蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院紡織工程專業(yè)本科教程楊旭紅纖維材料學(xué)蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院纖維材料學(xué)1第一章纖維結(jié)構(gòu)基本知識(shí)

Back第一章纖維結(jié)構(gòu)基本知識(shí)Back2第一節(jié)

纖維結(jié)構(gòu)的層次概念

一、紡織纖維的結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)：指在平衡態(tài)分子中原子的幾何排列（分子結(jié)構(gòu)）及分子與分子之間的幾何排列（聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）。

第一節(jié)纖維結(jié)構(gòu)的層次概念一、紡織纖維的結(jié)構(gòu)層次3遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（二次結(jié)構(gòu)）：涉及鏈的長度以及構(gòu)像（鏈的形態(tài)）纖維大分子的鏈結(jié)構(gòu)近程結(jié)構(gòu)（一次結(jié)構(gòu)）：長鏈分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其化學(xué)的與立體的異構(gòu)成纖高聚物大分子鏈相互間的幾何排列及結(jié)構(gòu)形態(tài)；纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要研究和分析各種纖維長鏈分子的堆砌方式，如有無結(jié)晶、如何形成、結(jié)晶形態(tài)、晶區(qū)與非晶區(qū)的異同，以及長鏈分子與纖維軸的平行程度等。形態(tài)結(jié)構(gòu)：多重原纖結(jié)構(gòu)、斷面結(jié)構(gòu)、外觀與表面形態(tài)、孔隙、裂紋等。纖維大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（二次結(jié)構(gòu)）：涉及鏈的長度以及構(gòu)像（鏈的形態(tài)）纖維大4二、成纖高聚物的結(jié)構(gòu)要求1．從大分子形態(tài)上看，具有一定的長度和細(xì)度、有較高的長徑比。2．從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的角度看，分子排列有一定的取向度或各向異性，有形成部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)的能力，同時(shí)還要保留有一定的無定形區(qū)（非結(jié)晶區(qū)）。3．從大分子組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，大分子應(yīng)是線形長鏈分子，支鏈較短，側(cè)基要小，且大分子間作用力要小，同時(shí)，相對分子質(zhì)量要高。

二、成纖高聚物的結(jié)構(gòu)要求1．從大分子形態(tài)上看，具有一定的長度5第二節(jié)

纖維的分子鏈結(jié)構(gòu)

一、纖維分子鏈的組成與結(jié)構(gòu)鏈節(jié)：成纖高聚物長鏈分子中最小化學(xué)組成的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。聚合度：大分子中基本結(jié)構(gòu)單元的重復(fù)數(shù)。p.15表1-1主要纖維的基本結(jié)構(gòu)單元（鏈節(jié)）

第二節(jié)纖維的分子鏈結(jié)構(gòu)一、纖維分子鏈的組成與結(jié)構(gòu)6（一）鏈的幾何異構(gòu)（二）鏈的鍵接異構(gòu)（三）鏈的支化異構(gòu)

（四）鏈的旋光異構(gòu)

（五）鏈的序列結(jié)構(gòu)

（一）鏈的幾何異構(gòu)7二、纖維分子鏈的分子量與分布

（一）纖維高分子的相對分子質(zhì)量纖維高分子聚合度與分子量可按不同的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出來，因此，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值。在化學(xué)纖維生產(chǎn)中，經(jīng)常將分子量及其分布作為控制生產(chǎn)和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。

（二）分子量及其分布由于統(tǒng)計(jì)方法不同，有各種平均分子量的定義方式，使用較多的是數(shù)均分子量和重均分子量。

二、纖維分子鏈的分子量與分布（一）纖維高分子的相對分子質(zhì)量8三、纖維分子鏈的構(gòu)型、構(gòu)象和能壘的概念

構(gòu)型——指某一原子的取代基在空間的排列，它是分子為化學(xué)鍵所固定著的幾何形態(tài)。構(gòu)象——由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而形成的原子在空間的排布。內(nèi)旋轉(zhuǎn)——單鍵繞軸作自身回轉(zhuǎn)。自由鏈段——單基與單基沿大分子鏈的方向形成連結(jié)，在纖維大分子之間側(cè)向會(huì)形成一定的連結(jié)，但在兩個(gè)形成了連結(jié)的連結(jié)點(diǎn)之間必須有一段長度的鏈?zhǔn)亲杂傻?，這段鏈段稱為自由鏈段。

三、纖維分子鏈的構(gòu)型、構(gòu)象和能壘的概念構(gòu)型——指某一原子的9纖維大分子主鏈上常有各種各樣的原子或基團(tuán)，它們對相鄰分子鏈上的原子或基團(tuán)發(fā)生影響同一分子鏈上的原子或基團(tuán)纖維大分子（1）受同一主鍵上相鄰原子或基團(tuán)的近程力作用；（2）受同一主鍵和相鄰主鍵的遠(yuǎn)程力作用。

最后停留在一個(gè)對它來說來自各方面斥力相平衡的位置上。

能壘（或勢壘、內(nèi)旋轉(zhuǎn)活化能）——若原子或基團(tuán)之間斥力最小與最大的位置分別取為勢能的最低值與最高值，則兩者之差為能壘。能谷——“勢能-位移”曲線中峰值間的凹陷部位。纖維大分子主鏈上常有各種各樣的原子或基團(tuán)，它們對10三、纖維大分子的柔性和剛性鏈的柔順性（柔曲性）——在外力作用下分子鏈伸直；外力去除，分子鏈自行卷曲，纖維大分子在剛?cè)岢潭壬媳憩F(xiàn)出的一定的柔性和一定的剛性稱為鏈的柔順性。鏈段由若干鏈節(jié)所組成，是長鏈分子中可以獨(dú)立發(fā)生運(yùn)動(dòng)的單元。鏈段長度是表征長鏈分子柔順性的一個(gè)參數(shù)。鏈段長度越短，鏈段數(shù)越多，該長鏈分子越柔軟。三、纖維大分子的柔性和剛性鏈的柔順性（柔曲性）——在外力作用11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。

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12一、纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)（一）成纖高聚物的結(jié)晶形態(tài)結(jié)晶結(jié)構(gòu)：成纖高聚物分子鏈以整齊有序的方式排列，形成較為規(guī)則有序且相對穩(wěn)定的點(diǎn)陣排列結(jié)構(gòu)。非晶結(jié)構(gòu)：不形成上述結(jié)構(gòu)的具有非晶的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)晶區(qū)：成纖高聚物中具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱作結(jié)晶區(qū)。非晶區(qū)（或稱為無定形區(qū)）：分子聚集狀態(tài)呈不規(guī)則排列的區(qū)域。

一、纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)（一）成纖高聚物的結(jié)晶形態(tài)13常見的結(jié)晶形態(tài)：

1．折疊鏈片晶2．伸直鏈片晶3．纖維狀晶體4．單晶體5．多晶體常見的結(jié)晶形態(tài)：1．折疊鏈片晶14（二）成纖高聚物的結(jié)晶模型

1.纓狀膠束結(jié)構(gòu)（又稱纓狀微胞結(jié)構(gòu)）模型特點(diǎn)：

（1）纖維中有膠束組成的規(guī)則的晶區(qū)合膠束與膠束間區(qū)域形成的非晶區(qū)（無定形區(qū)）；（2）膠束由分子集束而成，但長度比分子鏈要短得多；（3）大分子鏈在膠束間互相穿插，把晶區(qū)合非晶區(qū)聯(lián)結(jié)起來；（4）無約束條件（外力）下，纖維中膠束隨機(jī)分布，如有拉伸，膠束沿外力場排列。（二）成纖高聚物的結(jié)晶模型1.纓狀膠束結(jié)構(gòu)（又稱纓狀微胞結(jié)15纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型對某些天然纖維的結(jié)構(gòu)合性能的關(guān)系（如吸濕性、染色性）可作很好的解釋，但無法解釋纖維中有片晶、纖維狀單晶合球晶結(jié)構(gòu)，故修正建立纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型。

纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型對某些天然纖維的結(jié)構(gòu)合性能的關(guān)系（如吸濕性、16與纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型相同點(diǎn)：仍認(rèn)為纖維中有分子排列規(guī)整與不規(guī)整兩個(gè)部分，并為一個(gè)或多個(gè)分子貫穿。不同點(diǎn)：纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型還認(rèn)為：

（1）排列規(guī)整的部分只是連續(xù)的纓狀原纖，由來自不同方向的漫散分子組成；（2）晶格可以有些畸變，處于結(jié)晶部分的原纖可有微小曲率或形成支化；（3）從結(jié)晶部分向非晶部分逐漸過渡，兩部分周界不能很清晰地分開。

此模型適合天然纖維、再生纖維的分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，但不適合合纖。2．纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型與纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型相同點(diǎn)：仍認(rèn)為纖維中有分子排列規(guī)整與不規(guī)整173.折疊鏈結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)：（1）纖維中存在規(guī)整和不規(guī)整兩部分，規(guī)整部分由折疊的分子鏈組成；（2）一個(gè)折疊部分可由一根或幾根的分子鏈所組成，具有片晶的特性；（3）晶區(qū)和非晶區(qū)由縛結(jié)分子所聯(lián)接；（4）晶區(qū)和非晶區(qū)有松弛的末梢和圈環(huán)。有時(shí)也稱折疊鏈-纓狀原纖結(jié)構(gòu)縛結(jié)分子：在晶區(qū)之間相連的分子。3.折疊鏈結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)：縛結(jié)分子：在晶區(qū)之間相連的分子。18目前對結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系的解釋：一些天然纖維（如絲、毛、棉）和再生纖維素纖維——用纓狀膠束或纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型；錦綸、滌綸等合纖——用折疊鏈結(jié)構(gòu)模型。

目前對結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系的解釋：19（三）結(jié)晶結(jié)構(gòu)的晶系與晶胞特征（一）晶系與晶胞特征晶格——在分子排列規(guī)整的結(jié)晶區(qū)中，質(zhì)點(diǎn)（原子、原子團(tuán)、基團(tuán)）通過整齊排列所形成的空間格子。晶胞（單胞）——構(gòu)成這些空間格子的最基本單元（最小重復(fù)單元）。晶胞參數(shù)——每一個(gè)單胞有六個(gè)基本參數(shù)，邊長a、b、c，沿邊長方向叫晶軸，晶軸間夾角α、β、γ

七個(gè)晶胞類型（七大晶系）（p.17表1-2）

纖維中的蠶絲和粘膠纖維均為單斜晶系（a≠b≠c，α＝β＝90°≠γ），滌綸纖維則為三斜晶系（a≠b≠c，α≠β≠γ）。微粒：在纖維中指原子、原子團(tuán)和基團(tuán)的中心。（三）結(jié)晶結(jié)構(gòu)的晶系與晶胞特征（一）晶系與晶胞特征微粒：在20（四）結(jié)晶結(jié)構(gòu)對纖維性能的影響

結(jié)晶度增大，長鏈分子間的斂集密度將隨之增大，纖維比重、斷裂強(qiáng)度、初始模量、尺寸穩(wěn)定性等都會(huì)有所提高，但染色性將有所下降。結(jié)晶度對于纖維回彈性和疲勞強(qiáng)度等的影響比較復(fù)雜，要根據(jù)長鏈分子間物理結(jié)點(diǎn)的形成量、分布以及鏈段活動(dòng)被限制程度等多方面的綜合分析才能確定。（四）結(jié)晶結(jié)構(gòu)對纖維性能的影響結(jié)晶度增大，長鏈分子間的斂集21二、纖維的非晶結(jié)構(gòu)

關(guān)于非晶區(qū)的結(jié)構(gòu)形式，有多種觀點(diǎn)：

1．無規(guī)線團(tuán)模型2．認(rèn)為纖維結(jié)構(gòu)中的無序區(qū)是由結(jié)晶區(qū)的缺陷所形成的，結(jié)晶區(qū)內(nèi)的分散性缺陷，是高聚物結(jié)構(gòu)的局部不規(guī)整。3．側(cè)序結(jié)構(gòu)二、纖維的非晶結(jié)構(gòu)關(guān)于非晶區(qū)的結(jié)構(gòu)形式，有多種觀點(diǎn)：22三、纖維的取向結(jié)構(gòu)

取向：纖維中大分子沿纖維軸方向取優(yōu)勢排列的趨向。取向度：纖維的大分子鏈節(jié)與纖維軸的平行程度。取向度高有利于提高纖維的結(jié)晶度，但結(jié)晶度高的纖維不一定同時(shí)也有較高的取向。

三、纖維的取向結(jié)構(gòu)取向：纖維中大分子沿纖維軸方向取優(yōu)勢排列23四、纖維的原纖結(jié)構(gòu)

（一）原纖的層次結(jié)構(gòu)纖維是由多重層次的原纖組成的，完整的原纖結(jié)構(gòu)應(yīng)有五個(gè)層次，但并不是所有的纖維都有這五個(gè)層次，它們是：

1．基原纖（proto-fibril或elementaryfibril）基原纖是線狀多晶體的一種別稱，也是原纖中最小的結(jié)構(gòu)單元。一般地說，它是由幾根以至十幾根長鏈分子，互相平行地，按一定距離、一定相位、比較穩(wěn)定地結(jié)合在一起組成的大分子束，直徑為1～3nm，具有一定的柔曲性。

四、纖維的原纖結(jié)構(gòu)（一）原纖的層次結(jié)構(gòu)242．微原纖（micro-fibril）由若干根基原纖平行排列組合在一起形成的大分子束。在微原纖內(nèi)，基原纖與基原纖之間已可存在縫隙和空洞，如果是天然纖維，其中還可能摻填一些其他成分的化合物。直徑大約是4～8nm。3．原纖（fibril）原纖是由若干根微原纖大致平行組合在一起形成的更為粗大的大分子束。原纖中存在著比微原纖中更大的縫隙和空洞，還有序態(tài)較差的非晶態(tài)部分。天然纖維中還可能夾雜一些其他成分的化合物。原纖的直徑通常為10～30nm。

2．微原纖（micro-fibril）254．巨原纖（macro-fibril）巨原纖是由多個(gè)原纖堆砌在一起組成的更大分子束。就一部分多細(xì)胞的天然纖維而言，它是組成該纖維的一個(gè)細(xì)胞，原纖之間的聯(lián)結(jié)主要靠穿越非晶區(qū)的大分子主鏈和一些其他的物質(zhì)。巨原纖的橫向尺寸一般為0.1～1.5μ。5．纖維（fibre）纖維是由巨原纖堆砌在一起組成的。巨原纖之間的聯(lián)結(jié)應(yīng)較為疏松，同時(shí)也必然包含更多更大的縫隙和空洞。

4．巨原纖（macro-fibril）26（二）典型纖維的原纖結(jié)構(gòu)

1．羊毛纖維在羊毛纖維大分子主鏈的平行排列區(qū)段上，會(huì)形成由2～3根大分子鏈捻合形成的基原纖，直徑約2nm。有時(shí)也會(huì)形成由7個(gè)大分子組成基原纖，然后這些基原纖再以中間2根周圍7根的方式組成一根微原纖，直徑約11nm。在纖維的結(jié)晶區(qū)內(nèi)，這些微原纖再以基本平行（略有螺旋）的方式組成原纖，直徑在30nm左右。然后這些結(jié)晶區(qū)中的原纖再平行排列組成巨原纖，纖維品種不同，巨原纖的粗細(xì)差別很大，在100～350nm之間。同時(shí)，從微原纖開始，羊毛纖維中即出現(xiàn)有空隙。

（二）典型纖維的原纖結(jié)構(gòu)1．羊毛纖維272．蠶絲纖維蠶絲纖維也有十分完善的原纖結(jié)構(gòu)，蠶絲各級原纖的直徑尺寸：p.111表5-2，蠶絲最初的基原纖也是