第8章 纺织材料的热学、光学和电学性质(1)

第第8 8章章 纺织材料的热学 光学和电学性质纺织材料的热学 光学和电学性质 1 1 第8章纺织材料的热学 光学和电学性质 纤维部分第1节纺织材料的热学性质 1 比热 定义单位质量的材料 温度升高 或降低 1 所需要吸收 或放出 的热量 反映材料温度变化的难易程度 材料的冷暖感 影响因素 1 水分 水的比热容大于干燥纤维的 故实际纤维材料的比热容与纤维材料 的回潮率有关1 比热 2 温度的影响 当纤维回潮率一定时 温度愈高 纤维回潮率的比热愈大 原因纤维吸湿热随温度升高而增大0 511 522 53010203040回潮率 比热 J g 80 40 20 0 2 导热系数 当材料的厚度为1m 两侧温差为1 时 1秒钟内通过1m2纤维材料传导的热量焦耳数 纤 维集合体是纤维与空气共同构成的复合体 存在三种传热方式 存 在水分的吸收与释放的潜热形式Q dT1T2 T2 T1 S 影响纤维集合体导热系数的因素 纤维因素 1 纤维的结晶与取向 2 纤维的细度和中空度 纤维细度越细 纤维制品的热辐射穿透能力越弱 纤维的中空度越大 越小影响纤维集合体导热系数的因素 集合体因 素 1 纤维排列方向0 1250 150 1750 20 2250 250 27501020304050 60708090纤维排列方向角 f 热传导能力 f热辐射方向纤维层 方向导热系数影响纤维集合体导热系数的因素 2 纤维集合体密度 静止干空气的导热系数最低 故其导热系数取 决于纤维中的孔隙量及孔隙中气体的流动性 在体积质量为0 03 0 0 6时导热系数为最小 为什么 00 050 10 150 20 25体积重量 导 热系数 两端压差大两端无压差静止空气影响纤维集合体导热系数 的因素 4 环境因素 温度上升 纤维分子的热运动频率升高 热量传递 能力增强 湿度 水的导热系数约为干纤维的几倍到一个数量级思考 如何选择夏季织物纤维材料 如何选择冬季织物纤维材料3 热作用 时的纤维性状 3 1力学状态转变 随着温度升高 纤维强度下降 延 伸性增大 模量降低 热塑性纤维在较高温度时发生软化 熔融的纤 维 涤纶 锦纶 丙纶 醋酯纤维 非热塑性纤维在较高温度时不发生熔 融而直接发生分解 炭化的纤维 纤维素类纤维和蛋白质纤维热机械曲线 测量纤维的伸长变形和弹性 模量随温度变化的曲线温度形变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T g T f a 温度lgET g T f 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 纤维材料热力学状态 非晶态高聚物曲线上存在三态玻璃态 高弹态 和粘流态 二区玻璃化转变区和粘弹转变区 完全结晶的高聚物 不 存在玻璃化转变及高弹态 纤维材料几乎都是晶态和非晶态混合的两 相结构 当结晶度较低时 纤维的性质接近非晶态高聚物所特有的力 学三态及其转变特征 随结晶度的增大 玻璃化转变和高弹态的特征 在减弱3 2力学状态及其转变的机理 1 玻璃态 运动特点 低温 分子热运动能低 链段处于被 冻结 状态 侧基 链节和短小支链等小运动单元的局部振动及键长 键角的变 化 力学特征 纤维弹性模量很高 变形能力很小 具有虎克体行为 纤维坚硬 类似玻璃热力学状态 2 玻璃化转变区 在3 5 范围内 几乎所有物理性质均发生突变 运动特点 温度升高 分子链段开始解冻 热运动能足以克服主链的内旋转位 垒绕主链轴旋转 分子构象发生变化 对应的温度范围称为玻璃化温 度 用T g表示 非晶态高聚物大分子链段开始运动的最低温度 或由玻璃态 向高弹态转变的温度热力学状态 3 高弹态 运动特点 大分子链段可以运动的状态 但没有分子链的滑移 整个分子链仍 处于冻结状态 分子链可以通过主链上单键的内旋转和链段运动来改变构象 适应 外力作用 分子链被拉直 解除外力后 被拉直的分子链又可以恢复原来的卷曲状态 力学特征 有较大的变形和恢复能力热力学状态 4 粘弹转变区 运动特点 分子链能够发生整体位移 纤维表现流动性 模量迅速下降 形变 迅速增加 对应的温度范围称为流动温度 用T f表示 非晶态高聚物大分子链相互滑动的温度 或由高弹态向粘流 态转变的温度热力学状态 5 粘流态 大分子链段运动加剧 大分子链间发生相对位移 产 生不可逆变形 纤维呈现粘性液体状3 3常见纺织纤维的三态转变温 度纤维玻璃化温度T g 软化点T m 熔点T f 分解点T d 熨烫温度 棉230 150200羊毛60或80 63 1135180蚕丝 150160麻 253100粘胶260 300110醋酯186195 205290 300 110锦纶647 65180215 125 145锦纶6682225253300120 140涤纶80 67 90235 240256 160腈纶90190 240 280 300130 140维纶85干 220 230水 110 干 150丙纶 35145 150163 175 100 120氯纶8290 100200 30 403 4热定形与变形 热定形目的是使纤维的内部结构或织物形状 在热作用下固定并获得一定的尺寸 变形是使纤维材料获得卷曲和膨 松的效果 3 4 1热定形及其机理 1 合成纤维 采用高于玻璃化温度 低于晶体熔融温度的热处理 主要是针对无定形区大分子 通过分子链内旋转 调整分子构象 消除纤维局部内应力 产生或 增加少量结晶 冷却后 上述结构保留下来 并在温度不超过定形温度时状态保持 不变热定形 2 棉 麻类纤维 无热定形机制 力学松弛过程 3 羊毛类 二硫键 无序区 热 湿和张力 新位置重建 分子间结构稳定 4 蚕丝 丝胶 起定形固化作用热定形 3 4 2热定形效果的持久性 永久性T g温度高于一般使用温度 涤纶 锦纶 暂时性棉 麻 半永久性羊毛 3 4 3热定形的方法 根据 收缩程度张力定形和松弛定形 根据加热形式干热空气 接触 水蒸 气湿热和浴液定形3 4 4影响热定形效果的主要因素 1 温度 温度太低 分子链段无法运动 构象无法改变 温度太高 纤维及其织物颜色变黄 手感发硬 定形温度不能超过熔点温度 不允许超过T m T m 结晶消失 其他染料升华 结晶度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120 130120 130190 2 10羊毛90 100100 1xx0 150锦纶66100 1xx0 1xx0 190腈纶125 135 130 140丙纶100 1xx0 130130 140影响热定形效果的主要因素 2 时间 纤维升温的需要 分子链段调整的需要 3 张力 织物平整度的需要 织物风格滑爽挺括 大 厚而柔软 小 4 冷却速度 快 位置固定快 无定形区多 柔软 富有弹性 并便于染色 慢 结晶颗粒粗大 织物弹性下降 手感变硬 5 定型介质 水 增塑剂3 4 5热变形加工 利用热塑性原理 速度更快 温度偏高 张 力较大 温度可能超过熔点 特征局部性 聚集态结构变化 空间形 态改变4 纤维的耐热性 耐热性 指纤维耐短时间热作用后力学性能的保持性 热稳定性 纤维在热作用下的结构形态和组成的稳定性 4 1纤维的耐热性 1 纤维受不同温度但一定时间作用后 纤维力学性能的保持率 2 纤维随温度升高而强度降低的程度表示力学性能保持率纤维在 20 未加热在100 经过20天在100 经过80天在130 经过20天在13 0 经过80天棉10092683810亚麻10070412412苎麻1006226126蚕丝10 07339 粘胶10090624432锦纶10082432113涤纶100100969575腈纶100100100 9155玻璃纤维1001001001001004 2形态的稳定性 在温度作用下纤维外观形态的稳定 主要指纤维的热收缩性 原因高 牵伸形成的分子取向与伸直状态 在热作用下解序收缩所致 表征热 收缩率 可分为沸水收缩率 热空气收缩率和饱和蒸汽收缩率之分 影响因素牵伸倍数 温度 介质的影响 水分 影响对象织物尺寸 稳定性 外观 开发产品收缩率 0246810121416PA6PA66PET纤维 品种沸水饱和蒸汽热空气图7 10合成纤维的热收缩率4 3抗熔孔性 织物在接触到点状热体时 形 成孔洞的性能 热体类型烟灰的火星 火花等 纤维特点受热软化 熔融 热塑性纤维 原因当接触到温度超过其熔点的热体时 接触部位因吸 收热量而熔融 熔体向四周收缩 形成孔洞 现象热体脱离 已熔 断的纤维端就相互粘结 孔洞不再继续扩大 抗熔孔性 形成熔孔条件 1 温度高于纤维的熔点或分解点 2 足够的热量 与时间有关 吸收热量差别的原因纤维吸湿性 水的比热4 18 导热性差异涤纶 锦纶导热快纤维升温范围 吸收热量 J g 比热 J g 棉50 280293 11 21 1 34羊 毛50 250397 81 36涤纶50 250117 21 34锦纶50 2xx6 21 84测 定方法 1 落球法热球接触落下 表征最高温度或其1 10 停留时间 抗熔性大于450 是良好的 2 烫法热体接触 表征接触状态 或用纸烟 出孔时间抗熔性能 影响因素 1 混纺纤维的种类和比例 2 织物的平方克重与组织5 纤维的燃烧性质 纤维遇明火使其快 速热降解 并分解物持续燃烧 维持纤维的裂解 燃烧和炭化过程 5 1评价指标 1 极限氧指数 耐燃性指标 纤维点燃后 在氧 氮大气里维 持燃烧所需要的最低含氧量体积百分数 LOI越大 说明材料难燃 10 0222 N OOVVVLOILOI与纤维燃烧性能分类分类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 PBO PBI PPS纤维难燃26 34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20 26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 粘胶纤维等纤维的燃烧性质 2 点燃温度 燃烧时间和燃烧温度 燃烧性指标 点燃温度 纤维产生燃烧所需的最低温度 是燃烧的激发点温度 称着火点温 度 燃烧时间 纤维放入可燃环境中 观察纤维从放入到燃烧所需的时间 燃烧温度 材料燃烧时 火焰区中的最高温度值主要纺织纤维的燃烧性比较纤 维T I T B 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37071026 30 Nomex43027 30kynol430 576250029 30杜勒特35 385 2纤维阻燃途 径 原理阻止或减少热分解 隔绝或稀释氧气 快速降温 途径 1 制造难燃纤维 在纺丝原液中加入防火剂或用合成的难燃聚合物纺丝 2 阻燃 阻燃剂处理 3 通过与难燃纤维混纺 以提高纤维的难燃性 第2节电学性质 1 导电性质 比电阻 1 体积比电阻 v cm 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 比电阻 2 表面比电阻 S 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 纤维柔软细长 体积或截面积难以测量 通常纤维导电主要发生在表面 3 质量比电阻 m g cm2 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 影响纤维比电阻的因素 1 回潮率W m K Mn m 影响纤维比电阻的因素 2 温度 T 导电性能增加 纤维和杂质等电离的电荷数 增多 纤维体积增大 每升高10 比电阻约降低5倍左右影响纤维 比电阻的因素 3 纤维上的附着物 油剂 棉蜡 油脂 表面活性剂 4 其他因素 电压 测量时间 电极材料2 介电性质 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 介电常数 在电场中 由于介质极化而引起相反电场 将使电容器的电容变化 其变化的倍数 0rCC 常见纺织纤维的介电常数纤维介电常数棉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 8材料或纤维介 电常数材料或纤维介电常数棉6涤纶3 02羊毛6锦纶4蚕丝4 2水80 8 1粘纤7 7真空1醋纤3 5 6 4空气 11KHZ50HZ影响 大小的因素 1 内因 电介质的密度体积重量或密度愈大 纤维间的空气量 极化率纤维分子极化程度 2 外因 温度T 频率用直流电压 最大 f 回潮率W 水的 最大 介电常数的影响因素3 纺织 材料的静电 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 2 10102 10112 10122 10132 10142 10152 1016电荷半衰期t1 2 S 0 010 11 010100100010000lg s 1312 1311 1210 11 10抗静电作用没有很少中等相当好好静电 的影响 1 生产 纺 织部静电压 500v 地毯和加工羊毛 麻 棉 粘胶 涤纶