纤维的结构特征.doc

第二章 纤维的结构特征5纤维的结构是复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆砌和混杂所组成的，并决定纤维的性质。第一节 纤维基本结构的构成尽管纤维结构复杂，但人们对其认识一般分为三个方面，最为直观的纤维形态结构、较为间接的纤维聚集态结构和更为微观的纤维分子结构。一、纤维的形态结构1. 基本内容纤维的形态结构，是指纤维在光学显微镜或电子显微镜，乃至原子力显微镜(AFM)下能被直接观察到的结构。纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在于纤维中的各种裂隙与空洞等。2. 纤维的原纤结构(1)原纤结构特征纤维中的原纤(fibril)是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构。原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。纤维的原纤按其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。(2) 各层次原纤的特征基原纤(proto-fibril或elementary fibril)是原纤中最小、最基本的结构单元，亦称晶须，无缺陷。微原纤(micro-fibril)是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，亦称微晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。图2-1 微原纤的堆砌形式示意图原纤(fibril)是一个统称，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。巨原纤(macro-fibril)是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。细胞(cell)是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。二、纤维的聚集态结构 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、以及通过某些分子间共混方法形成的“织态结构”等。1. 纤维的结晶结构将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，形成有较大内聚能和密度并有明显转变温度的稳定点阵结构，称为结晶结构。对于纤维聚集态的形式，上世纪40年代出现了“两相结构”的模型。图2-2 取向和无序排列的缨状微胞结构Hearle教授提出的缨状原纤结构模型(图2-3)对此作了很好的解释，并与纤维的原纤结构形成很好的对应。图2-3 缨状原纤结构 图2-4 折叠链片晶2. 纤维的非晶结构纤维大分子高聚物呈不规则聚集排列的区域称为非晶区，或无定形区。 图2-5 取向和非取向折叠链片晶结构模型3. 纤维的取向结构不管天然纤维还是化学纤维，其大分子的排列都会或多或少地与纤维轴相一致，这种大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度称作取向度。纤维的取向结构使纤维许多性能产生各向异性。三、纤维的分子结构1. 大分子结构的基本概念纺织纤维的分子一般都是线形长链分子，量很大，由n个(n约为102105数量级)重复结构单元(称链节或单基)相互连接而成的，分子量很大，故多大分子或高分子。若纤维大分子的分子量为M，单基的分子量为m，则聚合度(重复结构单元数n)为： (2-1)通常将大分子结构分为分子内(分子链)结构和分子间(超分子)结构两部分。分子链结构是指单个分子的结构，也是大分子的化学结构，简称链结构或化学结构。链结构又分为讨论链节(单基)组成及结构的近程结构和讨论分子链空间形态的远程结构。图2-6 分子的内旋转示意图图2-7 纤维大分子的典型构象示意图分子间的结构属三级结构或称三次结构，就是前面所提的聚集态结构。若干大分子聚集体或不同组份大分子聚集体的相互共混、复合，组合体是更高层次的结构体，属高次结构，或称织态结构。第二节 纤维的结构特征与测量一、纺织纤维结构的一般要求纤维必须具有一定的长度和细度、有较高的长径比、具备形成一维材料的基本条件；从聚集态结构的角度看，要求分子排列有一定的结晶和取向，使分子间和轴向作用力增强，从而使纤维具备必要的强度和形态稳定性，但又必须有一定的无定形区，以使纤维具有可及性和可加工性；从大分子组成和结构上说，分子量要较高，且分子量分布应比较窄，支链较短，侧基要小，以得到粘度适当的熔体及溶液和浓度足够高的溶液。 二、纤维化学结构的测量1. 化学结构的测量（1）质谱(mass spectrometry)分析。（2）红外吸收光谱 （3）紫外与可见光谱 （4）核磁共振光谱 2. 分子量及其分布的测量(1) 数均分子量(2) 重均分子量(3) Z均分子量(4) 粘均分子量 (2-7)三、纤维聚集态结构的测量1. 结晶结构及非晶结构 纤维是结晶与非晶结构共存的材料。测量方法常采用密度法、X射线衍射法、热分析法、红外光谱法、电子显微镜法等测量，其结晶度的大小、晶区的分布、结晶形态等。主要指标有结晶度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区分布及非晶区结构等。表2-1 不同晶系及晶格参数表晶系晶格轴长及夹角关系三斜 triclinicabc；单斜 monoclinicabc；=90o正交 orthorhombicabc；=90o四方 tetragonala=bc；=90o三方 trigonala=b=c；=90o0.2m以上的微细及外观形态结构，一般采用光学显微镜的方法。图2-8 SEM和TEM试样制备与观察流程示意图2. 所需结构信息特征化的制样