纺织材料学课件.ppt

苏州大学纺织与服装工程学院纺织工程专业本科教程杨旭红 纤维材料学 第一章纤维结构基本知识 Back 第一节纤维结构的层次概念 一 纺织纤维的结构层次结构 指在平衡态分子中原子的几何排列 分子结构 及分子与分子之间的几何排列 聚集态结构 远程结构 二次结构 涉及链的长度以及构像 链的形态 纤维大分子的链结构 近程结构 一次结构 长链分子的化学结构及其化学的与立体的异构 成纤高聚物大分子链相互间的几何排列及结构形态 纤维的聚集态结构主要研究和分析各种纤维长链分子的堆砌方式 如有无结晶 如何形成 结晶形态 晶区与非晶区的异同 以及长链分子与纤维轴的平行程度等 形态结构 多重原纤结构 断面结构 外观与表面形态 孔隙 裂纹等 纤维大分子的聚集态结构 二 成纤高聚物的结构要求 1 从大分子形态上看 具有一定的长度和细度 有较高的长径比 2 从聚集态结构的角度看 分子排列有一定的取向度或各向异性 有形成部分结晶结构的能力 同时还要保留有一定的无定形区 非结晶区 3 从大分子组成和化学结构上看 大分子应是线形长链分子 支链较短 侧基要小 且大分子间作用力要小 同时 相对分子质量要高 第二节纤维的分子链结构 一 纤维分子链的组成与结构链节 成纤高聚物长链分子中最小化学组成的重复结构单元 聚合度 大分子中基本结构单元的重复数 p 15表1 1主要纤维的基本结构单元 链节 一 链的几何异构 二 链的键接异构 三 链的支化异构 四 链的旋光异构 五 链的序列结构 二 纤维分子链的分子量与分布 一 纤维高分子的相对分子质量纤维高分子聚合度与分子量可按不同的统计方法计算出来 因此 是一个统计平均值 在化学纤维生产中 经常将分子量及其分布作为控制生产和改进产品质量的重要手段 二 分子量及其分布由于统计方法不同 有各种平均分子量的定义方式 使用较多的是数均分子量和重均分子量 三 纤维分子链的构型 构象和能垒的概念 构型 指某一原子的取代基在空间的排列 它是分子为化学键所固定着的几何形态 构象 由于单键内旋转而形成的原子在空间的排布 内旋转 单键绕轴作自身回转 自由链段 单基与单基沿大分子链的方向形成连结 在纤维大分子之间侧向会形成一定的连结 但在两个形成了连结的连结点之间必须有一段长度的链是自由的 这段链段称为自由链段 纤维大分子主链上常有各种各样的原子或基团 它们对相邻分子链上的原子或基团发生影响同一分子链上的原子或基团纤维大分子 1 受同一主键上相邻原子或基团的近程力作用 2 受同一主键和相邻主键的远程力作用 最后停留在一个对它来说来自各方面斥力相平衡的位置上 能垒 或势垒 内旋转活化能 若原子或基团之间斥力最小与最大的位置分别取为势能的最低值与最高值 则两者之差为能垒 能谷 势能 位移 曲线中峰值间的凹陷部位 三 纤维大分子的柔性和刚性 链的柔顺性 柔曲性 在外力作用下分子链伸直 外力去除 分子链自行卷曲 纤维大分子在刚柔程度上表现出的一定的柔性和一定的刚性称为链的柔顺性 链段由若干链节所组成 是长链分子中可以独立发生运动的单元 链段长度是表征长链分子柔顺性的一个参数 链段长度越短 链段数越多 该长链分子越柔软 第三节纤维的聚集态结构 纤维的聚集态结构是指纤维大分子链之间的作用与堆砌方式 又称为超分子结构或凝聚态结构 据此形成的有高聚物的结晶结构 非晶结构 取向结构 液晶结构 以及通过共混形成的织态结构或高分子合金结构等 一 纤维的结晶结构 一 成纤高聚物的结晶形态结晶结构 成纤高聚物分子链以整齐有序的方式排列 形成较为规则有序且相对稳定的点阵排列结构 非晶结构 不形成上述结构的具有非晶的结构特征 结晶区 成纤高聚物中具有结晶结构的区域称作结晶区 非晶区 或称为无定形区 分子聚集状态呈不规则排列的区域 常见的结晶形态 1 折叠链片晶2 伸直链片晶3 纤维状晶体4 单晶体5 多晶体 二 成纤高聚物的结晶模型 1 缨状胶束结构 又称缨状微胞结构 模型特点 1 纤维中有胶束组成的规则的晶区合胶束与胶束间区域形成的非晶区 无定形区 2 胶束由分子集束而成 但长度比分子链要短得多 3 大分子链在胶束间互相穿插 把晶区合非晶区联结起来 4 无约束条件 外力 下 纤维中胶束随机分布 如有拉伸 胶束沿外力场排列 缨状胶束结构模型对某些天然纤维的结构合性能的关系 如吸湿性 染色性 可作很好的解释 但无法解释纤维中有片晶 纤维状单晶合球晶结构 故修正建立缨状原纤结构模型 与缨状胶束结构模型相同点 仍认为纤维中有分子排列规整与不规整两个部分 并为一个或多个分子贯穿 不同点 缨状原纤结构模型还认为 1 排列规整的部分只是连续的缨状原纤 由来自不同方向的漫散分子组成 2 晶格可以有些畸变 处于结晶部分的原纤可有微小曲率或形成支化 3 从结晶部分向非晶部分逐渐过渡 两部分周界不能很清晰地分开 此模型适合天然纤维 再生纤维的分子聚集态结构 但不适合合纤 2 缨状原纤结构模型 3 折叠链结构模型 特点 1 纤维中存在规整和不规整两部分 规整部分由折叠的分子链组成 2 一个折叠部分可由一根或几根的分子链所组成 具有片晶的特性 3 晶区和非晶区由缚结分子所联接 4 晶区和非晶区有松弛的末梢和圈环 有时也称折叠链 缨状原纤结构 缚结分子 在晶区之间相连的分子 目前对结构和性能的关系的解释 一些天然纤维 如丝 毛 棉 和再生纤维素纤维 用缨状胶束或缨状原纤结构模型 锦纶 涤纶等合纤 用折叠链结构模型 三 结晶结构的晶系与晶胞特征 一 晶系与晶胞特征晶格 在分子排列规整的结晶区中 质点 原子 原子团 基团 通过整齐排列所形成的空间格子 晶胞 单胞 构成这些空间格子的最基本单元 最小重复单元 晶胞参数 每一个单胞有六个基本参数 边长a b c 沿边长方向叫晶轴 晶轴间夹角 七个晶胞类型 七大晶系 p 17表1 2 纤维中的蚕丝和粘胶纤维均为单斜晶系 a b c 90 涤纶纤维则为三斜晶系 a b c 微粒 在纤维中指原子 原子团和基团的中心 四 结晶结构对纤维性能的影响 结晶度增大 长链分子间的敛集密度将随之增大 纤维比重 断裂强度 初始模量 尺寸稳定性等都会有所提高 但染色性将有所下降 结晶度对于纤维回弹性和疲劳强度等的影响比较复杂 要根据长链分子间物理结点的形成量 分布以及链段活动被限制程度等多方面的综合分析才能确定 二 纤维的非晶结构 关于非晶区的结构形式 有多种观点 1 无规线团模型2 认为纤维结构中的无序区是由结晶区的缺陷所形成的 结晶区内的分散性缺陷 是高聚物结构的局部不规整 3 侧序结构 三 纤维的取向结构 取向 纤维中大分子沿纤维轴方向取优势排列的趋向 取向度 纤维的大分子链节与纤维轴的平行程度 取向度高有利于提高纤维的结晶度 但结晶度高的纤维不一定同时也有较高的取向 四 纤维的原纤结构 一 原纤的层次结构纤维是由多重层次的原纤组成的 完整的原纤结构应有五个层次 但并不是所有的纤维都有这五个层次 它们是 1 基原纤 proto fibril或elementaryfibril 基原纤是线状多晶体的一种别称 也是原纤中最小的结构单元 一般地说 它是由几根以至十几根长链分子 互相平行地 按一定距离 一定相位 比较稳定地结合在一起组成的大分子束 直径为1 3nm 具有一定的柔曲性 2 微原纤 micro fibril 由若干根基原纤平行排列组合在一起形成的大分子束 在微原纤内 基原纤与基原纤之间已可存在缝隙和空洞 如果是天然纤维 其中还可能掺填一些其他成分的化合物 直径大约是4 8nm 3 原纤 fibril 原纤是由若干根微原纤大致平行组合在一起形成的更为粗大的大分子束 原纤中存在着比微原纤中更大的缝隙和空洞 还有序态较差的非晶态部分 天然纤维中还可能夹杂一些其他成分的化合物 原纤的直径通常为10 30nm 4 巨原纤 macro fibril 巨原纤是由多个原纤堆砌在一起组成的更大分子束 就一部分多细胞的天然纤维而言 它是组成该纤维的一个细胞 原纤之间的联结主要靠穿越非晶区的大分子主链和一些其他的物质 巨原纤的横向尺寸一般为0 1 1 5 5 纤维 fibre 纤维是由巨原纤堆砌在一起组成的 巨原纤之间的联结应较为疏松 同时也必然包含更多更大的缝隙和空洞 二 典型纤维的原纤结构 1 羊毛纤维在羊毛纤维大分子主链的平行排列区段上 会形成由2 3根大分子链捻合形成的基原纤 直径约2nm 有时也会形成由7个大分子组成基原纤 然后这些基原纤再以中间2根周围7根的方式组成一根微原纤 直径约11nm 在纤维的结晶区内 这些微原纤再以基本平行 略有螺旋 的方式组成原纤 直径在30nm左右 然后这些结晶区中的原纤再平行排列组成巨原纤 纤维品种不同 巨原纤的粗细差别很大 在100 350nm之间 同时 从微原纤开始 羊毛纤维中即出现有空隙 2 蚕丝纤维蚕丝纤维也有十分完善的原纤结构 蚕丝各级原纤的直径尺寸 p 111表5 2 蚕丝最初的基原纤也是由2 3个分子组成的 然后再由4 6根基原纤组成微原纤