纺织材料学纤维的细度.ppt

第二章纺织纤维的形态及基本性质 本章知识点1 纤维的细度 长度 长度分布 卷曲及拉伸强度指标的定义2 异形截面纤维的特征与指标 3 纤维细度 长度指标与可纺性及纺织品性能的关系 4 纤维的回潮率 公定回潮率以及吸湿机理 吸湿性对性能的影响 第一节纤维的细度及其分布 纤维细度是指纤维粗细的程度 一 纤维的细度表征纤维的细度指标有直接和间接两种 直接指标是纤维粗细的指标 一般用纤维的直径和截面积表示 适于圆形纤维 间接指标是以纤维质量或长度确定 即所具有的质量 定长制 或长度 定重制 表示 无截面形态限制 定长制有纤度或称旦数 Den 和线密度或称特数 tex 分特数 dtex 定重制有公制支数 1 分特数Ndt dtex 我国法定的线密度单位为特克斯 tex 简称特 表示千米长的纤维或纱线在公定回潮率时的质量克数 而为规范应用于纤维 采用更细的分特 dtex 表达 即万米长的纤维所具有的质量克数 为1 10特 特的计算为 2 旦数ND旦数即旦尼尔数 Denier 较多地用于丝和化纤长丝中 又称纤度 是指9000m长的纤维在公定回潮率时的质量克数 即 3 公制支数Nm公制支数简称支数 是指在公定回潮率时1g纤维或纱线所具有的长度米 m 数 即 4 直径与截面积通过光学显微镜或电子显微镜观测直径d和截面积A 常用于羊毛及其他动物毛 圆形化学纤维的细度表达 由于纤维很细 以微米为单位 近似圆形的计算为纤维直径d可用于长丝线密度的计算 设纤维的密度为 g cm3 则 可以看出纤维细度值相同时 其的直径可能不同 即有纤维密度的影响 其间换算为式中 下标1 2表示两种不同的纤维 二 纤维细度不匀指标纤维的细度不匀主要包括二层含义 一是纤维之间的粗细不匀 一是纤维本身沿长度方向上的粗细不匀 以往的表达 较多地关注纤维间的不匀 甚至更严格地说是纤维集合体之间的不匀 因为习惯采用的指标是平均概念的 细度 纤维如此细小 几乎无人去一段段地切开 称重 完成细度的测量 现代光电和图像分析测量方法提供了对单根纤维间细度 直径 不匀的测量 如光学纤维直径分析仪 OFDA 和激光纤维直径分析仪 SiroLan LaserScan 甚至可以测量单根纤维内的直径不匀 即纤维的轮廓 如单纤维分析仪 SIFAN 远非过去切断称重 气流仪等的测量 只能给出纤维平均细度 无法给出纤维的细度不匀 1 细度不匀的概念 1 对天然纤维天然纤维在生长过程中 因为自然环境和各方面因素的影响 生长的纤维在粗细 形态上存在很大的差异 同一棉包的棉纤维 因胞壁厚度 生长部位的不同而粗细不同 同一根棉纤维还两端细 中段粗并截面形态变化 同一毛包的毛纤维 不仅纤维间因在羊体上的生长部位不同而粗细不同 变异系数达20 35 而且单纤维因生长季节和营养的影响也会有明显的粗细差异 粗细差异可达3 10 并且有截面形态的变化 蚕丝本身粗细差异在总长度上较为明显 茧外层和内层的丝较细 中间主茧层的丝相比较粗 由于缫丝的合并 均匀性较好 麻纤维的粗细差异更大 不仅单纤维的粗细差异大 变异系数达30 40 而且工艺纤维因分离的随机性粗细差异更大 应该说对纤维粗细不匀的表征 只有毛做得较好 可能是因为其直径和直径不匀太为重要 棉 麻 丝都未有很好的测量分析 2 对化学纤维化纤短纤维与天然纤维一样 甚至更糟 很少表达细度不匀 因为一方面其被认为细度均匀性比天然纤维好 一般CVd 10 另一方面已有的表征方法大多由天然纤维引出 化纤成为附带 但这种情况将随着人们对纤维细度不匀表征技术的发展 会得到改善 化纤长丝的粗细不匀是工业加工中的主控参数 因为其关系到纺丝的连续性及可控性 或称可纺性 和后处理加工的容易性 以及成丝质量 一般CV控制在5 以内 故有专门的测量 如UsterIII型 但大多为长丝束和成品测量 2 细度不匀指标及分布 1 不匀率指标根据细度的定义 细度不匀的指标合理的只能是几何粗细的表达 线密度类指标 间接指标 只能反映纤维集合体的细度总体差异 如气流仪法 切断称重或摇取长度称重法 是纤维团间或纤维段间的不匀 因此 直径不匀是纤维细度不匀的最主要和有效的指标 其包括直径均方差及变异系数CV 以及平均差及平均差系数 这在纱线中使用 2 纤维间细度不匀的分布可以参照纤维长度分布的原理 表达纤维的细度 直径 不匀 其典型分布曲线为图3 16 纤维的平均直径 变异系数CVd均可求得 图3 16纤维直径分布直方图及分布曲线 纤维粗细的不匀会引起纱条不匀 粗纤维易产生刺痒感 细纤维易弯曲缠绕和折钩影响纺纱加工 而纤维内的直径偏细 则可能引起纤维的弱节 所以分布测量就是关注偏粗 偏细纤维的含量 尤其是细节纤维的含量 三 纤维细度及分布的测量方法1 称重与长度的测量称重与长度结合的测量 简称称重法 主要解决纤维的线密度指标测量 有纤维中段切断的称重和长丝摇取定长的称重 中段切断称重法是将纤维理成平行伸直 无游离纤维A和长度短于切断长度LC的纤维B 图3 17 然后将纤维切断称重G 并点数中段纤维根数n 图3 17中段切断称重法示意图 LC的大小由纤维的平均长度粗略确定 一般棉LC 10或20mm 毛麻一般LC为20或30mm 有专用的切刀 见图3 17右图 LC太短测量精度会受影响 LC太长 纤维长度有限制 且纤维在切刀中的伸直和平行难度增大 由此计算纤维的线密度值 式中 Wk和Wa分别为纤维的公定和实际回潮率 通常在标准条件下测量 所以式中 g为所称重量 mg 中段切断称重法一般适用于伸直性较好的纤维 如棉 麻 丝 卷曲小的化纤等 其本身起源于棉纤维的细度评定 由于棉纤维短绒 16mm或 20mm 被梳去 且棉的中段偏粗 故实测细度偏粗 测量重点是数纤维根数 纤维根数必须n 1500根 即1 5 2mg的试样 n小了 试样代表性差 n大了点数的出错和花时要增加 尽管如此 该方法却是其他间接指标测量方法的校验基础 2 直径测量法直接指标直径的测量是发展较快的 主要为国外的工作 基本方式还是传统的显微观测 只是容入了试样自动移动 光电信号转换 图像处理和计算机技术 1 传统的显微镜观测法此方法又称为显微镜投影测量法 多用于圆形或近圆形纤维直径的测量 源于近圆形羊毛纤维的测量 其原理是通过普通光学显微镜加投影棱镜 使纤维形态放大投影在平面上 由专用的标尺卡量纤维的直径 并计数根数ni 满300根以上后 计算直径均方差不匀率CVd 而CCD摄像器和计算机相联的显微镜可以方便地在电脑屏幕上进行人工测量和计算机自动测量与计算 得到纤维直径的各类指标 如 CVd D d等 以及直径分布图 只是速度较慢 人工干预较多 光学显微镜法尽管操作繁杂 改进后有所改观 但其基本原理和方法是其他直接指标测量的基础 并成为其他方法或计算机图像处理结果的校准方法 2 OFDA法1991年前 瑞士Peyer公司和澳大利亚新南威尔士大学共同开发的 光学纤维直径分析仪OFDA OpticalFiberDiameterAnalyser 是当今此类产品的元祖 现有OFDA100型仪器 功能和性能都有提高 OFDA不仅可以测定羊毛及其它动物纤维的平均直径及直径分布 还可测定髓腔纤维含量 纤维弯曲度 纤维清洁度及纤维直径不匀等指标 图3 18 除了OFDA100型仪器外 OFDA2000和OFDA4000型仪器也开始使用 OFDA测量的基本原理与光学显微镜测量测量一样 只是试样可自动分离散落 试样台可自动x y方向顺序移动和快速复位 计算机配备专门软件 快速识别 分离和测量纤维直径和卷曲 给出纤维直径分布图及各指标 不仅快速 min 大样本 2000根 准确 干扰因素少 而且适合于几乎所有的纤维 是目前羊毛直径检测中IWTO的标准方法 图3 18OFDA100测量仪 3 激光纤维直径测量法20世纪70年代 澳大利亚联邦科学工业研究组织 CSIRO 羊毛技术研究所应用激光技术对羊毛纤维直径进行了实用性 仪器化的测量 推出了纤维细度分析仪 目前商品化的是Sirolan Laserscan激光扫描纤维直径分析仪 为澳大利亚羊毛检验局 AWTA 羊毛直径分析仪的专用仪器 可用于纤维直径 变异系数 卷曲率 粗纤维含量 以及直径分布图的测量 基本原理如图3 13 是分散的纤维段在液体的带动下 经过一毛细管时平行管轴移动 利用纤维段对激光的遮挡量给出纤维的直径 可在2min内测量 有效纤维 根数4000根以上 给出直径分布图 尽管测量中由纤维交叠 或垂直影响测量准确性 但通过剔除 即只测 有效纤维 来回避 以大样本概率达到精准 故在羊毛中为IWTO采纳的标准测量方法 由于使用异丙醇分散液 对化纤测量可能存在溶解或溶胀 一般专用于毛发类纤维 图3 19激光扫描纤维直径测量原理图 气流仪很早就用于棉纤维细度的测量 是一种快速 简便 精确的测量方法 基本原理如图3 20所示 是依据气流通过纤维塞时 两端的压力差 或气流的流量Q与纤维塞的气阻R有关 而气阻R又与纤维塞的填充率 和所填充纤维的粗细d有关 即与纤维间的气流通道大小 纤维塞的空隙率 和通道表面积S0有关 图3 20气流仪测量纤维细度原理示意图 流仪测量可采用定压差测流量 定压法 或定流量测压差 定流法 来表达纤维集合体中纤维的平均细度值 但不能表达单根纤维的粗细 常用的方法是定压法 典型的代表Wira的纤维密度仪和Micronaire仪 已有60年的历史 但仍为标准方法 用于企业的棉 毛纤维细度的快速评价 由其测定的原棉细度为马克隆尼值M 接近线密度值 这是HVI系统测细度和成熟度的原模型 而气流仪法在纤维原料流通领域中已逐渐被HVI OFDA和LaserScan所取代 4 振动测量法振动法测纤维细度也有历史了 主要适用于圆形 长度较长 30mm 的化学纤维 由于测量时必须加张力 故能适合于高卷曲纤维细度的测量 其原理如图3 21 就是一个琴弦结构 通过拨动被测纤维这根弦 使其产生振动 其固有振动频率与弦 纤维 的线密度nt以及弦长L和弦的绷紧张力T符合一定关系 由此 纤维的线密度可测得 如果与拉伸性能同测 将能获得该纤维的确切应力值 但该法是假设纤维为均匀粗细的圆形纤维 故纤维形态和粗细变化将会影响测量结果 图3 21振动 拨弦 法测纤维细度原理示意图 四 纤维细度及其不匀表征的意义1 基本现状应该说对已有四类方法的应用 棉纤维较多地采用气流仪法 其次为切断称重法 毛纤维几乎采用OFDA和LaserScan方法 其次为显微镜法和气流仪法 麻纤维为切断称重法 其次套用显微镜法或OFDA法 丝纤维大多为绞丝称重法 类切断称重 其次显微镜法 化纤短纤根据毛型 棉型分别采用各自纤维在纺织加工工艺体系中的测量方法 即上述 偶尔采用振动法测量 化纤长丝一般用绞丝称重 或显微镜法 其次为振动法 显然 麻 丝的细度测量是落后原始的 已有四类方法基本上是围绕纤维平均细度的概念进行的测量 显然 光学显微法 OFDA法 LaserScan法 甚至将切断长度Lc或自振长度L减少至几毫米 亦是纤维的或纤维束间的细度不匀 而对于一根纤维的纵向轮廓的测量 对实际加工可能意义不大 但对纤维的可加工性和最终产品的外观有影响 尤其是对高性能纤维的性质和高支纱的外观粗细影响甚大 这需要纤维纵向轮廓的快速与精细测量 虽然四类方法都能给出纤维的细度 但对纤维截面形态的表达却十分乏力 或干脆限制在圆形纤维或等效为圆形 快速 准确 尤其是快速地测量纤维形态 则细度及细度不匀也就测量完毕 2 细度及其不匀对纤维集合体性质的影响纤维细度及其不匀虽是几何尺度的概念 但对其本身和其集合体的结构与性质会产生多种影响 1 对纤维本身纤维的粗细将影响其比表面积 进而影响纤维的吸附性能和染色性质 纤维直径d愈小 SS愈大 可及的表面积愈多 但可接触点愈微小 因此 纤维变细 连续介质的可及性增大 单纤维变得易于吸 放湿和吸附染料 易于被加热和冷却 但单向机械接触因接触点的变小和变少 接触变得更温和与柔性 纤维变细还将影响反光面的曲率 形成更多的光散射 而内部的多次折射 反射 又使纤维乳白化 纤维变粗 将使纤维的弯曲刚度增大 点接触面积增大 纤维变得刚硬和触感粘涩 偏冷 更有趣的 纤维变粗会使纤维内外层的结构差异变大 造成纤维力学性质的不均匀和纤维成形的异形化 或加工过程冷却过慢而引起的异形截面形态的圆钝化 纤度变细 可及性增大 成形后的结构均匀性增大 纤维的力学性能提高 如碳纤维愈细 平均强度愈高 8的3 4GPa 5 6的5 7GPa 拉伸羊毛直径从19变为16 强度提高5 10 纤维变细易于成形凝固 形态不易钝化 但也引起对加工稳定性和精度的更高要求 对纤维细度不匀来说 纤维间的细度不同 会引起纤维力学性质的差异 形成集合体 纱线 堆砌排列的不均匀和加工控制及成形的困难 纤维内细度的不同 会产生纤维形态的粗细变化 直接导致纤维的细颈弱节 影响外观和品质 甚至影响最终的使用 2 对纱线纤维粗 单位截面内的纤维根数减少 堆砌松 接触点少 会引起纺纱的断头和加工困难 纤维细 纱截面中的纤维根数增加 有利于纤维间的相互接触和纱条均匀性的增加 使纤维的可纺性提高 但纤维易弯曲 缠绕和混乱排列 使纱的结构膨松 有序性下降 从纱线可纺性的经验可知 纤维长度L越长 纤维细度ND越细 纱线截面中纤维根数n越多 纤维自身的细度不匀CVd越小 可纺性S越好 3 对织物不同细度尺度纤维会极大地影响织物的手感 透通性和舒适性 影响见表3 4所列 表3 4中的计算 除纳米尺度是以纳米定义先定粗细尺度1 100nm 即0 001 0 1mm 再以纤维密度取值1 5 2 5g cm3计算纤维的细密度范围 因为纳米尺度纤