纤维的结构特征.doc

第二章纤维的结构特征固态物质的结构有简单、有复杂，如均匀简单结构的玻璃、金属、塑料等，多为人工作为的结果；而天然纤维、生物体乃至人工作为的化学纤维、微米或纳米结构的微机械系统（MEMS、NEMS）结构极为复杂。其中纤维的结构是相当复杂的，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。本章介绍纤维的基本结构及典型纤维的结构特征。第一节纤维的基本结构和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。分别涉及形态学、物理学和化学。特别是现有的形态观察已逼近微观的分子尺度，即化学家们讨论的对象。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。诸如纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在纤维中的各种裂隙和孔洞。 一般将形态结构按尺度和部位分为表观形态、表面结构和微细结构三类。表观形态，主要讨论纤维的外观的宏伟形状和尺寸，包括纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等。表面结构，主要涉及纤维表面的形态及表层的构造，是微观形态和尺度的问题，微细结构，是指纤维内部的有序区（结晶或趋向排列区）和无序区（无定形或非结晶区）的形态、尺寸和相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。 由于显微观察术的发展，微细结构的尺度已覆盖了纤维晶区的的一般尺寸（20200nm），并可达到1nm尺度，甚至0.1nm(A0级)。因此，聚集态结构和分子结构的内容，已可或将可在以观察学为基础的纤维微细结构中讨论。纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状物质，统称为原纤（fibril），故纤维微细结构的主题内容是纤维的原纤结构与排列。2、 纤维的原纤结构(1) 原纤的结构特征纤维中的原纤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。原纤也有呈网状交叉排列，大多发生在天然纤维中，是人工纤维极难达到的结构形式，但此排列结构提供给纤维侧向的保护及结构稳定性。 纤维的原纤按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。并非所有纤维都有如此清晰的结构层次或划分。如棉纤维无巨原纤之说；羊毛无原纤之分，且副皮质中无巨原纤结构层次。纤维有的就是单细胞体，如棉、麻等纤维；有的为多细胞体，故细胞的堆砌形成纤维，如毛纤维、麻的工艺纤维。化学纤维和天然丝无细胞之说，但单一组分的纤维可以看作“单细胞”纤维，如普通化纤、蜘蛛丝、蚕丝的单丝等；而多组分的复合、共混化学纤维，蚕吐出的等，可以看作为“多细胞”的纤维。原纤间的堆砌是通过低密度或无序排列的分子，甚至是孔隙过渡，愈低层次即愈微小，原纤间的过渡区愈小，结构愈紧密而稳定；愈高层次，即愈大原纤间的过渡区愈大，无连接的孔隙愈多愈大，结构愈疏松而不稳定。但后者适于染料分子和水分子的进入，这对一般服饰用纤维有利，面对高性能纤维来说，则是致命的缺陷。化学纤维由于结晶机理和生长方向会产生片晶（lamella），如折叠链片晶（fold-chain lamella）和伸展链片晶(extended chain lamella)，导致纤维原纤结构的淡化或模糊化，甚至产生点状或微晶粒“交联”联结的网状结构，如弹性纤维类。但高强高模化学纤维，绝大数为原纤化结构。 (2)各层次原纤的特征基原纤是原纤中最小、最基本的机构单元，亦称晶须，无缺陷。一般它由几根以至十几根长链分子，互相平行或螺旋状按一定距离、相对稳定的地结合在一起的大分子束，直径为13nm（1030埃），并具有一定的柔曲性。微原纤是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束亦称未晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。在微原纤内，基原纤与基原纤间一方面依赖于基原纤间分子间力的作用，另一方面则借助于贯穿两个以上基原纤大分子链的纵向连接。微原纤的直径大约是48nm（4080埃）个别也有高达100nm，可以借助于电子显微镜观察。相对于基原纤基原纤微原纤大分子内分子间的距离要大，但尺寸小于基原纤内分子间的最小厚度（0.11nm）,见上图 原纤是一个统称，有时可代表由若干基原纤或含有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。原纤中会存在比微原纤中更大的缝隙和空洞，还可能有序态较差的非晶态部分。对于天然纤维，还可能夹杂一些其他成分的化合物。它和微原纤一样，也是依赖于分子间力和大分子链的纵向连接，将多个基或微原纤组合排列在一起，构成原纤。原纤的直径通常为1030nm(100300埃),原纤结构往往会出现晶区和非晶不规则交替的人状态，它已经接近于光学显微镜可分辨的极限。这也是棉纤维中称之的由来。原纤或原纤维之间是由穿插、缚结分子和微孔隙组成的无序区联结，分子排列密度低，孔隙相对较大。巨原纤是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。它是由低密度排列，穿越微小间隙组成。对天然纤维，也可能夹杂其他成分物质。巨原纤横向尺寸一般为0.10.6um,借助于普通光学显微镜就可看到。细胞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。多细胞结构的纤维再由细胞组成纤维。不仅尺寸大小不同，排列状态也不尽相同。细胞与细胞间由细胞间质粘合而成，联结物质和结构与原纤不同，较为疏松，还有从纳米到亚微米的缝隙和孔洞。二、纤维的聚集态结构纤维的聚集态结构指构成该纤维的大分子链之间的作用形式与堆砌方式，又称为“超分子结构”或“分子间结构”。具体所指纤维高聚物的结晶和非晶结构、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点阵结构，称为结晶结构。将具有结晶结构的区域称作结晶区。对纤维甚至原纤来说，很少存在完善的结晶区，往往是结晶与非结晶区的混合体，以及与某些结构缺陷区或其他掺杂