1、第二章 纖維的結(jié)構(gòu)特征,第一節(jié) 纖維基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成,一、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu) 1. 基本內(nèi)容 是指纖維在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡，乃至原子力顯微鏡(AFM)下能被直接觀察到的結(jié)構(gòu)。諸如纖維的外觀形貌、表面結(jié)構(gòu)、斷面結(jié)構(gòu)、細(xì)胞構(gòu)成和多重原纖結(jié)構(gòu)，以及存在于纖維中的各種裂隙與空洞等 表觀形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和微細(xì)結(jié)構(gòu),表觀形態(tài)，主要討論纖維外觀的宏觀形狀與尺寸，包括纖維的長(zhǎng)度、粗細(xì)、截面形狀和卷曲或轉(zhuǎn)曲等，這在第三章中介紹。 表面結(jié)構(gòu)，主要涉及纖維表面的形態(tài)及表層的構(gòu)造，是微觀形態(tài)與尺度的問題，這在第六章纖維的表面性質(zhì)中表述。 微細(xì)結(jié)構(gòu)，是指纖維內(nèi)部的有序區(qū)(結(jié)晶或取向排列區(qū))和無(wú)序區(qū)(無(wú)定形或非結(jié)晶區(qū))的形態(tài)

2、、尺寸和相互間的排列與組合，以及細(xì)胞構(gòu)成與結(jié)合方式。,2. 纖維的原纖結(jié)構(gòu) 定義：纖維中的原纖(fibril)是大分子有序排列的結(jié)構(gòu)，或稱結(jié)晶結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格意義上是帶有缺陷并為多層次堆砌的結(jié)構(gòu) 基原纖微原纖原纖巨原纖細(xì)胞,各層次原纖的特征 基原纖(proto-fibril或elementary fibril)是原纖中最小、最基本的結(jié)構(gòu)單元，亦稱晶須，無(wú)缺陷。 微原纖(micro-fibril)是由若干根基原纖平行排列組合在一起的大分子束，亦稱微晶須，帶有在分子頭端不連續(xù)的結(jié)晶缺陷，是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 原纖(fibril)是一個(gè)統(tǒng)稱，有時(shí)可代表由若干基原纖或含若干根微原纖，大致平行組合在一起的更為粗大的大

3、分子束。,圖2-1 微原纖的堆砌形式示意圖,巨原纖(macro-fibril)是由多個(gè)微原纖或原纖堆砌而成的結(jié)構(gòu)體。 細(xì)胞(cell)是由巨原纖或微原纖直接堆砌而成的，并有明顯的細(xì)胞邊界。,定義：指構(gòu)成該纖維的大分子鏈之間的作用形式與堆砌方式，又稱為超分子結(jié)構(gòu)或分子間結(jié)構(gòu)。 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)： 大分子間作用力（次價(jià)鍵力）,二、纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),纖維大分子的次價(jià)鍵力包括范得華力、氫鍵、鹽式鍵、化學(xué)鍵、其產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)如下,四種結(jié)合力的能量大?。?化學(xué)鍵鹽式鍵氫鍵范得華力 四種結(jié)合力的作用距離： 化學(xué)鍵鹽式鍵氫鍵范得華力,總結(jié)： 纖維大分子鏈間的作用力,范德華力 存在于一切分子之間的一種吸引力。

4、 包括定向力、誘導(dǎo)力、色散力。 作用范圍小于1納米，作用能比化學(xué)鍵小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。,氫鍵 極性很強(qiáng)的X-H鍵上的氫原子，與另一個(gè)鍵上電負(fù)性很大的原子Y上的孤對(duì)電子相互吸引而形成的一種鍵（XHY)。 發(fā)生在分子極性基團(tuán)之間的作用力。 鍵能與范德華力的數(shù)量級(jí)相同,紡織纖維中常見的氫鍵： OHO NH O NH N CH N,鹽式鍵 存在于部分纖維大分子間。 如羊毛、蠶絲大分子側(cè)基上的羧基（COOH）和氨基（NH 2 ）可形成鹽式鍵 COO + H 3 N 鹽式鍵鍵能大于氫鍵，小于化學(xué)鍵,化學(xué)鍵 網(wǎng)狀構(gòu)造的大分子可由化學(xué)鍵構(gòu)成交聯(lián)。 部分纖維，如羊毛和蠶絲的橋式側(cè)基中存在二硫鍵和（SS）酯鍵（CO

5、）,O,纖維大分子主要是通過范德華力和氫鍵聚集在一起。 分子間力的大小取決于： 1.單基化學(xué)組成（原子團(tuán)多少、極性集 團(tuán)數(shù)目、極性強(qiáng)弱） 2.聚合度 3.分子間距離,1. 纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu) 將纖維大分子以三維有序方式排列，形成穩(wěn)定點(diǎn)陣，形成有較大內(nèi)聚能和密度并有明顯轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)定點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 將具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱作結(jié)晶區(qū) 對(duì)纖維甚至原纖來說，很少存在完善的結(jié)晶區(qū)，往往是結(jié)晶與非晶區(qū)的混合體，以及與某些結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)或其他摻雜成份組合的結(jié)構(gòu),聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)展的過程,纓狀微胞模型 纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型 折疊鏈片晶結(jié)構(gòu),圖2-2 取向和無(wú)序排列的纓狀微胞結(jié)構(gòu),圖2-3 纓狀原纖結(jié)構(gòu) 圖2-4 折疊

6、鏈片晶,這種模型稱為纓狀微胞模型。纓狀是指無(wú)序區(qū)中分子排列的狀態(tài)；微胞是指分子有序排的結(jié)構(gòu)塊。對(duì)從晶區(qū)到非晶區(qū)是否存在逐步轉(zhuǎn)化的過渡區(qū)，尚有不同解釋。,圖2-2 取向和無(wú)序排列的纓狀微胞結(jié)構(gòu),Hearle教授提出的纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型對(duì)此作了很好的解釋，并與纖維的原纖結(jié)構(gòu)形成很好的對(duì)應(yīng)。,圖2-3 纓狀原纖結(jié)構(gòu),圖2-4 折疊鏈片晶,Kellel等人于1957年用透射電鏡觀察得到聚乙烯高分子單晶薄片的厚度約為12nm，其厚度與分子量無(wú)關(guān)，并測(cè)得分子鏈垂直于晶片平面，見圖2-4。依此提出了著名的折疊鏈片晶結(jié)構(gòu)假說，并認(rèn)為，線形高分子鏈長(zhǎng)可達(dá)幾百到幾千納米，具有很大的表面能，極易在一定條件下自發(fā)地折疊

7、，而形成片狀晶體(片晶)。,圖2-5 取向和非取向折疊鏈片晶結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)片晶理論及事實(shí)，人們認(rèn)為片晶就如同纓狀微胞結(jié)構(gòu)中的微胞；伸出的分子就像纓狀分子，再進(jìn)入其它片晶的為“縛結(jié)分子”，是纖維產(chǎn)生強(qiáng)度的主機(jī)制，如圖2-5所示。該結(jié)果已在化學(xué)纖維中得到證實(shí)，并被稱為纓狀，折疊鏈片晶模型也是典型的兩相結(jié)構(gòu)模型。,2、纖維的非晶結(jié)構(gòu) 纖維大分子高聚物呈不規(guī)則聚集排列的區(qū)域稱為非晶區(qū)，或無(wú)定形區(qū)。,晶區(qū)特點(diǎn),1)大分子鏈段排列規(guī)整 2)結(jié)構(gòu)緊密，縫隙，孔洞較少 3)相互間結(jié)合力強(qiáng)，互相接近的基團(tuán)結(jié)合力飽和 結(jié)晶度 纖維的拉伸強(qiáng)度、初始模量、 硬度、尺寸穩(wěn)定性、密度，纖維的吸濕性、染料吸著性、潤(rùn)脹性、柔

8、軟性、化學(xué)活潑性。,非晶區(qū)特點(diǎn)：,1)大分子鏈段排列混亂，無(wú)規(guī)律；2)結(jié)構(gòu)松散，有較多的縫隙，孔洞；3)相互間結(jié)合力小，互相接近的基團(tuán)結(jié)合力沒 飽和。 結(jié)晶度纖維吸濕性；容易染色；拉伸強(qiáng)度較小，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊性，彈性有所改善，密度較小，化學(xué)反應(yīng)性比較活潑 。,3. 纖維的取向結(jié)構(gòu) 大分子排列方向與纖維軸向吻合的程度稱作取向度 力學(xué)性能，強(qiáng)度、模量在纖維軸向上提高，而伸長(zhǎng)性降低 光澤較好，各向異性明顯,單基（鏈節(jié)） 定義： 構(gòu)成纖維大分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)單元。 AAAAAA或 A(A)nA A 單基； A、A端基； n 聚合度；,三、纖維的分子結(jié)構(gòu),常用紡織纖維單基的化學(xué)組成：,二.

9、聚合度,1)定義： 構(gòu)成纖維大分子的單基的數(shù)目，或一個(gè) 大分子中的單基重復(fù)的次數(shù)（n）。 大分子的分子量單基的分子量聚合度,常用纖維的n：,棉麻的聚合度很高 ，成千上萬(wàn)； 羊毛 n576； 蠶絲 n400 再生纖維素纖維 300-600 滌綸 130 晴綸 10001500 維綸 n1700 丙綸 n310-430 一根纖維中各個(gè)大分子的n不盡相同，具有 一定的分布 高聚物大分子的多分散性。,三、纖維大分子鏈的支化、構(gòu)型,纖維大分子的形狀由于單基的鍵接方式的不同，可以分為三種構(gòu)造形式： 線型linear 枝型branched 網(wǎng)型network(crosslinked),四、纖維大分子鏈的內(nèi)旋

10、性、構(gòu)象,大分子鏈中的單鍵能繞著它相鄰的鍵按一定鍵角旋轉(zhuǎn)，稱為鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 分子鏈由于圍繞單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的原子在空間的不同排列形式稱為構(gòu)象。 紡織纖維大分子一般都呈卷曲著的構(gòu)象。,第二節(jié) 纖維的結(jié)構(gòu)特征與測(cè)量,一、紡織纖維結(jié)構(gòu)的一般特征 二、纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的測(cè)量 1. 化學(xué)結(jié)構(gòu)的測(cè)量 2. 分子量及其分布的測(cè)量 三、纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)量 1. 結(jié)晶結(jié)構(gòu)及非晶結(jié)構(gòu) 2. 取向結(jié)構(gòu),一、紡織纖維結(jié)構(gòu)的一般特征,從形態(tài)上： 要求纖維必須具有一定的長(zhǎng)度和細(xì)度、有較高的長(zhǎng)徑比、具備形成一維材料的基本條件； 從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)： 要求分子排列有一定的結(jié)晶和取向，使分子間和軸向作用力增強(qiáng)，從而使纖維具備必要的強(qiáng)度

11、和形態(tài)穩(wěn)定性，但又必須有一定的無(wú)定形區(qū)，以使纖維具有可及性和可加工性； 從大分子組成和結(jié)構(gòu)： 分子量要較高，且分子量分布應(yīng)比較窄，支鏈較短，側(cè)基要小，以得到粘度適當(dāng)?shù)娜垠w及溶液和濃度足夠高的溶液。,二、纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的測(cè)量,1. 化學(xué)結(jié)構(gòu)的測(cè)量 確定分子結(jié)構(gòu)式、特征基團(tuán)及其含量和位置。 質(zhì)譜分析 紅外吸收光譜 紫外可見光譜 核磁共振光譜,2、分子量及其分布的測(cè)量 數(shù)均 和粘均的分子量： 端基法 粘度法 重均 和Z均分子量: 凝膠滲透色譜法GPC(gel permeation chromatography) 光散射法,三、纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)量,1. 結(jié)晶結(jié)構(gòu)及非晶結(jié)構(gòu) 方法常采用密度法、X射線衍射

12、法、熱分析法、紅外光譜法、電子顯微鏡法等測(cè)量 結(jié)晶度是指纖維中結(jié)晶部分占纖維整體的比率，不涉及晶體的形式及分布。 體積結(jié)晶度和質(zhì)量結(jié)晶度 體積結(jié)晶度XV和質(zhì)量結(jié)晶度XW,2. 取向結(jié)構(gòu) 纖維的取向結(jié)構(gòu)最為重要的表達(dá)指標(biāo)是取向度 指大分子或鏈段等各種不同結(jié)構(gòu)單元包括微晶體沿纖維軸規(guī)則排列程度。,四、纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的測(cè)量,1. 一般觀察及測(cè)量,圖2-8 SEM和TEM試樣制備與觀察流程示意圖,第三節(jié) 典型纖維的結(jié)構(gòu)與特征,一、典型天然纖維的結(jié)構(gòu)與特征 1. 棉纖維的結(jié)構(gòu)與特征 棉纖維和麻纖維的主要成分是纖維素,纖維素大分子的基本鏈結(jié)是-葡萄糖?；?，由相鄰2個(gè)葡萄糖剩基反向?qū)ΨQ、一正一反連接而成，

13、它的空間結(jié)構(gòu)屬于椅式結(jié)構(gòu)。其分子式為(C6H10O5)，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：,棉纖維大分子的聚合度為600015000 氧六環(huán)結(jié)構(gòu)是固定的，但六環(huán)之間夾角可以改變，所以分子在無(wú)外力作用的非晶區(qū)中，可呈自由彎曲狀態(tài) 棉纖維大分子取向度較高，主要是次生層原纖排列的螺旋角在(2030)的影響，故纖維強(qiáng)度較麻纖維低，但伸長(zhǎng)較大,圖2-9 棉纖維原纖中(纖維素I)的晶胞結(jié)構(gòu),棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu) 最外層是表皮和初生層 中心是癟了的中腔 纖維的主要構(gòu)成是沉積生長(zhǎng)增厚的次生層(S層),圖2-10 棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)模型,（1）表皮層 是初生層外的一層薄薄的外皮，由蠟質(zhì)與果膠組成。 （2）初生層 在表皮的內(nèi)層，是纖維的初

14、生胞壁。一般認(rèn)為初生胞壁由原纖呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成。初生層很薄，纖維素含量不多。,（3）次生層 次生胞壁占棉纖維的絕大部分。它在棉纖維生長(zhǎng)期間由外向內(nèi)逐漸分層沉淀，形成日輪。次生胞壁也分為三層：外層S1，中層S2，內(nèi)層S3。,（3）中腔 棉纖維的中空部分，其內(nèi)留有少數(shù)原生質(zhì)和細(xì)胞核殘余，它對(duì)棉纖維顏色有影響。,總結(jié)：纖維素纖維（棉、麻、粘膠）,一、結(jié)構(gòu) 1.大分子結(jié)構(gòu) （1）化學(xué)組成 纖維素 （C、H、O組成） 伴生物-棉：蠟質(zhì)、糖份、果膠、灰分，占5%左右 麻：比棉含量要高（各種麻不同） 粘膠：無(wú),（2）單基 特征基團(tuán)：氧六環(huán)；6個(gè)-OH；氧橋-O- 單基連接方式：1-4甙鍵連接，在空間轉(zhuǎn)180,

15、因?yàn)榇蠓肿觾?nèi)有氫鍵。 （3）空間形態(tài)：椅式結(jié)構(gòu),2. 超分子結(jié)構(gòu) 大分子間作用力：強(qiáng)大的氫鍵力，還有范 德華力。 結(jié)晶度：棉-60-70%左右；麻70%； 粘 膠-30-40% 取向度：棉-20-30；麻-7-8； 粘膠-看抽伸倍數(shù)，可人為控制，普通粘纖 30左右。 縫隙空洞：棉-較小；粘纖-較大,3. 形態(tài)結(jié)構(gòu) 棉 ：腰圓形，有中腔，扁平帶狀，有天然轉(zhuǎn)曲。 苧麻：腰圓形，有中腔裂縫。 粘膠：縱向有構(gòu)槽，截面呈鋸齒形，有皮芯層。,4. 絲光棉 絲光通常是指棉織品（紗、布）在緊張狀態(tài)下經(jīng)濃堿液(NaOH或液氨)處理，以獲得持久的光澤，并提高對(duì)染料吸附能力的加工過程。 結(jié)構(gòu)變化：天然轉(zhuǎn)曲消失成為棒

16、狀； 無(wú)定形區(qū)有所增加，結(jié)晶區(qū)有所下降； 取向度視張力變化而定。 性能變化：光澤、染色性改善；強(qiáng)力增 大，延伸度下降；化學(xué)性能活潑。,一. 結(jié)構(gòu) 1. 大分子結(jié)構(gòu) （1）化學(xué)組成 羊毛：蛋白質(zhì)角朊；C、H、O、N、S元素組成。 絲 ：蛋白質(zhì)絲素（70-80%），少量絲膠（20-30%）；C、H、O、N元素組成。 柞蠶絲：絲素85%,天然蛋白質(zhì)纖維,（2）單基 R側(cè)基羊毛：多、復(fù)雜，約25種氨基酸； 蠶絲：少、簡(jiǎn)單，約18種氨基酸。,（3）空間形態(tài)： 羊毛的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是型，型加外力變?yōu)樾?，型去外力變?yōu)樾?；蠶絲的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是型。,2. 超分子結(jié)構(gòu) 分子間力 羊毛：范德華力、鹽式鍵、氫鍵、硫鍵力； 蠶絲

17、：范德華力、鹽式鍵、氫鍵 結(jié)晶、取向 羊毛的結(jié)晶度、取向度低，而蠶絲的較大。,3. 形態(tài)結(jié)構(gòu)： 羊毛鱗片層、皮質(zhì)層、髓質(zhì)層,1)鱗片層： 作用如下： 保護(hù)纖維，使羊毛內(nèi)層組織不受外界的生物、 化學(xué)、機(jī)械等作用； 由于鱗片具有方向性，形成差微摩擦效應(yīng)。 鱗片形狀： 環(huán)狀、瓦狀、龜裂狀,2)皮質(zhì)層：羊毛纖維的主體，占90%左右。 皮質(zhì)細(xì)胞：正皮質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松； 偏皮質(zhì)（副皮質(zhì)）結(jié)構(gòu)緊密； 雙邊結(jié)構(gòu)：細(xì)羊毛的正副皮質(zhì)細(xì)胞（結(jié)構(gòu)與性能不同）分布于纖維的兩側(cè)，并在長(zhǎng)度方向上不斷轉(zhuǎn)換位置，正皮質(zhì)一般在纖維卷曲處的外側(cè)，而副皮質(zhì)處于卷曲的內(nèi)側(cè)，使羊毛具有天然卷曲。這種結(jié)構(gòu)成之。,3)髓質(zhì)層 存在于粗羊毛中；羊毛

18、越粗，中腔髓質(zhì)層的比例越大，羊毛品質(zhì)越低。,蠶絲：絲素外包有絲膠； 縱向平滑，截面為不規(guī)則三角形。,縮絨性 羊毛在濕熱及化學(xué)試劑作用下，經(jīng)機(jī)械外力反復(fù)擠壓，纖維集合體逐漸收縮緊密，并相互穿插，糾纏，交編氈化。這一性能稱之。 利：縮絨使毛織物有獨(dú)特的風(fēng)格； 弊：縮絨使毛織物的尺寸穩(wěn)定性變差（洗滌后易收縮，變形）影響穿著的舒適性與美觀（起毛起球）,合成纖維結(jié)構(gòu),一、滌綸（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯） 1結(jié)構(gòu) 大分子結(jié)構(gòu)：,特征基團(tuán)：苯環(huán)具有剛性和惰性； 酯基-COO- 弱極性基團(tuán)； 脂肪基柔性基團(tuán)。 大分子無(wú)卷曲，基本上帶曲折狀的直鏈； 超分子結(jié)構(gòu)： 大分子間主要是靠范德華力；結(jié)晶度較大，取向度也較高。,

19、2性質(zhì) （1）機(jī)械性質(zhì) 斷裂強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率大；初始模量高；彈性回復(fù)性好； 織物挺括，耐磨性較好，尺寸穩(wěn)定性較好。 （2）吸濕染色差 W=0.4%；不能采用常溫染色。 易起靜電，耐污性差,（3）熱學(xué)性質(zhì) 熔點(diǎn)高 255-265C；耐熱性和熱穩(wěn)定性好 （4）光學(xué)性質(zhì) 耐光性好，僅次于腈綸 （5）耐酸不耐強(qiáng)堿，不霉不蛀 （6）密度： 1.38 g/cm3,二、錦綸 1、結(jié)構(gòu) 分子式： H NH（CH2）5CO n OH 錦綸6 H NH（CH2）6NHCO（CH2）4 CO n OH 錦綸66 特征基團(tuán)：有極性集團(tuán)-CONH-；-NH2；-COOH； 單基較長(zhǎng)，無(wú)支鏈，屬柔性基團(tuán) 錦綸是柔曲大分子，空間呈平面鋸齒形。 有范德華力、氫鍵力；結(jié)晶度比滌綸略低,2、性質(zhì) （1）機(jī)械性質(zhì) 斷裂強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)大； 初始模量較低，斷裂功大； 彈性好，耐磨性好，織物的保形性和挺 括性較差。 （2）吸濕染色性 W=4.5%，比滌綸好,（3）熱學(xué)性質(zhì) 耐熱性差； 安全使用溫度：低于93C（錦綸6），低于130C（錦綸66）； 熔點(diǎn)：215C（錦綸6），250C（錦綸66