纖維的結(jié)構(gòu)特征

PAGEPAGEPAGE1第二章纖維的結(jié)構(gòu)特征纖維的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，是由基本結(jié)構(gòu)單元經(jīng)若干層次的堆砌和混雜所組成的，并決定纖維的性質(zhì)。第一節(jié)纖維基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成盡管纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但人們對其認(rèn)識一般分為三個方面，最為直觀的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)、較為間接的纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和更為微觀的纖維分子結(jié)構(gòu)。一、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.基本內(nèi)容纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，是指纖維在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡，乃至原子力顯微鏡(AFM)下能被直接觀察到的結(jié)構(gòu)。纖維的外觀形貌、表面結(jié)構(gòu)、斷面結(jié)構(gòu)、細(xì)胞構(gòu)成和多重原纖結(jié)構(gòu)，以及存在于纖維中的各種裂隙與空洞等。2.纖維的原纖結(jié)構(gòu)(1)原纖結(jié)構(gòu)特征纖維中的原纖(fibril)是大分子有序排列的結(jié)構(gòu)，或稱結(jié)晶結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格意義上是帶有缺陷并為多層次堆砌的結(jié)構(gòu)。原纖在纖維中的排列大多為同向平行排列，提供給纖維良好的力學(xué)性質(zhì)和彎曲能力。纖維的原纖按其尺度大小和堆砌順序可分為基原纖→微原纖→原纖→巨原纖→細(xì)胞。(2)各層次原纖的特征基原纖(proto-fibril或elementaryfibril)是原纖中最小、最基本的結(jié)構(gòu)單元，亦稱晶須，無缺陷。微原纖(micro-fibril)是由若干根基原纖平行排列組合在一起的大分子束，亦稱微晶須，帶有在分子頭端不連續(xù)的結(jié)晶缺陷，是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。圖2-1微原纖的堆砌形式示意圖原纖(fibril)是一個統(tǒng)稱，有時可代表由若干基原纖或含若干根微原纖，大致平行組合在一起的更為粗大的大分子束。巨原纖(macro-fibril)是由多個微原纖或原纖堆砌而成的結(jié)構(gòu)體。細(xì)胞(cell)是由巨原纖或微原纖直接堆砌而成的，并有明顯的細(xì)胞邊界。二、纖維的聚集態(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)、以及通過某些分子間共混方法形成的“織態(tài)結(jié)構(gòu)”等。1.纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)將纖維大分子以三維有序方式排列，形成穩(wěn)定點陣，形成有較大內(nèi)聚能和密度并有明顯轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)定點陣結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)晶結(jié)構(gòu)。對于纖維聚集態(tài)的形式，上世紀(jì)40年代出現(xiàn)了“兩相結(jié)構(gòu)”的模型。圖2-2取向和無序排列的纓狀微胞結(jié)構(gòu)Hearle教授提出的纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型(圖2-3)對此作了很好的解釋，并與纖維的原纖結(jié)構(gòu)形成很好的對應(yīng)。圖2-3纓狀原纖結(jié)構(gòu)圖2-4折疊鏈片晶2.纖維的非晶結(jié)構(gòu)纖維大分子高聚物呈不規(guī)則聚集排列的區(qū)域稱為非晶區(qū)，或無定形區(qū)。圖2-5取向和非取向折疊鏈片晶結(jié)構(gòu)模型3.纖維的取向結(jié)構(gòu)不管天然纖維還是化學(xué)纖維，其大分子的排列都會或多或少地與纖維軸相一致，這種大分子排列方向與纖維軸向吻合的程度稱作取向度。纖維的取向結(jié)構(gòu)使纖維許多性能產(chǎn)生各向異性。三、纖維的分子結(jié)構(gòu)1.大分子結(jié)構(gòu)的基本概念紡織纖維的分子一般都是線形長鏈分子，量很大，由n個(n約為102~105數(shù)量級)重復(fù)結(jié)構(gòu)單元(稱鏈節(jié)或單基)相互連接而成的，分子量很大，故多大分子或高分子。若纖維大分子的分子量為M，單基的分子量為m，則聚合度(重復(fù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)n)為：(2-1)通常將大分子結(jié)構(gòu)分為分子內(nèi)(分子鏈)結(jié)構(gòu)和分子間(超分子)結(jié)構(gòu)兩部分。分子鏈結(jié)構(gòu)是指單個分子的結(jié)構(gòu)，也是大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，簡稱鏈結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)。鏈結(jié)構(gòu)又分為討論鏈節(jié)(單基)組成及結(jié)構(gòu)的近程結(jié)構(gòu)和討論分子鏈空間形態(tài)的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。圖2-6分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖圖2-7纖維大分子的典型構(gòu)象示意圖分子間的結(jié)構(gòu)屬三級結(jié)構(gòu)或稱三次結(jié)構(gòu)，就是前面所提的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。若干大分子聚集體或不同組份大分子聚集體的相互共混、復(fù)合，組合體是更高層次的結(jié)構(gòu)體，屬高次結(jié)構(gòu)，或稱織態(tài)結(jié)構(gòu)。第二節(jié)纖維的結(jié)構(gòu)特征與測量一、紡織纖維結(jié)構(gòu)的一般要求纖維必須具有一定的長度和細(xì)度、有較高的長徑比、具備形成一維材料的基本條件；從聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的角度看，要求分子排列有一定的結(jié)晶和取向，使分子間和軸向作用力增強(qiáng)，從而使纖維具備必要的強(qiáng)度和形態(tài)穩(wěn)定性，但又必須有一定的無定形區(qū)，以使纖維具有可及性和可加工性；從大分子組成和結(jié)構(gòu)上說，分子量要較高，且分子量分布應(yīng)比較窄，支鏈較短，側(cè)基要小，以得到粘度適當(dāng)?shù)娜垠w及溶液和濃度足夠高的溶液。二、纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的測量1.化學(xué)結(jié)構(gòu)的測量（1）質(zhì)譜(massspectrometry)分析。（2）紅外吸收光譜（3）紫外與可見光譜（4）核磁共振光譜2.分子量及其分布的測量(1)數(shù)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、纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的測量1.結(jié)晶結(jié)構(gòu)及非晶結(jié)構(gòu)纖維是結(jié)晶與非晶結(jié)構(gòu)共存的材料。測量方法常采用密度法、X射線衍射法、熱分析法、紅外光譜法、電子顯微鏡法等測量，其結(jié)晶度的大小、晶區(qū)的分布、結(jié)晶形態(tài)等。主要指標(biāo)有結(jié)晶度、晶體類型、結(jié)晶大小和形狀、晶區(qū)分布及非晶區(qū)結(jié)構(gòu)等。表2-1不同晶系及晶格參數(shù)表晶系晶格軸長及夾角關(guān)系三斜triclinica≠b≠c；α≠β≠γ單斜monoclinica≠b≠c；α=γ=90o≠β正交orthorhombica≠b≠c；α=β=γ=90o四方tetragonala=b≠c；α=β=γ=90o三方trigonala=b=c；α=β=γ≠90o<120o六方hexagonala=b≠c；α=β=90o；γ=120o立方cubica=b=c；α=β=γ=90o2.取向結(jié)構(gòu)纖維的取向結(jié)構(gòu)可用顯微觀察的方法，或進(jìn)行各結(jié)構(gòu)單元間的染色增強(qiáng)的制樣方法來觀察，纖維的取向結(jié)構(gòu)最為重要的表達(dá)指標(biāo)是取向度或稱取向因子f。纖維取向度的測量可有X射線或電子衍射法、紅外二色性法、光學(xué)偏振法、聲速模量法、染色二色性法、