第七章 纤维的热学、光学和电学性质.doc

第七章 纤维的热学、光学和电学性质第一节 纤维的热学性质一、比热1比热的概念单位质量的纤维，温度升高(或降低)1所需要吸收(或放出)的热量，叫纤维的比热。2常见纺织纤维的比热纤维种类比热值纤维种类比热值纤维种类比热值棉1.211.34粘胶纤维1.261.36羽绒羊毛1.36锦纶61.84芳香聚酰胺纤维1.21桑蚕丝1.381.39锦纶662.05醋酯纤维1.46亚麻1.34涤纶1.34玻璃纤维0.67大麻1.35腈纶1.51石棉1.05黄麻1.36丙纶(50)1.80木棉表7-1 常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为20） 单位：J/g 3影响纺织纤维比热的主要因素(1) 水分的影响 图7-1羊毛纤维比热与回潮率三和温度的关系(2) 温度的影响一般认为，温度较高时，具有一定回潮率纤维的比热增大。(3) 纤维结构的影响在220附近，出现第二次熔前结晶，比热稍有下降。而后者为缓慢上升曲线，无再结晶的现象。dH/dt (J.s-1)12701350H=175J/gH=202J/g80100120140160T/图7-2 不同取向聚乙烯纤维的DSC图谱淬火PET退火PET图7-3 两种涤纶丝的比热随温度的变化规律4比热对纤维加工和使用的影响二、导热系数1导热的概念与导热系数导热主要通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。单纤维的热传递性是极困难的，一般采用纤维集合体的方式。 （7-3）QdT1T2 (T2 T1)S图7-4 热传递示意图表7-2 常见纺织纤维的导热系数纤维制品(W/m)棉纤维0.0710.0731.12590.1598羊毛纤维0.0520.0550.47890.1610蚕丝纤维0.050.0550.83020.1557粘胶纤维0.0550.0710.71800.1934醋酯纤维0.05羽绒0.024木棉0.32麻1.66240.2062涤纶0.0840.97450.1921腈纶0.0510.74270.2175锦纶0.2440.3370.59340.2701丙纶0.2210.302氯纶0.042静止干空气0.026纯水0.6972影响纤维导热系数的因素 (1) 纤维的结晶与取向 (2) 纤维集合体密度图7-5 纤维层体积重量和导热系数间的关系（3）纤维排列方向(2)f热辐射方向纤维层方向导热系数图7-6 纤维排列方向角f与导热系数的关系(4) 纤维细度和中空度 (5) 环境温湿度表7-3温度与纤维导热系数间的关系纤 维导热系数(W/m)030100棉0.0580.0630.069羊毛0.0350.0490.058亚麻0.0460.0530.062蚕丝0.0460.0520.0593导热系数对加工和使用的影响三、热作用时的纤维性状 1两种转变和三种力学状态玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹转变区交联型分子Tg()Tf()(a)Tg()Tf()交联型分子玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹转变区(b)图7-7 非晶态材料的热机械性质2三态及转变的分子运动机理(1) 玻璃态（2）玻璃化转变区(3) 高弹态(4) 粘弹转变区(5) 粘流态3常见纺织纤维的三态转变温度4热定形与变形 (1) 热定形及其机理表7-4 常见纺织纤维的热学性能纤维玻璃化温度Tg()软化点Tm()熔点Tf()分解点Td()熨烫温度()棉230150200羊毛60或8063.1135180蚕丝150160麻253100粘胶260300110醋酯186195205290300110锦纶647, 65180215125145锦纶6682225253300120140涤纶80, 67, 90235240256160腈纶90190240280300130140维纶85干: 220230 水: 110干: 150丙纶-35145150163175100120氯纶82901002003040 (2) 热定形效果的持久性(3) 热定形的方法 (4) 影响热定形效果的主要因素表7-5 几种纤维织物的常用热定形温度纤维品种热定形温度()热水定形蒸汽定形干热定形涤纶120130120130190210羊毛90100100120130150锦纶66100120110120170190腈纶125135130140丙纶100120120130130140(5) 热变形加工四、纤维的耐热性和热稳定性1耐热性表7-6 常见纺织纤维受热后的剩余强度(%)纤维在20未加热在100经过20天在100经过80天在130经过20天在130经过80天棉10092683810亚麻10070412412苎麻1006226126蚕丝1007339粘胶10090624432锦纶10082432113涤纶100100969575腈纶1001001009155玻璃纤维1001001001001002热稳定性（1）质量与组成的稳定性图7- 高强高模聚乙烯的热重曲线 (2) 结构的稳定性表7-7 Kevlar纤维的聚集态结构变化数据纤维样品结晶度(%)双折射值Kevlar129-未处理67.80.736Kevlar129-200C67.60.734Kevlar129-300C67.30.731Kevlar129-400C67.20.729(3) 形态的稳定性五、纤维的燃烧性能表7-8 主要纺织纤维的燃烧性比较纤维TI（）TB（）LOI(%)棉40086020.1粘胶42085019.7醋酯47596018.6三醋酯54088518.4羊毛60094125.2锦纶653087520.1锦纶66532涤纶45069720.6腈纶56085518.2丙纶57083918.6阻燃棉3707102630Nomex4302730kynol430; 57625002930杜勒特35381极限氧指数表7-9 LOI对纤维燃烧性能的分类分类LOI(%)燃烧状态纤维品种不燃35常态环境及火源作用后短时间不燃烧多数金属纤维、碳纤维、石棉、硼纤维、玻璃纤维及PBO、PBI、PPS纤维难燃2634接触火焰燃烧，离火自熄芳纶、氟纶、氯纶、改性腈纶、改性涤纶、改性丙纶等可燃2026可点燃，能续燃，但燃烧速度慢涤纶、锦纶、维纶、羊毛、蚕丝、醋酯纤维等易燃20易点燃，燃烧速度快丙纶、腈纶、棉、麻、粘胶纤维等2点燃温度和燃烧时间。3燃烧温度4纤维难燃的途径及形式第二节 纤维的光学性质一、光在纤维中的反射与折射现象当光线照射在纤维上，在纤维（介质2）与空气或液体（介质1）的界面处将发生反射与折射现象。入射主反射次反射次透射主透射介质1(空气或液体)介质1(空气或液体)介质2(纤维)q2q2q1q1(a) 层状结构irtt2t3trtr2trtt2rtr(c) 纤维集合体入射反射1反射3折射2折射1折射3反射2(b)纤维图7-11 层状结构纤维多层反射和折射对光泽影响的示意图二、光泽1纤维层状结构对光泽的影响入射反射1234空气层1层2层3层 图7-12 层状结构纤维多层反射与折射示意图2纤维纵向形态对光泽的影响3纤维横截面形状对光泽的影响三、光的双折射1双折射现象 n = nmax nmin n和n分别为光波振动方向平行于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n和垂直于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n。其物理过程为，可由图7-13表示，当一束平面偏振光E以电矢量振动方向与纤维轴夹角入射纤维后，可被分解为两组相互正交的平面偏振光。 光入射平面偏振光纤维EE纤维轴Ee光Vo光V滞后椭圆偏振E图7-13 纤维内平面偏振光的分解与双折射现象2常见纺织纤维的双折射率3双折射率与纤维内部结构的关系表7-10 常见纤维的折射率、双折射和纤维密度（温度202，相对湿度65%2%）纤维密度(g-3)nnn n丙纶0.911.5231.4910.032乙纶0.951.5521.5070.045锦纶61.141.151.5681.5150.053锦纶661.141.151.5701.5801.5201.5300.0400.060腈纶1.141.191.5101.5161.5101.5160.0000.005维纶1.261.301.5471.5220.025羊毛1.301.321.5531.5561.5421.5470.0090.012三醋酯1.301.4741.4790.005蚕丝1.001.361.5781.5851.5371.5380.0400.047涤纶1.381.391.7251.5370.188氯纶1.371.401.5001.5101.5001.5050.0000.005苎麻1.541.551.5951.5991.5271.5400.0570.058粘胶1.521.531.5391.5501.5141.5230.0180.036棉1.541.551.5731.5811.5241.5340.0410.051亚麻1.541.551.5941.5320.062玻璃纤维2.541.5471.5470.0004双折射率的测定四、耐光性及光照稳定性1耐光性图7-14 PBO光照后的力学性能保持率纤维耐光性的大致排序为：腈纶羊毛麻棉粘胶涤纶锦纶蚕丝。表7-11 几种常用纤维日晒后强力损失程度纤维日晒时间（h）强力损失（%）蚕丝20050棉94050羊毛112050亚麻110050粘胶90050腈纶8001025锦纶20036涤纶600602光照稳定性五、光致发光 纤维的光致发光是激发态分子发生跃迁而辐射出特定波长光的现象。表7-12 纤维荧光和磷光颜色及延续时间t纤维名称荧光颜色磷光颜色t(秒)棉纤维淡黄色淡黄色20棉（未成熟）淡蓝色淡黄色17棉（丝光）淡红色淡黄色27.5丝（脱胶）淡蓝色淡黄色23.5羊毛淡黄色无色12黄麻淡黄色黄色15亚麻（生）紫褐色无色5.75粘胶白色带紫黄色10锦纶淡蓝色淡黄色22.5第三节 纤维的电学性质一、导电性质1纤维比电阻及其表达 (1) 体积比电阻v体积比电阻是指单位长度上所施加的电压U，相对于单位截面上所流过的电流I之比，其值是电阻率，单位cm。 （7-11）(2) 表面比电阻s纤维柔软细长，体积或截面积难以测量，而通常纤维导电主要发生在表面，因此采用表面比电阻s表达。s是单位长度上的电压（U/L）与单位宽度上流过的电流（I/H）之比，单位欧姆。 （7-12） (3) 质量比电阻m考虑纤维材料比电阻测量的方便，引入质量比电阻m概念，即单位长度上的电压（U/L）与单位线密度纤维上流过的电流(I/(W/L)之比，单位是欧姆克厘米2(g/cm2)。 （7-13）表7-13 纺织纤维的质量比电阻纤维种类lgmnlgK棉6.811.416.6苎麻7.512.318.6蚕丝9.817.626.6羊毛8.415.826.2粘胶7.011.619.6锦纶912醋酯11.710.620.1腈纶8.7腈纶（去油）14涤纶8.0涤纶（去油）142影响纤维比电阻的主要因素(1) 吸湿对纤维比电阻的影响 （7-14）图7-15 质量比电阻与相对湿度的关系(2) 温度对纤维比电阻的影响图7-16 质量比电阻与温度间的关系(3) 纤维附着物的影响(4) 其他因素对纤维比电阻的影响二、介电性质1介电现象和介电常数所谓介电现象是指绝缘体材料(也叫电介质) 在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象。 （7-15）2常见纺织纤维的介电常数表7-14 常见纺织纤维的介电常数纤维介电常数r棉18羊毛5.5粘胶纤维8.4粘胶丝15醋酯短纤维3.5醋酯丝4.0锦纶短纤维3.7锦纶丝4.0涤纶短纤维，去油2.3涤纶短纤维4.2腈纶短纤维，去油2.83影响纤维介电常数的主要因素(1) 纤维内部结构对介电常数的影响(2) 外部因素对介电常数的影响图7-17 纤维介电常数与含水率的关系图7-18 频率对棉纤维介电常数的影响三、介电损耗1介电损耗在交变电场作用下，纤维材料的极性基团以及纤维内部的水分子会发生极化，极化分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换不断地作扭转交变取向运动，分子间发生碰撞、摩擦、生热，消耗能量。这种电介质在电场作用下引起发热的能量消耗，称为介电损耗。 （7-16）2介电损耗的利用介电损耗取决于介电常数r和介电损耗角正切tg。r和tg主要由纤维的组成和结构决定，与电场频率有关。干燥纤维材料的介电常数一般为25，tg为0.00l0.05，而水的介电常数为2080，tg为0.151.2，所以水的介电损耗因数至少比干燥纺织纤维大几十倍。四、纺织纤维的静电1静电现象所谓静电现象是指不同纤维材料之间或纤维与其它材料之间由于接触和摩擦作用使纤维或其它材料上产生电荷积聚的现象。织物表面比电阻s ()21010210112101221013210142101521016电荷半衰期t1/2(S)0.010.11.0101001