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第二章 纤维的结构特征

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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102~105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 triclinic
a≠b≠c；α≠β≠γ
单斜 monoclinic
a≠b≠c；α=γ=90o≠β
正交 orthorhombic
a≠b≠c；α=β=γ=90o
四方 tetragonal
a=b≠c；α=β=γ=90o
三方 trigonal
a=b=c；α=β=γ≠90o<120 o
六方 hexagonal
a=b≠c；α=β=90o；γ=120o
立方 cubic
a=b=c；α=β=γ=90o

2. 取向结构
纤维的取向结构可用显微观察的方法，或进行各结构单元间的染色增强的制样方法来观察，纤维的取向结构最为重要的表达指标是取向度或称取向因子f。

纤维取向度的测量可有X射线或电子衍射法、红外二色性法、光学偏振法、声速模量法、染色二色性法、导热系数法、介电系数法等。

四、纤维形态结构特征的测量
1. 一般观察及测量
纤维的形态结构均是微米级及其以下，显微观察是必须的。对>0.2μm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