纖維材料的結(jié)構(gòu)與基本性能演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有29頁\編輯于星期三（優(yōu)選）纖維材料的結(jié)構(gòu)與基本性能現(xiàn)在是2頁\一共有29頁\編輯于星期三第二節(jié)纖維的分子鏈結(jié)構(gòu)一、纖維分子鏈的組成和結(jié)構(gòu)（一）鏈的幾何異構(gòu)纖維基本上都是由碳原子構(gòu)成主鏈的線型大分子，如果主鏈上存在雙鍵，組成雙鍵的兩個(gè)碳原子同時(shí)被兩個(gè)不同的原子或基團(tuán)取代時(shí)，由于內(nèi)雙鍵上的基團(tuán)在雙鍵兩側(cè)排列的方式不同即可以有順式和反式構(gòu)型之分，它們被互稱為幾何異構(gòu)體。現(xiàn)在是3頁\一共有29頁\編輯于星期三（二）鏈的鍵接異構(gòu)鍵接異構(gòu)是指結(jié)構(gòu)單元在高分子鏈中的不同連接方式。單體單元的鍵合方式對(duì)成纖高聚物的性能，特別是化學(xué)性能影響很大。所以，凡用作纖維的聚合物，一般都要求分子鏈中單體單元排列規(guī)整，以提高其結(jié)晶度和強(qiáng)度，并要防止出現(xiàn)鍵接異構(gòu)，否則性能就可能會(huì)發(fā)生很大變化?，F(xiàn)在是4頁\一共有29頁\編輯于星期三（三）鏈的支化異構(gòu)一般成纖高聚物的鏈為線型鏈，但也有高分子鏈上有支化或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。例如：3個(gè)或3個(gè)以上官能度的單體存在時(shí)，在加聚過程中發(fā)生自由基在縮聚過程中有的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)時(shí)，均可生成支化或交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子。現(xiàn)在是5頁\一共有29頁\編輯于星期三（四）鏈的旋光異構(gòu)

凡具有不對(duì)稱碳原子的有機(jī)化合物，均可呈現(xiàn)兩種互成鏡像的不同構(gòu)型，這種出現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)上的異構(gòu)現(xiàn)象稱為旋光異構(gòu)或立體異構(gòu)。符合這類構(gòu)型的高聚物可分為全同立構(gòu)高聚物、間同立構(gòu)高聚物和無規(guī)結(jié)構(gòu)高聚物三類。聚丙烯的三種立體異構(gòu)體現(xiàn)在是6頁\一共有29頁\編輯于星期三（五）鏈的序列結(jié)構(gòu)當(dāng)高聚物的長鏈分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)構(gòu)單元時(shí)，由于各種結(jié)構(gòu)單元（單體）在長鏈中的分布不同，從而導(dǎo)致了鏈的排序不同，這種排序稱為鏈的序列結(jié)構(gòu)（或稱結(jié)構(gòu)異構(gòu)）?，F(xiàn)在是7頁\一共有29頁\編輯于星期三二，纖維分子鏈的構(gòu)象（一）鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象及柔順性根據(jù)熱力學(xué)原理，在沒有外力的作用下鏈會(huì)力圖卷曲，它不能保持直線狀態(tài)。由于高分子鏈?zhǔn)怯扇舾蓚€(gè)共價(jià)單鍵連結(jié)起來的，因單鍵可以繞鍵軸作內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以高分子鏈很容易卷曲成為無規(guī)線團(tuán)狀。不同的高分子鏈，因卷曲程度不同，形狀也就不同。通常把表征高分子長鏈卷曲程度的特性稱為柔性（或柔順性）?，F(xiàn)在是8頁\一共有29頁\編輯于星期三（二）鏈段長度鏈段由若干鏈節(jié)所組成，是長鏈分子中可以發(fā)生獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元。如果某高聚物的鏈段很短，說明該高聚物鏈中能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元很多，相應(yīng)地，該高聚物的長鏈就會(huì)顯得比較柔順；相反，若鏈段很長，甚至長到與一個(gè)分子鏈一樣長，那么它就很不容易運(yùn)動(dòng)，會(huì)呈現(xiàn)很大的剛性。所以鏈段長度也是表征長鏈分子柔順性的一個(gè)參數(shù)。現(xiàn)在是9頁\一共有29頁\編輯于星期三三，纖維分子鏈結(jié)構(gòu)的測量與表征

元素分析法：主要對(duì)成纖高聚物的碳、氫兩種元素進(jìn)行定量分析，判明碳、氫含量的百分率。紅外吸收光譜法：主要對(duì)高聚物的官能基及各種成分吸收帶強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。紫外與可見光譜法：主要在10-400nm紫外吸收光譜范圍及400-800nm可見光范圍內(nèi)測定具有不飽和鏈及不對(duì)稱電子的分子。核磁共振光譜法：主要測定在外部磁場作用下，分子內(nèi)部發(fā)生化學(xué)位移的核群及吸收帶以及相鄰核的信息。相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的檢測：對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量分布進(jìn)行測量的方法大致有兩類，一類是沉淀分級(jí)法、溶解分級(jí)法、管柱法等分級(jí)測定方法；另一類是凝膠滲透色譜法、濁度法、超速離心法等可直接測量的方法?，F(xiàn)在是10頁\一共有29頁\編輯于星期三第三節(jié)纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指纖維大分子鏈之間的作用與堆砌方式，又稱為超分子結(jié)構(gòu)或凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。據(jù)此形成的有高聚物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、非晶結(jié)構(gòu)、取向結(jié)構(gòu)、液晶結(jié)構(gòu)以及通過共混形成的織態(tài)結(jié)構(gòu)或高分子合金結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)在是11頁\一共有29頁\編輯于星期三一、纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)（一）成纖高聚物的結(jié)晶形態(tài)成纖高聚物分子鏈一般以整齊有序的方式排列，分子鏈上各基團(tuán)或原子必處在三維空間的某一位置或區(qū)域，故可以形成規(guī)則有序且相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)陣排列結(jié)構(gòu)，有較大的內(nèi)聚能密度和明顯的轉(zhuǎn)變溫度，這種結(jié)構(gòu)稱作結(jié)晶結(jié)構(gòu)，具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱作結(jié)晶區(qū)。成纖高聚物的一部分分子鏈也可以不形成上述結(jié)構(gòu)，具有非晶的結(jié)構(gòu)特征，許多高分子纖維都有這種結(jié)晶結(jié)構(gòu)與非晶結(jié)構(gòu)的組合。纖維大分子的排列很少是完全有序、規(guī)整的，并且總會(huì)存在非晶區(qū)（無序排列）、某些結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)或因聚合物摻雜而形成的織態(tài)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在是12頁\一共有29頁\編輯于星期三折疊鏈片晶片晶的厚度大約為10nm。電子衍射的數(shù)據(jù)表明，在這種纖維結(jié)晶形態(tài)中，分子鏈垂直于片晶平面排列，大分子鏈的伸展長度一般可達(dá)數(shù)千以至數(shù)萬，這說明大分子在片晶中是呈折疊狀分布的。在結(jié)晶生長過程中，這種折疊狀片晶還有可能發(fā)展成球晶或樹枝晶等多晶體。伸直鏈片晶在結(jié)晶形態(tài)中，不是所有的片晶都是由折疊鏈組成的，在外力作用下，長鏈分子也可能形成伸直鏈的片晶。伸直鏈片晶是指長鏈分子在片晶中呈充分伸展的形態(tài)。伸直鏈片晶是在較高壓力下，由聚合物熔體等溫緩慢結(jié)晶生成的。

伸直鏈結(jié)晶結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為聚合物中熱力學(xué)最穩(wěn)定的一種凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。幾種常見的纖維結(jié)晶形態(tài)現(xiàn)在是13頁\一共有29頁\編輯于星期三纖維狀晶體高聚物的熔體和溶液在應(yīng)力作用下結(jié)晶，可以得到呈纖維狀的結(jié)晶單元，俗稱串晶。它由兩部分組成，中心部分是細(xì)長的脊纖維，其中的長鏈分子呈伸展?fàn)?；另一部分是寬板狀的附晶，其中的長鏈分子呈折疊狀。這說明它是一種兼具折疊鏈和伸直鏈的結(jié)晶單元，隨著結(jié)晶時(shí)所施加外力的增大，串晶中所含伸直鏈部分的比例會(huì)有所增加。串晶的結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)在是14頁\一共有29頁\編輯于星期三單晶體高聚物稀溶液在接近于熔點(diǎn)的溫度下以極緩慢的結(jié)晶速度制得的晶體。整個(gè)晶體有規(guī)則的外形，內(nèi)部的長鏈分子能全部按點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作規(guī)則排列，并近程有序和遠(yuǎn)程有序地貫穿于整個(gè)晶體。在這種結(jié)晶高聚物中，通常都含有眾多微小的單晶粒。多晶體由多個(gè)取向不同的、微小的單晶體所組成的晶體單元，常見形態(tài)有球晶、絲晶等?，F(xiàn)在是15頁\一共有29頁\編輯于星期三（二）成纖高聚物的結(jié)晶模型兩種纓狀微胞結(jié)構(gòu)模型圖兩相結(jié)構(gòu)：高聚物中同時(shí)存在晶區(qū)和非晶區(qū)兩部分，一個(gè)高分子鏈可以貫穿幾個(gè)晶區(qū)與非晶區(qū)，晶區(qū)的尺寸很?。ㄗ笥遥Ｔ诰^(qū)，分子鏈有規(guī)則排列，而在非晶區(qū)，分子鏈則完全無規(guī)堆砌。現(xiàn)在是16頁\一共有29頁\編輯于星期三纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型圖纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型：放棄了纓狀微胞采用的晶區(qū)是微胞的假設(shè)，認(rèn)為結(jié)晶區(qū)中是連續(xù)的纓狀原纖，由許多排列規(guī)整的長鏈分子組成，這些分子會(huì)沿著自身長度的方向，在原纖的不同位置上分裂出去，形成分枝，有的進(jìn)入非晶區(qū)，有的重新進(jìn)入其他的原纖組織中，晶格缺陷和無序排列隨時(shí)都可能發(fā)生?，F(xiàn)在是17頁\一共有29頁\編輯于星期三折疊鏈結(jié)構(gòu)模型：線形的高分子鏈?zhǔn)蚓哂休^大的表面能，很不穩(wěn)定，在一定的條件下能自發(fā)折疊成帶狀結(jié)構(gòu)，并排列成規(guī)整的折疊鏈片晶。纓狀折疊鏈（片晶）模型現(xiàn)在是18頁\一共有29頁\編輯于星期三（三）結(jié)晶結(jié)構(gòu)的晶系與晶胞特征在分子排列規(guī)整的結(jié)晶區(qū)中，各分子上的原子、原子團(tuán)和基團(tuán)都應(yīng)該分布在一定的位置上，這些質(zhì)點(diǎn)（即上述原子、原子團(tuán)、基團(tuán)）通過整齊排列所形成的空間格子稱為晶格，構(gòu)成這些空間格子的基本單元叫做單胞或晶胞。現(xiàn)在是19頁\一共有29頁\編輯于星期三由單胞堆積形成的晶胞每一個(gè)單胞有六個(gè)基本參數(shù)，即三條邊、三個(gè)角（圖中的a、b、c、α、β、γ），由于這些參數(shù)不同，形成的晶胞類型也不同。a、b、c是邊長，沿邊長方向叫晶軸，α、β、γ是晶軸間夾角?，F(xiàn)在是20頁\一共有29頁\編輯于星期三由于晶軸夾角和晶軸（周期）長度不同，可將所有的晶體分成七大晶系?，F(xiàn)在是21頁\一共有29頁\編輯于星期三（四）結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)纖維性能的影響隨著纖維結(jié)晶度的增大，長鏈分子間的斂集密度也隨之增大，纖維的性能，如密度、斷裂強(qiáng)度、初始模量、尺寸穩(wěn)定性等都會(huì)有所提高，但纖維的染色性有所下降。在纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中，晶粒的尺寸宜小不宜大?，F(xiàn)在是22頁\一共有29頁\編輯于星期三二、纖維的非晶結(jié)構(gòu)成纖高聚物中分子聚集狀態(tài)呈不規(guī)則排列的區(qū)域稱為非晶區(qū)（或稱為無定形區(qū)），其結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)。無規(guī)線團(tuán)模型非晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低、變形增大，但吸濕和染色性變好，它也會(huì)使纖維的一些物理性能（如電學(xué)性能、聲學(xué)性能、熱學(xué)性能、光學(xué)性能等），隨著溫度變化而產(chǎn)生較大差異。現(xiàn)在是23頁\一共有29頁\編輯于星期三三、纖維的取向結(jié)構(gòu)纖維的大分子鏈節(jié)與纖維軸的平行程度稱為取向度，它表達(dá)了纖維中大分子沿纖維軸方向取優(yōu)勢排列的趨向，這種優(yōu)勢排列的趨向，就是纖維的取向結(jié)構(gòu)。取向度的高低主要影響纖維的強(qiáng)度和模量，取向度高的纖維，強(qiáng)度和模量均會(huì)提高。取向度高同時(shí)也有利于提高纖維的結(jié)晶度，但結(jié)晶度高的纖維不一定有較高的取向。現(xiàn)在是24頁\一共有29頁\編輯于星期三現(xiàn)在是25頁\一共有29頁\編輯于星期三四、纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的測量與表征成纖高聚物大都屬于“半晶高聚物”，即具有一定結(jié)晶度的高聚物。其結(jié)晶度大小、晶區(qū)分布、結(jié)晶形態(tài)等對(duì)纖維的各項(xiàng)性能都有重要影響，特別是力學(xué)性能、染色性能和水分?jǐn)U散性能受影響很大。反映纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)有結(jié)晶度、晶體類型、結(jié)晶大小和形狀、晶區(qū)分布及非晶區(qū)結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)在是26頁\一共有29頁\編輯于星期三結(jié)晶度是使用得最多的指標(biāo)，它是指纖維中結(jié)晶部分占纖維整體的百分比，在0~1之間。纖維完全結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶度為1，完全非晶時(shí)結(jié)晶度為0。在理論上，結(jié)晶度指標(biāo)分為體積結(jié)晶度Xv和質(zhì)量結(jié)晶度Xw，可用密度法測定，即：

ρ、ρa(bǔ)、ρb——纖維的整體密度、纖維的非晶區(qū)密度、纖維的結(jié)晶區(qū)密度；W、V——纖維的整體質(zhì)量、纖維的整體體積；Wc、Vc——纖維結(jié)晶部分的質(zhì)量、纖維結(jié)晶部分的體積?，F(xiàn)在是27頁\一共有29頁\編輯于星期三結(jié)晶大小和尺寸等有關(guān)結(jié)晶形態(tài)學(xué)的指標(biāo)，一般也可通過X射線廣角衍射法來檢測。從沿某一方向衍射線強(qiáng)度的增大可以求得該衍射面法線方向的單元晶格數(shù)，并進(jìn)而求得該方向微晶的大小，因此只要掌握各個(gè)方向的衍射線強(qiáng)度便能得知微晶的全部形狀信息。此外，利用X射線小角散射也可以分析晶區(qū)的分布等?，F(xiàn)在是28頁\一共有29頁\編輯于星期三X射線衍射法、電子衍射法、光學(xué)偏振法、聲速模量法、染色取向