纖維結(jié)構(gòu)（課堂PPT）

纖維結(jié)構(gòu)1研究纖維結(jié)構(gòu)的目的纖維結(jié)構(gòu)的概念研究纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試分析方法2研究纖維結(jié)構(gòu)的目的了解結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，以便我們正確選擇和使用纖維，更好地掌握生產(chǎn)條件提通過(guò)各種途徑改變纖維結(jié)構(gòu)，有效地改變性能，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)具有指定性能的纖維和紡織產(chǎn)品。3

纖維結(jié)構(gòu)定義是指組成纖維的結(jié)構(gòu)單元相互作用達(dá)到平衡時(shí)在空間的幾何排列。4※大分子結(jié)構(gòu)：化學(xué)組成、單基結(jié)構(gòu)、端基組成聚合度及其分布、大分子構(gòu)象、大分子鏈柔曲性等聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：晶態(tài)、非晶態(tài)、結(jié)晶度、晶粒大小、取向度、側(cè)序分布等（形態(tài)結(jié)構(gòu)）：縱橫向幾何形態(tài)、徑向結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、孔洞結(jié)構(gòu)等纖維結(jié)構(gòu)包括：5一、纖維的大分子結(jié)構(gòu)紡織纖維除了無(wú)機(jī)纖維（玻纖、石棉纖維、金屬纖維）等外，絕大多數(shù)都是高分子化合物（即高聚物）,分子量很大。61、單基（鏈節(jié)）m定義：構(gòu)成纖維大分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)單元。A′－A－A……A－A－A〞或A′－(A)n－A〞A——單基；

A′、A〞——端基；

n——聚合度；7常用纖維的單基

纖維素纖維：-葡萄糖剩基蛋白質(zhì)纖維：-氨基酸?；鶞炀]：對(duì)苯二甲酸乙二酯錦綸：己內(nèi)酰胺丙綸：丙烯腈綸：丙烯腈8單基的化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類決定了纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸濕、染色性等，單基中極性官能團(tuán)的數(shù)量、極性強(qiáng)弱對(duì)纖維的性質(zhì)影響很大。92.聚合度n: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=int(M/m))

注:大分子的分子量＝單基的分子量×聚合度n低時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，纖維的強(qiáng)度低些，濕強(qiáng)度也低些，脆性明顯些。10常用纖維的n：棉麻的聚合度很高，成千→上萬(wàn)；羊毛n＝576；

蠶絲n＝400再生纖維素纖維

300-600滌綸130

晴綸1000－1500

維綸n＝1700

丙綸n＝310-430

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。11聚合度與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

強(qiáng)度P聚合度nno

制造化纖時(shí)，要控制n的大小n太小——強(qiáng)度不好；n太大——紡絲困難123、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)13144、纖維大分子鏈的內(nèi)旋性及柔曲性（1）纖維大分子鏈的內(nèi)旋性、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。151617（2）纖維大分子鏈的柔曲性1)定義：指纖維大分子在一定條件下，通過(guò)內(nèi)旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)而形成各種形狀的難易程度的特性。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是大分子鏈產(chǎn)生柔曲性的根源。對(duì)于高聚物而言，其中的大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)除了受分子內(nèi)原子或基團(tuán)相互影響外分子間作用力也有很大影響。182)纖維大分子結(jié)構(gòu)與柔曲性的關(guān)系主鏈上原子鏈彈性好，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，∴柔曲性↑；側(cè)鏈較少，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，∴柔曲性↑主鏈四周側(cè)基分布對(duì)稱，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，∴柔曲性↑；側(cè)基間（大分子間）作用力較少，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，∴柔曲性↑；溫度↑，內(nèi)旋轉(zhuǎn)加劇，大分子鏈柔曲性↑。19柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長(zhǎng)大，彈性較好，結(jié)構(gòu)不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成結(jié)晶。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是大分子鏈產(chǎn)生柔曲性的根源。對(duì)于高聚物而言，其中的大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)除了受分子內(nèi)原子或基團(tuán)相互影響外分子間作用力也有很大影響。20二、紡織纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（一）、大分子間作用力（次價(jià)鍵力）

纖維大分子間的作用力與大分子鏈間的相對(duì)位置，鏈的形狀、大分子排列的密度及鏈的柔曲性等有關(guān)。這種作用力使纖維中的大分子形成一種較穩(wěn)定的相對(duì)位置，或較牢固的結(jié)合，使纖維具有一定的物理機(jī)械性質(zhì)。21

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22

名稱產(chǎn)生原因特點(diǎn)范得華力定向力產(chǎn)生于極性分子間，是由它們的永久偶極矩作用而產(chǎn)生的作用能量3～5千卡/克分子

與溫度有關(guān)誘導(dǎo)力由相鄰分子間的誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，產(chǎn)生于極性分子與非極性分子之間1.5～3千卡/克分子

與溫度有關(guān)色散力由相鄰原子上的電子云旋轉(zhuǎn)引起瞬時(shí)的偶極矩而產(chǎn)生的。產(chǎn)生一切非極性分子中。0.2～2千卡/克分子

與溫度無(wú)關(guān)氫鍵大分子側(cè)基（或部分主鏈上）極性基團(tuán)之間的靜電吸引力（如－NH，－COOH，－OH，－CONH等）能量1.3～10.2千卡/克分子距離2.3～3.2A

與溫度有關(guān)鹽式鍵在部分大分子側(cè)基上，某些成對(duì)基團(tuán)之間接近時(shí)，產(chǎn)生能級(jí)躍遷的原子轉(zhuǎn)移，從而基團(tuán)間形成相互結(jié)合的化學(xué)鍵是化學(xué)鍵中作用力較弱的一種，能量30～50千卡/克分子

化學(xué)鍵少數(shù)纖維的大分子之間存在這橋式側(cè)基?；瘜W(xué)鍵主要包括共價(jià)鍵、離子鍵和金屬鍵能量50～200千卡/克分子

23四種結(jié)合力的能量大小：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＜?xì)滏I＜范得華力24纖維大分子主要是通過(guò)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25

定義：具有一定構(gòu)象的大分子鏈通過(guò)分子鏈間的作用力而相互排列、堆砌而成的結(jié)構(gòu)。纖維的超分子結(jié)構(gòu)是在天然纖維的生長(zhǎng)過(guò)程或化學(xué)纖維的紡絲成形及后加工過(guò)程中形成的。

（二）、超分子結(jié)構(gòu)（聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）26

高聚物的基本性質(zhì)取決于大分子結(jié)構(gòu)，而實(shí)際高聚物材料或制品的使用性能則直接取決于在加工過(guò)程中形成的超分子結(jié)構(gòu)（聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)具體所指纖維高聚物的結(jié)晶與非晶結(jié)構(gòu)、取向與非取向結(jié)構(gòu)。27三、典型合成纖維的結(jié)構(gòu)1.常規(guī)合成纖維(1)滌綸纖維(PET)滌綸纖維或聚酯纖維，其大分子鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：?jiǎn)位梢粋€(gè)苯環(huán)、兩個(gè)酯基和兩個(gè)亞甲基(－CH2)構(gòu)成。（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）

28(2)錦綸纖維(PA)錦綸或聚酰胺纖維或尼龍主要特征是大分子鏈由酰胺鍵(－CONH－)連接，主要品種錦綸6和錦綸66，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：錦綸66錦綸629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30錦綸性質(zhì)（1）機(jī)械性質(zhì)

強(qiáng)度高，伸長(zhǎng)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：錦綸6低于93°C，錦綸66低于130°C

熔點(diǎn)：215°C（錦綸6），250°C（錦綸66）（4）耐光性差（5）耐堿不耐酸（6）密度較?。?.14g/cm3

31(3)腈綸纖維(PAN)—CH2

—CH(CN)—第一單體：丙烯腈（超過(guò)85%）第二單體：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等改善纖維的脆性，增加彈性、柔軟性，同時(shí)還有利于染料分子進(jìn)入。

第三單體：引入一定量帶有酸性或堿性親染料的基團(tuán)改善纖維的染色性。321.結(jié)構(gòu)大分子結(jié)構(gòu)空間螺旋形，使得分子不易靠攏無(wú)結(jié)晶區(qū)，只有高序區(qū)、低序區(qū)（準(zhǔn)結(jié)晶結(jié)構(gòu)）2.性質(zhì)

強(qiáng)度較低，伸長(zhǎng)較大；

初始模量：E錦綸<E腈綸<E滌綸；

彈性：比棉、麻、粘膠好，但比羊毛、滌綸、錦綸差；

染色性較好；沒(méi)有明顯的熔點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生熔孔現(xiàn)象；

含有氰基，耐光性特別好；

耐酸也耐堿；

密度較?。?.17g/cm333晴綸纖維縱、橫截面34(4)丙綸纖維(PP)—CH2

—CH(CH3)—采用等規(guī)共聚，全同結(jié)構(gòu)，呈螺旋形，無(wú)極性基團(tuán)，幾乎不吸濕分子間不存在強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合力。等規(guī)聚丙烯分子量相當(dāng)高，具有較高的立體規(guī)整性，易結(jié)晶。結(jié)晶度高，發(fā)脆易老化，碳?xì)滏I能量小，不耐日曬35

機(jī)械性質(zhì)：強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率較大，初始模量不高，彈性很好，耐磨性好。吸濕染色性：吸濕性、染色性很差熱學(xué)性質(zhì)：熔點(diǎn)低，耐濕熱不耐干熱耐光性特別差，易老化化學(xué)穩(wěn)定性很好，耐酸、耐堿、耐其他化學(xué)試劑

密度最輕：0.91g/cm3

丙綸纖維性質(zhì)36

1.結(jié)構(gòu)：皮芯層結(jié)構(gòu)，截面形狀：濃度30%，啞鈴狀；濃度40%，圓形；

大分子主鏈呈平面鋸齒形。

（5）維綸（聚乙烯醇縮甲醛纖維）37維綸性質(zhì)機(jī)械性質(zhì)：強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率不大，初始模量比滌綸低，

彈性較差，耐磨性較好。

吸濕染色性：W=5.0%,在合纖中，吸濕性居于首位;

染色性不好，色澤不鮮艷。

熱學(xué)性質(zhì)：耐干熱穩(wěn)定性較好，耐熱水性較差。

耐堿不耐強(qiáng)酸；

耐光性、耐腐蝕性較好；

熱傳導(dǎo)系數(shù)低，保暖性較好；38(6)氨綸（聚氨基甲酸酯）結(jié)構(gòu)嵌段共聚物由具有柔性的不結(jié)晶的低分子軟鏈段（如聚酯或聚醚鏈段）和具有剛性的結(jié)晶的硬鏈段（如二異氰酸酯）共聚而成。

性質(zhì)

機(jī)械性質(zhì)：強(qiáng)度較低，伸長(zhǎng)率大（450-800%），初始模量低，彈性特別好吸濕性較差W=0.8-1%熱學(xué)性質(zhì)：在日光照射下稍微發(fā)黃，且強(qiáng)度稍有下降耐酸堿性較好、耐光性好密度?。?.0-1.3g/cm3氨綸纖維一般不單獨(dú)使用，而是與其它纖維混合使用。39纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試分析方法質(zhì)譜分析通過(guò)對(duì)纖維樣品的氣相離子的質(zhì)量電荷比，對(duì)纖維的組成和鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化的表征紅外吸收光譜可對(duì)高聚物或混合物的極性基團(tuán)及其含量的吸收帶強(qiáng)度進(jìn)行識(shí)別和定量分析紫外與可見(jiàn)光譜可測(cè)定在10～400nm紫外吸收光譜范圍及400～800nm可見(jiàn)光范圍具有不飽和鏈及不對(duì)稱電子的分子。核磁共振光譜可測(cè)定在外部磁場(chǎng)作用下，分子內(nèi)部發(fā)生化學(xué)位移的核群及吸收帶，以及相鄰核的信息，計(jì)算出各吸收強(qiáng)度與各核群的比例。