麻、粘胶等纤维素纤维，需加助剂 Proban THPC四羟甲基角化磷:棉布、纯THPC有致癌物质，改性 Fyrol-76:棉质物 *无角阻燃 因内聚酯纤维(涤纶)的阻燃是一个空白 涤纶 a在酯交换加入反应型阻燃剂(熔融纺丝) b熔融纺丝前熔体中加入添加型阻燃剂 c用普通聚酯和含有阻燃剂的聚酯做成复合纺丝 d在聚酯纤维植物上与阻燃剂按枝共聚 e对聚酯纤维进行阻燃后整理 5、其他热性

17、能参数 1)比热容:单位质量的纤维在温度变化1摄氏度时，吸收或放出的热量 (棉1.21，粘胶1.26，羊毛1.36，蝉丝1.38，涤纶1.34，锦纶1.43，石棉1.05) 2)熔点:结晶部分熔融成无定型状态的温度 化纤:显微镜下测试;熔融时，样品收缩-形状全部消失;偏光显微镜;结晶，双折线下明亮;熔融，明亮消失 3)热收缩:在一定力的作用下测定温度上升时，长度的变化 4)热导率(导热系数) 空气中:(棉17.5毛7.3粘胶11醋酯8.6涤纶7.0腈纶8.0氯纶6.4锦纶6.2) 空气:0、092，保温性好，导热系数好，双层玻璃:中间加空气 真空棉:中间加一层空气层，保暖性好 二、电学性质纤维

18、在外加电场或电质下表现的性能 交变电场中的介电现象 热电场中导电性:纳米导电 强电场的击穿现象 纤维表面的静电现象 、纤维的导电性质 1金属:电子导电 Polymer:共价键、电子云重合部分少，绝缘材料，有一部分电子可移动导电 电荷载体不同 离子导电:随分子间空间增加而增强(纤维自由体积增加，导电性能增强);两个电极之间有电解物，明显的电解沉淀物;压力减小，温度上升，导电性增强(离子体积电子，受阻力影响大);极化速度慢与时间有关 电子导电:分子密集排列，电子容易跳跃，无电子云重叠，形成电子的直接通道;光照时产生霍尔效应;电极两端不会产生电解物;随外力增加导电性能增加;随温度升高，开始变化不大，

19、随后下降;极化时间短，可认为与时间无关 对纤维素、毛、棉、丝等多为离子导电，载体来源为大分子链极性物的分解物或 参数:电阻率、电导率体积电阻率的倒数 质量电阻率:试样长1厘米，质量为1克时的电阻，(纤维常用:因为其长度、截面积不好测)质量电阻率=密度*体积电阻率 2、纤维的介电性能 介电常数 纤维材料介电极化原理:在电场作用下，分子内的价电子或键发生结构变化或分子极化取向 电子极化(位移极化):电子云在外电场下向正极偏移，正电荷中心相对分子骨架产生移动，使分子正电荷中心位置发生变化;速度快10(-15)10(-13)s 原子极化(变形极化):分子骨架在外电场作用下发生的变形而引起的极化;形式:

20、分子的弯曲形极化;速度慢，计划时间10(-13)s *也称其为位移极化(电子极化)或变形极化(原子极化) *取向极化:外电产下产生极性分子或基团的取向而引起的极化，时间约等于10(-9)s，所需时间长，克服自身惯性或旋转时的阻力 *介电常数大，极化能力强，极化程度高(介电损耗:在交变电场中，电解质发热产生的损耗) 影响因素 分子结构:极性基团 温度:T升高，介电常数增大(与Tg等有关系，可用介电常数测Tg) 频率:f增大，介电常数减小 杂质:极性杂质H20(可通过测介电常数来测含焠) 3、纤维的静电性能 当两种物质接触或摩擦时，内部能量发生变化，电荷再分配，分开后，两物质带不同的电 机理:1表

21、面电子从材料表面逸出功不同，两种材料接触产生电位差，产生电场电位差理论 2偶电层理论:摩擦时，离子转移引起带电 消除静电方法: 1通过不同电荷接触时的相互作用消除 a辐射，使气体电离，带电，与带静电的纤维表面接触 b正电纤维与负电纤维混用，电荷中和 2沿着纤维表面消除 提高纤维吸湿性，表面形成连续水膜，减小电阻率， 加抗静电剂:疏水基团(+纤维表面)、亲水基团(+空气:水蒸气) 3通过绝缘体体内消除 添加导电物质:C黑金属丝、金属细粉 三、光学性质 1、反射与光泽 a.吸收、反射、折射、透射 b.光的吸收及光在纤维中的传递 c.化纤 平行排列，圆形截面，反射强 d.粗羊毛:鳞片粗，反射强 多层

22、纤维:每一层反射或折射程度不一样，反光较柔和 2、折射与双折射(不同纤维折射率不同) 纤维:取向材料，内部折射率不同非常光:n平行 垂直、平行方向折射率不同寻常光:n垂直 n 平行n 垂直，n平行-n垂直=双折射率 *取向增多，双折射率增大(用测双折射率的方法测取向度) 3、耐光性 在紫外线照射下，发生老化现象的性质 降解范围:480nm-290nm(太阳光波长)紫外线:300-400nm-化学键断裂，纤维老化 *加入消光剂:TiO2处理材料，吸收波长大于300nm的紫外光，光化裂解，但对纤维强度及断裂功影响较大，需综合考虑 第四章 纤维素纤维 天然纤维:棉、麻 天然纤维改性:粘胶纤维 *天然

23、纤维素纤维:棉、麻 *再生纤维素纤维:粘胶、铜氨、lyocell 天然纤维素: 1分子结构 B-D-吡喃葡萄糖【(1-4)-B苷链链接,椅式，右旋】 2聚集态结构 1)结晶变体 粘胶纤维的生产原理: 丝光棉(Na-纤维丝光处理)水解II 纤维I、II液氯III 纤维I、II、III高温热处理IV *存在变体纤x，但实际应用不大 纤I:平行链结构 纤II:反平行链结构，单位结晶晶胞致密 *b轴时纤维轴方向 纤I:棉、麻、海藻 纤II:丝光棉 2)结晶模型 结晶度.取向度 a缨状原纤结构:纤维是经过牵伸的结构(由缨状微胞结构派生出来的)= b折叠链:聚乙烯 稀溶液，析出单体 结晶度: 取向度:棉再

24、生 NH3-铜氨 N-甲基吗啉-N-氧化物lyocell(NMMO) 3)热降解 纤维降解会C化，高温下，强度降低 纤维-C纤维(但强度降低，收率低) 降解: 阶段 I.纤物理吸附的水解析(20-150摄氏度) II.G基脱水(150-240摄氏度) III.苷键开环断裂，产生新的物质，低分子产物或挥发性物质(240-400摄氏度) IV.残余结构芳环化石墨化(400摄氏度) 4)光降解 太阳光或紫外线照射产生降解 生成氧化纤维或强还原性有机物 在湿气或氧气存在下，强度降低 石英、汞灯长期照射下，纤维C粉 机理 直接光降解:纤受光吸附后，化学键断裂(C-C(334-376KJ/mol)、C-O

25、，C-H吸收418KJ/mol能量即降解) 光敏降解:波长大于340nm，纤不会降解，若中间存在染料(CO2)，会吸收紫外光=光敏讲解，所以吸收染料会变脆 5)机械降解:加工过程中引起的物理化学性质的变化 棉花:Xn减少26%(机械加工过程中) 摩擦:结晶度降低，化学键断裂 6)离子辐射降解 射线，电子束辐射源 定义: 木塑材料:照在其中时 5、化学性质 降解反应 1纤链降解:酸水解、氧化、微生物或酶水解 2与-OH有关的反应:酯化、醚化，按枝共聚、交联 6、再生纤维素纤维 1)粘胶纤维:磺酸酯化、纺丝 2)铜氨纤维 3)lyocell 4)modal纤维 (1)粘胶:磺酸钠溶液中，制成的纤维

26、遇酸后会析出纤维素 *制备粘胶过程 (a粘胶的准备:纤维素黄酸酯;b纺前准备;c纤维纺丝;d纤维后处理) A制备:纤维素黄酸酯 C6H7O2(OH)3NaOHn+nCS2 -C6H7O2(OH)2-O-CO-SNa+nH2O -nH2SO4-C6H10O5n+nNaHSO4+nCS2 *纤维素再生:硫酸酸化，纤维素析出再生 B结构 平直的柱体，截面为不规则的锯齿状 Xn减少，250-300，晶胞参数与纤II相同 0%结晶度下降，结晶尺寸小，电镜下吹察不到原纤组织，一部分折叠链结构取向度减小，属化纤通过拉伸程度增大，取向度可增大 C性质 *干强度棉:对酸氧化剂抵抗力差;对碱抵抗力强 *耐日光性:日光照射，强度降低，变黄;光稳定性天然纤维 *染色性:增强，与棉类似，颜色鲜艳，能用于棉的染色剂都能用于粘胶 D存在环保问题:各种化学试剂;一吨粘胶消耗3.5吨化工原料-