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1、第二章 纤维的结构特征,2,研究纤维结构的目的:,了解纤维结构与性能关系，正确选择和 使用纤维；通过各种途径改变纤维结构，有效地改 变纤维性能。,3,纤维通常是指长径比在103数量级以上、粗细为几微米到上百微米的柔软细长体，有连续长丝和短纤之分。纤维是由一种或多种大分子通过某种形式集聚堆砌而成的。纤维的结构是相当复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆砌和混杂所组成，并决定纤维的性质。,纤维结构：组成纤维的结构单元相互作用达到平衡时在空间的几何排列。形态结构（morphological structure）：表观形态（纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等）、表面结构、微细结构（原纤结构与排列
2、）。超分子结构（supermolecular structure）：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、取向度等；大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等；,一、纤维的形态结构微细结构(原纤结构),纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状的物质-原纤(fibril),微细结构：纤维内部的有序区(结晶或取向排列区)和无序区(无定形或非结晶区)的形态、尺寸和相互间的排列与组合，及细胞构成与结合方式。,纤维的原纤按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,微原纤的堆砌形式示意图,基原纤(proto-fibril)：一般由几根以至
3、十几根长链分子，互相平行或螺旋状地按一定距离、相位稳定地结合在一起的大分子束，直径为13nm(1030)，具有一定的柔曲性。,微原纤(micro-fibril)：由若干根基原纤平行排列组合在一起粗一点的，基本上属结晶态的大分子束，直径大约48nm(4080)，个别高达100nm。,原纤(fibril)：一统称，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，直径1030nm。可能存在有序态较差的非晶态部分。,巨原纤(macro-fibril)：由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。横向尺寸一般约为0.10.6m。普通光学显微镜可见。,细胞(cell)：由巨原纤或微
4、原纤直接堆砌而成的，有明显的细胞边界。,微原纤之间依靠相邻的分子结合力和穿越的大分子主链联结。,二、纤维的聚集态（state of aggregation）结构,纤维的聚集态结构指构成该纤维的大分子链之间的作用形式与堆砌方式。具体指纤维的结晶与非晶结构、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。,二、纤维的聚集态（state of aggregation）结构,1、结晶,（1）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。,结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。,晶区（crystalline zone）特点：,a.大分子链段排列规整；b.结构紧密，缝隙，孔洞较少；c.相
5、互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和。,结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率,重量结晶度：纤维内部结晶区的重量占纤维总重量的百分率。体积结晶度：纤维内部结晶区的体积占纤维总体积的百分率。,结晶度对纤维结构与性能的影响,结晶度纤维的拉伸强度、初始模量、硬度、尺寸稳定性、密度；纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性。结晶度纤维吸湿性，容易染色，拉伸强度降低，变形较大，纤维较柔软，耐冲击，弹性有所改善，密度较小，化学反应性比较活泼。,（2）非晶态：纤维大分子无规则聚集排列的状态。非晶区（无定形区，amorphous region）纤维大分子无规则聚集排列的区域。非晶区特点：a.大
6、分子链段排列混乱，无规律；b.结构松散，有较多的缝隙、孔洞；c.相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。直接影响着纤维的吸湿、染色、热定形、力学弹性及伸长等。,取向和无序排列的缨状微胞（fringed micelle）结构,“两相结构”模型：纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，一些大分子的长度可以远超过晶区或无定形区各自的长度足够把若干个晶区和无定形区串连起来形成网络结构。,缨状：无序区中分子排列的状态；微胞：分子有序排列的结构块,Hearle教授的缨状原纤结构模型,取向和非取向折叠链片晶（fringed lamellar crystal）结构模型,折叠链缨状微胞模型中大分子可以折叠在一个晶
7、区内也可以穿过无定形区进入另一晶区折叠。,两相结构其基本概念是纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，一些大分子的长度可以远超过晶区或无定形区各自的长度足够把若干个晶区和无定形区串连起来形成网络结构。粘胶纤维属于分散的晶相和连续的无定形相所组成的例子。棉及苎麻等则属于连续晶相和分散的无定形相的两相结构。两相结构的两种模型：缨状微胞模型中大分子可以穿过若干晶区和无定形区而折叠链缨状微胞模型中大分子可以折叠在一个晶区内也可以穿过无定形区进入另一晶区折叠。,2、取向度（orientation degree）（1）定义：大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度称作取向度。（2）取向度与纤维性能间的关系：取向度大大
8、分子可能承受的轴向拉力也大，拉伸强度较大，伸长较小，模量较高，光泽较好，各向异性明显。,三、纤维的分子结构（molecular structure）,大分子链原子的类型与排列,（一）、单基（链节，chain unit）,1、定义：构成纤维大分子的基本化学结构单元。A（A）nA”：,2、常用纺织纤维单基的化学组成,（二）聚合度n（degree of polymerization）1、定义：构成纤维大分子的单基的数目，或一个大分子中的单基重复的次数。2、常用纤维的n：棉、麻的聚合度高，成千上万；羊毛576；蚕丝400；粘胶300600；化学纤维聚合度不宜过高。一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有
9、一定的分布。3、聚合度与力学性质的关系n临界值，纤维开始具有强力；n，纤维强力；但增加的速率减小；n至一定程度，强力趋于不变。n的分布：n分布集中，分散度小，对纤维的强度、耐磨性、耐疲劳性、弹性都有好处。,（三）、纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性1、内旋性（internal rotation）：纤维大分子内的单基之间在键长键角保持不变条件下，相邻单基可绕单键旋转的特性。,分子的内旋转示意图,2、构象（conformation）：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象(或内旋转异构体),构象与构型的根本区别在于，构象通过单键内旋转可以改变，而构型无法通过内旋转改变。,纤维大分子的典
10、型构象示意图,蛋白质的两种二次结构（构象）,3.大分子构型 定义：指分子中链节内各原子和基团通过化学键固定的空间排列。要改变构型，必须经过化学键的断裂和重组。,聚丙烯纤维(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、和无规聚丙烯,3、柔曲性（1）定义：指纤维大分子在一定条件下，通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。（2）纤维大分子结构与柔曲性的关系：主链弹性好，柔曲性侧链较少，柔曲性主链四周侧基分布对称，柔曲性侧基间（大分子间）作用力较少，柔曲性温度，内旋转加剧，大分子链柔曲性（3）单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的根源；大分子柔曲性是判断高聚物弹性的主要条件之一。,（四）、链原子的类型与排列1、碳链大分子：大分子主链都是靠相同的碳原子以共价键形式相联接的。如乙纶、丙纶、腈纶可塑性比较好，容易成型加工。2、杂链大分子：大分子主链除碳原子以外，还有其他原子，如氮、氧等，即主链是由两种以上的原子所构成的。例如：粘胶、蚕丝、涤纶、锦纶3、元素有机大分子大分子主链上含有磷、硼、铝、硅、钛等元素，并在侧链上含有有机基团。如碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维等。,思考题,名词解释：原纤、两相结构、聚集态结构、结晶度、取向度、构型、构象简答题：介绍纤维的结晶度、取向度、聚合度与纤维性能的关系。,
