,第二章 纤维结构特征,第一节 纤维结构的概念,第二节 纺织纤维大分子结构,第四节 典型纤维的结构与特征,第三节 纺织纤维超分子结构,第一节 纤维结构的概念,1、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，并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。,2、纤维的结构,纤维结构：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。,形态结构,纵横向几何形态、径向结构、 表面结构、孔洞结构等,化学组成、单基结构、端基结构、 聚合度、大分子构象、大分子链 柔曲性等,晶态、非晶态、晶粒大小、 取向度、侧序分布等,聚集态结构,大分子结构,第二节 纺织纤维大分子结构概念 图,一、单基,纺织纤维大分子都是由许多相同或相似的原子团彼此以共价键多次反复连接而成。这些相同或相似的原子团称为大分子的基本链节，或称为“单基”。,定义：构成纤维大分子的基本化学结构单元。,常用纺织纤维单基的化学组成：图,例：大分子亲水基团的多少和强弱吸湿性 ；分子极性的强弱电学性质,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。,二、聚合度n,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。,常用纤维的聚合度：天然纤维的聚合度较高 n棉=6000-15000化学纤维聚合度不易过高 n粘胶=300-600,一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有 一定的分布，称高聚物大分子的多分散性。,聚合度与纤维的力学性质关系：n，纤维强力（但增加的速率减小；n至一定程度， 强力趋于不变。）n的分布：希望n的分布集中些，分散度小些，这对纤维 的强度，耐磨性、耐疲劳性、弹性都有好处。 制造化纤时，要控制n的大小。n太小强度不好；n太大纺丝困难。,纤维大分子的构型,定义：由于化学键而引起的原子在空间的排列 形式称大分子的构型。,大分子的构型有线型、枝型、网型三种。纺织纤维的大分子大多属于线型构造。,键的内旋转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。,三、大分子键的内旋转、构象和大分子的柔曲性,构象 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。,大分子的柔曲性长链大分子在一定条件下发生内旋转的难易程度称为大分子的柔曲性。,纤维大分子结构与柔曲性的关系：,1） 主链上原子键旋转性好 ，柔曲性；2）侧链较少，柔曲性；3）主链四周侧基分布对称，柔曲性；4）侧基间（大分子间）作用力较小，柔曲性;5）温度，内旋转加剧，大分子链柔曲性 ;,大分子柔曲性是判断高聚物弹性的主要条件之一， 柔曲性好的纤维，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。,四、链原子的类型与排列,1、 碳链大分子：纤维的大分子主链都是靠相同的碳原子以共 价键形式相联结。 例：乙纶、丙纶、腈纶等可塑性比较好，容易成型加工，原料比较简 单，成本便宜。 但一般均不耐热，易燃甚至 易熔。服用纤维有一定缺点。,2、杂链大分子：大分子主链除碳原子以外，还有其它原子如氮、氧等，它们都以共价键相联结，即主链是由两种以上的原子所构成的。 例：粘胶、蚕丝、涤纶、锦纶等强度较大，服用性能较好。,3、梯形和双螺旋形大分子：,此类纤维的主链不是一条单链，而是像一个“梯子”和“双股螺旋”的结构。 例：碳纤维，石墨纤维有 较高的强力、耐高温性。,大分子结构对纤维性能的影响,决定,决定,决定,范德华力：分子引力 氢键： 大分子侧基（或部分主链上）极性基团之间的静 电吸引力（如NH2，COOH，OH，CONH等） 盐式键：在部分大分子侧基上，某些成对基团之间接近时， 产生能级跃迁的原子转移，从而基团间形成相互结 合的化学键。如羊毛纤维大分子间的 COO-+H 3N 共价键：大分子间的桥式侧基。如羊毛纤维大分子间的SS。,第三节 纺织纤维的超分子结构（聚集态结构）,1、纺织纤维中大分子间的结合力。图,四种结合力的能量大小：共价键盐式键氢键范德华力209.3837.36J/mol 126209.3J/mol 5.4 42.3J/mol 2.123j/mol； 四种结合力的作用距离：共价键盐式键氢键范德华力,分子间力的大小取决于：1.单基化学组成2.聚合度3.分子间距离,2、大分子的聚集态结构 图,结晶态大分子有规律的相互整齐稳定地排列成具有高度的几何规整性称为结晶结构或结晶态。,结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。 晶区特点：a.大分子链段排列规整； b.结构紧密，缝隙，孔洞较少； c.分子间结合力强 。,结晶,非晶区：纤维大分子无规律地紊乱排列的区域。 非晶区特点：a.大分子链段排列混乱，无规律；b.结构松散，有较多的缝隙、孔洞； c.相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。,非晶态：纤维大分子无规律地紊乱排列的状态。,结晶度结晶部分占整根纤维的百分比。,重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。 体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率。,结晶度对纤维结构与性能的影响： 结晶度 纤维的拉伸强度、初始模量、硬度、尺寸稳定性、密度； 结晶度纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性。 结晶度 纤维吸湿性；容易染色；拉伸强度较小，变形较大，纤维较柔软，耐冲击性，弹性有所改善，密度较小，化学反应性比较活泼。,取向度与纤维性能间的关系：取向度大，纤维可能承受的轴向拉力也大，拉伸强度较大，伸长较小，模量较高，光泽较好，各向异性明显。化纤制造中，采用不同的拉伸倍数，可得到不同的取向度。,取向度,取向度：大分子链主轴排列方向与纤维轴向平行程度。,图,1、单分子：直线链状大分子。 2、基原纤：几根直线链状大分子平行排列，按一定距离、一定位相、一定相对形态稳定结合在一起形成很细的结晶态的大分子束。 3、微原纤：若干基原纤平行排列结合在一起形成较粗的基本结晶态的大分子束。 4、原纤：若干微原纤基本平行排列结合在一起形成更粗的 大分子束。存在一定的缝隙孔洞。 5、巨原纤：原纤基本平行堆砌的更粗大的大分子束。存在更大的缝隙、孔洞。 6、纤维：由巨原纤堆砌而成。,3、纤维的结构层次 图,良好的纤维大分子应具备的条件,大分子主链有一定的长度，能够在分子链间产生足够多的侧吸引力，侧向直链短，侧基不过大，使分子链段能平行排列。 分子链之间有一定强力的侧吸引力，使相邻分子链能相互吸引着保持相对稳定的规整或结晶结构。 链段有柔曲性，有适当的伸长变形能力，并能回复到原有的构象，使纤维柔软有弹性。,第四节 典型纤维的结构与特征,一、纤维素纤维结构特征,1、纤维素纤维大分子结构 图,基本链节-葡萄糖剩基,分子链构象椅式氧六环结构,聚合度棉、麻为1000015000，粘胶纤维为250500，,大分子的结构特点每个葡萄糖剩基有三个自由羟基，具有一般醇羟基的性质，能起酯化、醚化等反应。 羟基可以在分子间和分子内形成氢键，使大分子链挺直而有刚性，排列紧密。 羟基存在使纤维具有一定的吸湿性。 大分子链中的苷键对碱的稳定性较高，酸中易水解，大分子链聚合度降低，纤维强度降低。,2、纤维素纤维超分子结构,大分子间作用力：强大的氢键力，还有范 德华力。 结晶度：棉是6070%左右；麻70%； 粘胶是3040% 取向度：棉是2030；麻是78； 粘胶看抽伸倍数，可人为控制 普通粘纤30左右。 缝隙空洞：棉较小；粘纤较大。,表皮层：外皮，由蜡质、脂肪和果胶的混合物组成。 初生层：初生胞壁，很薄，由网状原纤组成。 次生层：S 1：次生胞壁由微原纤紧密堆砌构成。 S 2 ：占次生层大部分，由纤维素组成，微原纤与纤维轴成 25螺旋状排列。 S 3：与S 1结构相似。含有非纤维物质。 中腔：棉纤维生长停止后遗留下的内部空隙。有少数原生质和细胞核残余物质。,棉纤维内部各层次结构 图,3、纤维素纤维形态结构,二、蛋白质纤维结构特征,1、大分子结构 图,基本链节：-氨基酸剩基 R侧基羊毛：多、复杂，约25种氨基酸； 蚕丝：少、简单，约18种氨基酸。,大分子链空间构型： 羊毛：螺旋卷曲型长链分子 蚕丝：直线状曲折链,大分子侧基有羧基、氨基等，大分子间形成氢键、盐式键、二硫键等。（多交联结构）,2、超分子结构 分子间力羊毛：范德华力、盐式键、氢键、二硫键 蚕丝：范德华力、盐式键、氢键 结晶、取向羊毛的结晶度、取向度低，而蚕丝的较大。,3、形态结构 羊毛纤维截面由外向内 分为三层：鳞片层、皮质层、 髓质层。,作用： 保护纤维，使羊毛内层组织不受外界的生物、 化学、机械等作用；决定纤维的表面光泽和表面性质。 由于鳞片具有方向性，形成差微摩擦效应。 鳞片排列形状： 环状、瓦状、龟裂状 图,鳞片层,皮质层：由皮质细胞构成。是羊毛纤维的主体，占 90%左右。决定羊毛纤维的物理化学性质。,皮质细胞：正皮质结构疏松； 偏皮质（副皮质）结构紧密； 正、偏皮质细胞分布形式有“双边结构”和“皮芯结构”。 双边结构：细羊毛的正副皮质细胞（结构与性能不同）分布于纤维的两侧，并在长度方向上不断转换位置，正皮质一般在纤维卷曲处的外侧，而副皮质处于卷曲的内侧，使羊毛具有天然卷曲。图,正皮质细胞：胱氨酸含量少，结构松散，吸湿性 强，化学试剂易侵入，强度弱。,偏皮质细胞：胱氨酸含量多，结构紧密，吸湿 低，化学试剂不易侵入，,髓质层：由结构松散和充满空气的胞壁细胞组成。它的存在影响纤维强力、弹性和卷曲，细羊毛中几乎没有髓质层。,三、合成纤维结构特征,1、涤纶,大分子结构,单体：对苯二甲酸乙二酯,大分子结构特点；存在酯基，涤纶耐碱性较差，耐酸性较好。大分子上缺乏与染料分子结合的官能团，所以染色性能差。 大分子链上有刚性链苯环和柔性链亚甲基链，为刚柔兼备的线型大分子结构，使涤纶具有较好的弹性、挺括性和尺寸稳定性。 超分子结构：大分子间依靠范德华力结合，结晶度、取向度都较高。,2、锦纶,大分子结构,特征基团：有极性集团CONH；NH2；COOH；NH2和COOH对光、热、氧较为敏感，所以锦纶不耐晒；亚氨基NH存在使纤维易染色。酰胺键为极性基团，能形成氢键作用，且具有一定的吸湿性。耐碱不耐酸。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。纤维弹性好。,大分子结构特点：,超分子结构： 分子间有范德华力、氢键力； 结晶度比涤纶略低 。,3、腈纶,大分子结构： 单体：第一单体：丙烯腈（超过85%），纯丙烯腈纤维脆 第二单体：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等，改善弹性和手感。 第三单体：引入一定量带有酸性或碱性亲染料的基团，改善纤维的染色性能。 聚丙烯腈为碳链结构，化学稳定性好，对酸及氧化剂较稳定。存在CN，耐光性好。 大分子空间结构为不规则的螺旋形构象。,