纤维结构.ppt

纤维结构纤维结构.研究纤维结构的目的研究纤维结构的目的了解结构与性能关系，以便我们正确选择和使用纤维，更好地掌握生产条件提通过各种途径改变纤维结构，有效地改变性能，设计并生产具有指定性能的纤维和纺织产品。.纤维结构定义纤维结构定义是指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。.v大分子结构：大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成化学组成、单基结构、端基组成 聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等等v聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、取向度、侧序分布等取向度、侧序分布等v（形态结构）：纵横向几何形态、径向结构、表（形态结构）：纵横向几何形态、径向结构、表面结构、孔洞结构等面结构、孔洞结构等纤维结构包括：纤维结构包括：.一、纤维的大分子结构一、纤维的大分子结构纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉纤维、金属纤维）等外，绝大多数都是维、金属纤维）等外，绝大多数都是高分子化合物（即高聚物）高分子化合物（即高聚物）,分子量很分子量很大。大。.1 1、单基（链节）、单基（链节）m定义：定义：构成纤维大分子的基本化学结构单元。构成纤维大分子的基本化学结构单元。AAA AA AA AA AA A或或 AA(A)(A)n nA A A A 单基；单基；AA、A A端基；端基；n n 聚合度；聚合度；.常用纤维的单基常用纤维的单基纤维素纤维：纤维素纤维：-葡萄糖剩基葡萄糖剩基蛋白质纤维：蛋白质纤维：-氨基酸剩基氨基酸剩基涤纶：对苯二甲酸乙二酯涤纶：对苯二甲酸乙二酯锦纶：己内酰胺锦纶：己内酰胺丙纶：丙烯丙纶：丙烯腈纶：丙烯腈腈纶：丙烯腈.单基的化学结构、官能团的种类决定了单基的化学结构、官能团的种类决定了纤维的耐酸、耐碱、耐光、吸湿、染色纤维的耐酸、耐碱、耐光、吸湿、染色性等，单基中极性官能团的数量、极性性等，单基中极性官能团的数量、极性强弱对纤维的性质影响很大。强弱对纤维的性质影响很大。.2.聚合度 n:定义：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。(n=int(M/m)注:大分子的分子量单基的分子量聚合度 n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿强度也低些，脆性明显些。.常用纤维的常用纤维的n n：棉麻的聚合度很高棉麻的聚合度很高 ，成千，成千上万；上万；羊毛羊毛 n n576576；蚕丝蚕丝 n n400400再生纤维素纤维再生纤维素纤维 300-600300-600涤纶涤纶 130130 晴纶晴纶 1000100015001500 维纶维纶 n n17001700 丙纶丙纶 n n310-430 310-430 一根纤维中各个大分子的一根纤维中各个大分子的n n不尽相同，具有不尽相同，具有一定的分布一定的分布 高聚物大分子的高聚物大分子的多分散性多分散性。.聚合度与力学性质的关系 强度 P聚合度 n no制造化纤时，要控制制造化纤时，要控制n n的大小的大小n n太小太小强度不好；强度不好；n n太大太大纺丝困难纺丝困难.3 3、纤维大分子链的支化、构型、纤维大分子链的支化、构型 纤维大分子的形状由于单基的键接方式纤维大分子的形状由于单基的键接方式的不同，可以分为三种构造形式：的不同，可以分为三种构造形式：线型线型linearlinear枝型枝型branchedbranched网型网型network(crosslinked)network(crosslinked).4、纤维大分子链的内旋性及柔曲性（1 1）纤维大分子链的内旋性、构象）纤维大分子链的内旋性、构象n大分子链中的单键能绕着它相邻的键按大分子链中的单键能绕着它相邻的键按一定键角旋转，称为键的内旋转。一定键角旋转，称为键的内旋转。n分子链由于围绕单键内旋转而产生的原分子链由于围绕单键内旋转而产生的原子在空间的不同排列形式称为构象。子在空间的不同排列形式称为构象。n纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。.（2 2）纤维大分子链的柔曲性）纤维大分子链的柔曲性 1)1)定义：指纤维大分子在一定条件下，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通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。易程度的特性。单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的根源。对于高聚物而言，其中的大分子根源。对于高聚物而言，其中的大分子链的内旋转除了受分子内原子或基团相链的内旋转除了受分子内原子或基团相互影响外分子间作用力也有很大影响。互影响外分子间作用力也有很大影响。.2)2)纤维大分子结构与柔曲性的关系纤维大分子结构与柔曲性的关系主链上原子链弹性好，链节易绕主轴旋转，主链上原子链弹性好，链节易绕主轴旋转，柔曲性柔曲性；侧链较少，链节易绕主轴旋转，侧链较少，链节易绕主轴旋转，柔曲性柔曲性主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋 转，转，柔曲性柔曲性；侧基间（大分子间）作用力较少，链节易绕侧基间（大分子间）作用力较少，链节易绕主轴旋转，主轴旋转，柔曲性柔曲性；温度温度，内旋转加剧，大分子链柔曲性，内旋转加剧，大分子链柔曲性。.柔顺性好的纤维，受外力易变形，伸长大，弹性较好，结构不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成结晶。单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的根源。对于高聚物而言，其中的大分子链的内旋转除了受分子内原子或基团相互影响外分子间作用力也有很大影响。.二、二、纺织纤维的聚集态结构纺织纤维的聚集态结构（一）、大分子间作用力（次价键力）（一）、大分子间作用力（次价键力）纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位 置，链的形状、大分子排列的密度及链的柔曲置，链的形状、大分子排列的密度及链的柔曲 性等有关。这种作用力使纤维中的大分子形成性等有关。这种作用力使纤维中的大分子形成 一种较稳定的相对位置，或较牢固的结合，使一种较稳定的相对位置，或较牢固的结合，使 纤维具有一定的物理机械性质。纤维具有一定的物理机械性质。.纤维大分子的次价键力包括范纤维大分子的次价键力包括范得华力、氢键、盐式键、化学得华力、氢键、盐式键、化学键、其产生的原因及特点如下键、其产生的原因及特点如下.名称名称产生原因产生原因特点特点范范得得华华力力定向力定向力产生于极性分子间，是由它们的永产生于极性分子间，是由它们的永久偶极矩作用而产生的久偶极矩作用而产生的作用能量作用能量3 35 5千卡千卡/克分克分子子 与温度有关与温度有关诱导力诱导力由相邻分子间的诱导电动势产生的，由相邻分子间的诱导电动势产生的，产生于极性分子与非极性分子之间产生于极性分子与非极性分子之间1.51.53 3千卡千卡/克分子克分子 与温度有关与温度有关色散力色散力由相邻原子上的电子云旋转引起瞬由相邻原子上的电子云旋转引起瞬时的偶极矩而产生的。产生一切非时的偶极矩而产生的。产生一切非极性分子中。极性分子中。0.20.22 2千卡千卡/克分子克分子 与温度无关与温度无关氢键氢键大分子侧基（或部分主链上）极性大分子侧基（或部分主链上）极性基团之间的静电吸引力（如基团之间的静电吸引力（如NHNH，COOHCOOH，OHOH，CONHCONH等）等）能量能量1.31.310.210.2千卡千卡/克克分子距离分子距离2.32.33.2A3.2A 与温度有关与温度有关盐式键盐式键在部分大分子侧基上，某些成对基在部分大分子侧基上，某些成对基团之间接近时，产生能级跃迁的原团之间接近时，产生能级跃迁的原子转移，从而基团间形成相互结合子转移，从而基团间形成相互结合的化学键的化学键是化学键中作用力较弱是化学键中作用力较弱的一种，能量的一种，能量30305050千千卡卡/克分子克分子化学键化学键少数纤维的大分子之间存在这桥式少数纤维的大分子之间存在这桥式侧基。侧基。化学键化学键主要包括共价键、离主要包括共价键、离子键和金属键子键和金属键能量能量5050200200千卡千卡/克分克分子子.四种结合力的能量大小：四种结合力的能量大小：化学键盐式键氢键范得华力化学键盐式键氢键范得华力四种结合力的作用距离：四种结合力的作用距离：化学键盐式键氢键范得华力化学键盐式键氢键范得华力.纤维大分子主要是通过范德华力和氢键聚集在一起。分子间力的大小取决于：1.单基化学组成（原子团多少、极性集 团数目、极性强弱）2.聚合度3.分子间距离.定义：具有一定构象的大分子链通过分子链间的作用力而相互排列、堆砌而成的结构。纤维的超分子结构是在天然纤维的生长过程或化学纤维的纺丝成形及后加工过程中形成的。（二）、超分子结构（聚集态结构）（二）、超分子结构（聚集态结构）.高聚物的基本性质取决于大分子结构，而实际高聚物材料或制品的使用性能则直接取决于在加工过程中形成的超分子结构（聚集态结构）。n聚集态结构具体所指纤维高聚物的结晶与非晶结构、取向与非取向结构。.三、典型合成纤维的结构三、典型合成纤维的结构1.常规合成纤维常规合成纤维(1)涤纶纤维(PET)涤纶纤维或聚酯纤维，其大分子链化学结构式为：单基由一个苯环、两个酯基和两个亚甲基(CH2)构成。（聚对苯二甲酸乙二酯）（聚对苯二甲酸乙二酯）.(2)锦纶纤维(PA)锦纶或聚酰胺纤维或尼龙主要特征是大分子链由酰胺键(CONH)连接，主要品种锦纶6和锦纶66，化学结构式如下：锦纶66锦纶6.特征基团：特征基团：有极性集团有极性集团-CONH-CONH-；-NH-NH2 2；-COOH-COOH；单基较长，无支链，属柔性基团单基较长，无支链，属柔性基团锦纶是柔曲大分子，空间呈平面锯齿形。锦纶是柔曲大分子，空间呈平面锯齿形。有范德华力、氢键力；结晶度比涤纶略低有范德华力、氢键力；结晶度比涤纶略低.锦纶性质锦纶性质（1 1）机械性质）机械性质强强度度高高，伸伸长长大大；弹弹性性好好，耐耐磨磨性性好好，织织物物的的保保形形性性和挺和挺 括性较差。括性较差。（2 2）吸湿染色性）吸湿染色性 W=4.5%W=4.5%，比涤纶好，比涤纶好（3 3）热学性质）热学性质 耐耐热热性性差差；安安全全使使用用温温度度：锦锦纶纶6 6低低于于93C93C，锦锦纶纶6666低于低于130C130C熔点：熔点：215C215C（锦纶（锦纶6 6），），250C250C（锦纶（锦纶6666）（4 4）耐光性差）耐光性差（5 5）耐碱不耐酸）耐碱不耐酸（6 6）密度较小：）密度较小：1.14 g/cm1.14 g/cm3 3 .(3)腈纶纤维(PAN)CH2 CH(CN)第一单体：丙烯腈（超过第一单体：丙烯腈（超过85%）第二单体：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、第二单体：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等改善纤维的脆性，增加弹性、醋酸乙烯酯等改善纤维的脆性，增加弹性、柔软性，同时还有利于染料分子进入。柔软性，同时还有利于染料分子进入。第三单体：引入一定量带有酸性或碱性亲第三单体：引入一定量带有酸性或碱性亲染料的基团改善纤维的染色性染料的基团改善纤维的染色性。.1.1.结构结构大分子结构空间螺旋形，使得分子不易靠拢无结晶区，只有高序区、低序区（准结晶结构）2.2.性质性质 强度较低，伸长较大；强度较低，伸长较大；初始模量：初始模量：E E锦纶锦纶EE腈纶腈纶EE涤纶涤纶；弹性：比棉、麻、粘胶好，但比羊毛、涤纶、锦纶差；弹性：比棉、麻、粘胶好，但比羊毛、涤纶、锦纶差；染色性较好；没有明显的熔点，不会产生熔孔现象；染色性较好；没有明显的熔点，不会产生熔孔现象；含有氰基，耐光性特别好；含有氰基，耐光性特别好；耐酸也耐碱；耐酸也耐碱；密度较小：密度较小：1.17g/cm1.17g/cm3 3.晴纶纤维纵、横截面晴纶纤维纵、横截面.(4)丙纶纤维(PP)CH2 CH(CH3)采用等规共聚，全同结构，呈螺旋形，无极性基团，几乎不吸湿分子间不存在强的化学结合力。等规聚丙烯分子量相当高，具有较高的立体规整性，易结晶。结晶度高，发脆易老化，碳氢键能量小，不耐日晒.机机械械性性质质：强强度度较较高高，伸伸长长率率较较大大，初初始模量不高，始模量不高，弹性很好，耐磨性好。弹性很好，耐磨性好。吸湿染色性：吸湿性、染色性很差吸湿染色性：吸湿性、染色性很差热学性质：熔点低，耐湿热不耐干热热学性质：熔点低，耐湿热不耐干热 耐光性特别差，易老化耐光性特别差，易老化 化化学学稳稳定定性性很很好好，耐耐酸酸、耐耐碱碱、耐耐其其他他化学试剂化学试剂 密度最轻：密度最轻：0.91g/cm0.91g/cm3 3 丙纶纤维性质丙纶纤维性质 .1.1.结构：结构：皮芯层结构，皮芯层结构，截面形状：截面形状：浓度浓度30%30%，哑铃状；，哑铃状；浓度浓度40%40%，圆形；，圆形；大分子主链呈平面锯齿形。大分子主链呈平面锯齿形。（5 5）维纶（聚乙烯醇缩甲醛纤维）维纶（聚乙烯醇缩甲醛纤维）.维纶维纶性质性质机机械械性性质质：强强度度较较高高，伸伸长长率率不不大大，初初始始模模量量比比涤纶低，涤纶低，弹性较差，耐磨性较好。弹性较差，耐磨性较好。吸吸湿湿染染色色性性：W=5.0%,W=5.0%,在在合合纤纤中中，吸吸湿湿性性居居于于首首位位;染色性不好，色泽不鲜艳染色性不好，色泽不鲜艳 。热学性质：耐干热稳定性较好，耐热水性较差。热学性质：耐干热稳定性较好，耐热水性较差。耐碱不耐强酸；耐碱不耐强酸；耐光性、耐腐蚀性较好；耐光性、耐腐蚀性较好；热传导系数低，保暖性较好；热传导系数低，保暖性较好；.(6)(6)氨纶（聚氨基甲酸酯）氨纶（聚氨基甲酸酯）结构结构 嵌段共聚物由具有柔性的不结晶的低分子软链段（如嵌段共聚物由具有柔性的不结晶的低分子软链段（如聚酯或聚醚链段）和具有刚性的结晶的硬链段（如二聚酯或聚醚链段）和具有刚性的结晶的硬链段（如二异氰酸酯）共聚而成。异氰酸酯）共聚而成。性质性质 机机械械性性质质：强强度度较较低低，伸伸长长率率大大（450-800%450-800%），初初始始模量低，弹性特别好模量低，弹性特别好吸湿性较差吸湿性较差 W=0.8-1%W=0.8-1%热学性质：在日光照射下稍微发黄，且强度稍有下降热学性质：在日光照射下稍微发黄，且强度稍有下降 耐酸碱性较好、耐光性好耐酸碱性较好、耐光性好密度小：密度小：1.0-1.3g/cm1.0-1.3g/cm3 3氨纶纤维一般不单独使用，而是与其它纤维混合使用。氨纶纤维一般不单独使用，而是与其它纤维混合使用。.纤维结构测试分析方法纤维结构测试分析方法质谱分析质谱分析 通过对纤维样品的气相离子的质量电荷比，对纤维的通过对纤维样品的气相离子的质量电荷比，对纤维的组成和链结构进行定量化的表征组成和链结构进行定量化的表征 红外吸收光谱红外吸收光谱可对高聚物或混合物的极性基团及其含量的吸收带强可对高聚物或混合物的极性基团及其含量的吸收带强度进行识别和定量分析度进行识别和定量分析 紫外与可见光谱紫外与可见光谱 可测定在可测定在1010400400nmnm紫外吸收光谱范围及紫外吸收光谱范围及400400800800nmnm可可见光范围具有不饱和链及不对称电子的分子。见光范围具有不饱和链及不对称电子的分子。核磁共振光谱核磁共振光谱可测定在外部磁场作用下，分子内部发生化学位移的可测定在外部磁场作用下，分子内部发生化学位移的核群及吸收带，以及相邻核的信息，计算出各吸收强核群及吸收带，以及相邻核的信息，计算出各吸收强度与各核群的比例。可用于大分子的构型及构象和分度与各核群的比例。可用于大分子的构型及构象和分子量的分析。子量的分析。（1）纤维）纤维化学化学结构的测量结构的测量.纤维结构测试分析方法纤维结构测试分析方法（2）纤维）纤维聚集态聚集态结构的测量结构的测量结晶结构及非晶结构结晶结构及非晶结构 纤维是结晶与非晶结构共存的材料。主要指标有结晶纤维是结晶与非晶结构共存的材料。主要指标有结晶度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区分布及非晶区度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区分布及非晶区结构等。结构等。测量方法常采用密度法、测量方法常采用密度法、X X射线衍射法、热分析法、红射线衍射法、热分析法、红外光谱法、电子显微镜法等。外光谱法、电子显微镜法等。取向结构取向结构 纤维取向度的测量可有显微镜观察法、纤维取向度的测量可有显微镜观察法、X X射线或电子衍射线或电子衍射法、红外二色性法、光学偏振法、声速模量法、染射法、红外二色性法、光学偏振法、声速模量法、染色二色性法、导热系数法、介电系数法等色二色性法、导热系数法、介电系数法等 .