东华大学 纺织材料学 第1,2,3,4章

1、一、纤维定义与要求一、纤维定义与要求 纤维纤维指长宽比在指长宽比在10103 3数量级以上、粗细为几微米到上百微米数量级以上、粗细为几微米到上百微米的柔软细长体，有连续长丝和短纤之分。的柔软细长体，有连续长丝和短纤之分。传统纤维：直径为几微米到上百微米的纤维传统纤维：直径为几微米到上百微米的纤维纳米纤维纳米纤维：直径在：直径在纳米尺度纳米尺度（1-100纳米）纳米）的纤维的纤维（纳米复合纤维纳米复合纤维：含有纳米颗粒的改性纤维）：含有纳米颗粒的改性纤维）2. 2. 纺织纺织纤维应具备的基本性能纤维应具备的基本性能 l 一定的长度和长度整齐度；一定的长度和长度整齐度；l一定的细度和细度均匀度；一

2、定的细度和细度均匀度；l一定的强度和模量；一定的强度和模量；l一定的延伸性和弹性；一定的延伸性和弹性；l一定的抱合力和摩擦力；一定的抱合力和摩擦力；l一定的吸湿性和染色性；一定的吸湿性和染色性；l一定的化学稳定性。一定的化学稳定性。l对于特殊用途的纺织纤维还应具备一些对于特殊用途的纺织纤维还应具备一些特殊的要求，如阻燃、抗菌等。特殊的要求，如阻燃、抗菌等。 二、纤维的分类与命名二、纤维的分类与命名1 1按来源分：按来源分： 天然纤维天然纤维(natural fiber)(natural fiber) 化学纤维化学纤维(manufactured fiber(manufactured fiber）

3、2 2其他分类其他分类分类分类定义定义组成物质组成物质纤维来源纤维来源植物植物纤维纤维取自于植物种取自于植物种子、茎、韧皮、子、茎、韧皮、叶或果实上获得叶或果实上获得的纤维的纤维主要组成物质为主要组成物质为纤纤维素维素，并含有少量，并含有少量木质素、半纤维素木质素、半纤维素等，含量比随纤维等，含量比随纤维的不同而不同的不同而不同种子纤维：取自植物种子表面的单细胞纤维，如棉种子纤维：取自植物种子表面的单细胞纤维，如棉及彩色棉和转基因棉等纤维；韧皮纤维：取自植物及彩色棉和转基因棉等纤维；韧皮纤维：取自植物韧皮中的纤维，如苎麻、亚麻、大麻、黄麻、红麻、韧皮中的纤维，如苎麻、亚麻、大麻、黄麻、红麻、罗

4、布麻、苘麻等；叶纤维：取自植物叶子的纤维，罗布麻、苘麻等；叶纤维：取自植物叶子的纤维，如剑麻、蕉麻、菠萝叶纤维、香蕉茎纤维等；果实如剑麻、蕉麻、菠萝叶纤维、香蕉茎纤维等；果实纤维：取自植物果实的纤维，如木棉、椰子纤维；纤维：取自植物果实的纤维，如木棉、椰子纤维；竹纤维：取自竹类茎杆的纤维，如竹子纤维。竹纤维：取自竹类茎杆的纤维，如竹子纤维。动物动物纤维纤维取自于动物的毛取自于动物的毛发或分泌液的纤发或分泌液的纤维维主要组成物质为主要组成物质为蛋蛋白质白质，但蛋白质的，但蛋白质的化学组成有较大差化学组成有较大差异异毛纤维：取自动物的毛发，由角蛋白组成的多细胞毛纤维：取自动物的毛发，由角蛋白组成的

5、多细胞结构的纤维，如绵羊毛、山羊毛、骆驼毛、驼羊毛、结构的纤维，如绵羊毛、山羊毛、骆驼毛、驼羊毛、兔毛、牦牛毛、马海毛、羽绒、野生骆马毛、变性羊兔毛、牦牛毛、马海毛、羽绒、野生骆马毛、变性羊毛、细化羊毛等；丝纤维：指由昆虫的丝腺分泌物毛、细化羊毛等；丝纤维：指由昆虫的丝腺分泌物形成的纤维，如桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝、木署蚕形成的纤维，如桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝、木署蚕丝、天蚕丝、樗蚕丝、柳蚕丝、蜘蛛丝等。丝、天蚕丝、樗蚕丝、柳蚕丝、蜘蛛丝等。矿物矿物纤维纤维从纤维状结构的从纤维状结构的矿物岩石获得的矿物岩石获得的纤维纤维二氧化硅、氧化铝、二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁等氧化铁、氧化镁等各类石

6、棉，如温石棉、青石棉、蛇纹石棉等各类石棉，如温石棉、青石棉、蛇纹石棉等分类分类定义定义纤维纤维再生再生纤维纤维以天然高聚物为原以天然高聚物为原料制成浆液其化学料制成浆液其化学组成基本不变并高组成基本不变并高纯净化后制成的纤纯净化后制成的纤维维再生纤维素纤推再生纤维素纤推：指用木材、棉短绒、蔗渣、麻、竹类、海藻等：指用木材、棉短绒、蔗渣、麻、竹类、海藻等天然纤维素物质制成的纤维，如天然纤维素物质制成的纤维，如粘胶纤维粘胶纤维、Modal纤维、铜氨纤维、纤维、铜氨纤维、竹浆纤维、醋酯纤维、竹浆纤维、醋酯纤维、Lyocell纤维、富强纤维等；再生蛋白质纤纤维、富强纤维等；再生蛋白质纤维：指用酪素、大

7、豆、花生、毛发类、丝素、丝胶等天然蛋白质制维：指用酪素、大豆、花生、毛发类、丝素、丝胶等天然蛋白质制成的，绝大部分组成仍为蛋白质的纤维，如酪素纤维、大豆纤维、成的，绝大部分组成仍为蛋白质的纤维，如酪素纤维、大豆纤维、花生纤维、再生角朊纤维、再生丝素纤维等；再生淀粉纤维：指花生纤维、再生角朊纤维、再生丝素纤维等；再生淀粉纤维：指用玉米、谷类淀粉物质制取的纤维，如聚乳酸纤维（用玉米、谷类淀粉物质制取的纤维，如聚乳酸纤维（PLA）；再）；再生合成纤维：指用废弃的合成纤维原料熔融或溶解再加工成的纤维。生合成纤维：指用废弃的合成纤维原料熔融或溶解再加工成的纤维。合成合成纤维纤维以石油、煤、天燃以石油、煤

8、、天燃气及一些农副产品气及一些农副产品为原料制成单体，为原料制成单体，经化学合成为高聚经化学合成为高聚物，纺制的纤维物，纺制的纤维涤纶涤纶：指大分子链中的各链节通过酯基相连的成纤聚合物纺制的：指大分子链中的各链节通过酯基相连的成纤聚合物纺制的合成纤维；合成纤维；锦纶锦纶：指其分子主链由酰胺键连接起来的一类合成纤：指其分子主链由酰胺键连接起来的一类合成纤维；维；腈纶腈纶：通常指含丙烯腈在：通常指含丙烯腈在85%以上的丙烯腈共聚物或均聚物以上的丙烯腈共聚物或均聚物纤维；纤维；丙纶丙纶：分子组成为聚丙烯的合成纤维；维纶：聚乙烯醇：分子组成为聚丙烯的合成纤维；维纶：聚乙烯醇在后加工中经缩甲醛处理所得的

9、纤维；氯纶：分子组成为聚氯乙在后加工中经缩甲醛处理所得的纤维；氯纶：分子组成为聚氯乙烯的合成纤维；其他的还有乙纶、氨纶、乙氯纶及混合高聚物纤烯的合成纤维；其他的还有乙纶、氨纶、乙氯纶及混合高聚物纤维等。维等。无机无机纤维纤维以天然无机物或含以天然无机物或含碳高聚物纤维为原碳高聚物纤维为原料，经人工抽丝或料，经人工抽丝或直接炭化制成的无直接炭化制成的无机纤维机纤维玻璃纤维：以玻璃为原料，拉丝成形的纤维；金属纤维：以金玻璃纤维：以玻璃为原料，拉丝成形的纤维；金属纤维：以金属物质制成的纤维，包括外涂塑料的金属纤维、外涂金属的高聚物属物质制成的纤维，包括外涂塑料的金属纤维、外涂金属的高聚物纤维以及包覆

10、金属的芯线；陶瓷纤维：以陶瓷类物质制得的纤维。纤维以及包覆金属的芯线；陶瓷纤维：以陶瓷类物质制得的纤维。如如氧化铝纤维，碳化硅纤维、多晶氧化物；氧化铝纤维，碳化硅纤维、多晶氧化物；碳纤维：是指以高聚碳纤维：是指以高聚物合成纤维为原料经碳化加工制取的，纤维化学组成中碳元素占总物合成纤维为原料经碳化加工制取的，纤维化学组成中碳元素占总质量质量90%以上的纤维，是无机化的高聚物纤维。以上的纤维，是无机化的高聚物纤维。2 2其他分类其他分类（1 1）按纤维的外观形态分类）按纤维的外观形态分类按长度分：棉型、毛型、中长型、丝型；按长度分：棉型、毛型、中长型、丝型；按截面形态分：普通圆形、中空和异形纤维；

11、按截面形态分：普通圆形、中空和异形纤维；按组分分布分：环状或皮芯等复合纤维；按组分分布分：环状或皮芯等复合纤维；按卷曲状态分：高卷曲、低卷曲、异卷曲、无卷曲等；按卷曲状态分：高卷曲、低卷曲、异卷曲、无卷曲等；（2 2）按纤维的性能和功能分类）按纤维的性能和功能分类差别化纤维差别化纤维：在原来纤维组成的基础上，通过物或化学改性处：在原来纤维组成的基础上，通过物或化学改性处理，使纤维性状获得一定程度改善的纤维理，使纤维性状获得一定程度改善的纤维高性能纤维高性能纤维：具有高强、高模量、耐高温或耐化学作用：具有高强、高模量、耐高温或耐化学作用功能或智能纤维功能或智能纤维：具有特殊功能，甚至具有智能或自

12、适应作用：具有特殊功能，甚至具有智能或自适应作用（3 3）按加工方式分）按加工方式分天然纤维：不同初加工和改性的纤维，如丝光棉、精干麻、天然纤维：不同初加工和改性的纤维，如丝光棉、精干麻、洗净毛、拉细羊毛和生丝等；洗净毛、拉细羊毛和生丝等；化学纤维：高速纺丝、牵伸丝（化学纤维：高速纺丝、牵伸丝（DTYDTY）、预取向丝（）、预取向丝（POYPOY）或全取向丝（或全取向丝（FOY)FOY)、变形丝等；、变形丝等；（4 4）按纤维资源状态（一般指天然纤维）按纤维资源状态（一般指天然纤维）大宗纤维：棉花、绵羊毛、麻类纤维和桑蚕丝等；大宗纤维：棉花、绵羊毛、麻类纤维和桑蚕丝等；特种纤维：产量稀少、经济

13、和应用价值高的天然纤维，一般特种纤维：产量稀少、经济和应用价值高的天然纤维，一般为动物类纤维，如极细羊毛、山羊绒、牦牛绒、蜘蛛丝等。为动物类纤维，如极细羊毛、山羊绒、牦牛绒、蜘蛛丝等。一、天然纤维素纤维一、天然纤维素纤维1 1棉纤维棉纤维(1) (1) 棉纤维的组成与特性棉纤维的组成与特性 截面呈腰圆形，带中腔结构截面呈腰圆形，带中腔结构; ;纵向呈纵向呈扁平带状，有天然转曲。扁平带状，有天然转曲。 棉纤维长于棉籽上，是由棉籽表皮棉纤维长于棉籽上，是由棉籽表皮细胞先伸长后加厚而成的，一个细胞细胞先伸长后加厚而成的，一个细胞长成一根纤维。长成一根纤维。（a a）棉纤维的组成）棉纤维的组成表皮初生

14、层：果胶和蜡质，含量随纤维产地和品种而不同；表皮初生层：果胶和蜡质，含量随纤维产地和品种而不同；主体层（次生层）：基本成分为主体层（次生层）：基本成分为纤维素纤维素9494-95-95和其他和其他物质物质5 5-6-6；中腔内层：微量的色素、灰分和蛋白质。中腔内层：微量的色素、灰分和蛋白质。（b b）棉纤维的特性棉纤维的特性优点：优点：细长柔软，吸湿性好细长柔软，吸湿性好，耐强碱，耐有机溶剂，耐，耐强碱，耐有机溶剂，耐漂白剂以及隔热耐热；漂白剂以及隔热耐热；缺点：缺点：弹性和弹性恢复性较差弹性和弹性恢复性较差，不耐强无机酸、易发霉、，不耐强无机酸、易发霉、易燃。易燃。 按品种分：细绒棉按品种分

15、：细绒棉 、长绒棉、长绒棉 、粗绒棉、粗绒棉 ( (陆地棉陆地棉) () (海岛棉海岛棉) () (亚洲棉亚洲棉) )(2) (2) 棉纤维的分类棉纤维的分类长绒棉细绒棉粗绒棉图图1-1 1-1 不同来源（品种）棉纤维的截面示意图不同来源（品种）棉纤维的截面示意图 按棉纤维的成熟度分：成熟棉、未成熟棉、完全按棉纤维的成熟度分：成熟棉、未成熟棉、完全未成熟棉、过成熟棉、完全成熟棉。未成熟棉、过成熟棉、完全成熟棉。 棉纤维的成熟度棉纤维的成熟度：即棉纤维胞壁的增厚程度。：即棉纤维胞壁的增厚程度。 （除纤维长度外，棉纤维的强度、模量、色泽、抗弯和弹（除纤维长度外，棉纤维的强度、模量、色泽、抗弯和弹性

16、、转曲程度都与成熟度有关）性、转曲程度都与成熟度有关） 未成熟 成熟 过成熟 实际形状图1-2 棉纤维成熟度的理论几何图示成熟度系数：成熟度系数：31220)D/(M纤维种类纤维种类成熟度系数成熟度系数细绒棉1.5-2.0长绒棉1.7-2.5一般纺纱用棉1.7-1.8理想的纺纱用棉2.0左右未成熟棉2.0死纤维600600）无机物）无机物定义定义：主要是指高强、高模、耐高温和耐化学作：主要是指高强、高模、耐高温和耐化学作用的纤维，是高承载能力和高耐久性的功能纤维。用的纤维，是高承载能力和高耐久性的功能纤维。1 1对位芳纶（芳纶对位芳纶（芳纶14141414）和间位芳纶（芳纶）和间位芳纶（芳纶1

17、3131313）芳纶芳纶14141414强度高、模量高、密度小、柔性好，化强度高、模量高、密度小、柔性好，化学稳定性好，除无机强酸、强碱外，能耐多种酸、学稳定性好，除无机强酸、强碱外，能耐多种酸、碱及有机溶剂的侵蚀；碱及有机溶剂的侵蚀；芳纶芳纶13131313耐热性能好，阻燃性好，能耐大多数酸耐热性能好，阻燃性好，能耐大多数酸的作用，除不能与强碱长期接触外，对碱的稳定的作用，除不能与强碱长期接触外，对碱的稳定性也很好；还具有良好的抗辐射性能。性也很好；还具有良好的抗辐射性能。表表1-10 1-10 几种高性能纤维的物理指标几种高性能纤维的物理指标纤维名称纤维名称密度密度g/cm3强度强度cN/

18、dtex模量模量cN/dtexGPa伸长率伸长率TmoCTgoCTsoCTdoCLOI回潮率回潮率Kevlar291.4420.34903.6-250550303.9Kevlar491.4520.87802.4-250550304.5Kevlar1291.4423.97003.3-250550303.9Nomex1.464.857535-22041528-324.5Twaron10001.4419.84953.6-250550294.5Twaron20001.4423.06403.3-250550294.5Technora1.39225004.4-500253.9Terlon1.4623.07

19、732.8-35022047027-3023PBOAS1.544213003.5-360650682.0PBOHM1.564220002.5-650680.6PBI1.42.42828.5-2505504115DyneemaSK600.97289103.5144-80-200DyneemaSK650.97319703.6-200DyneemaSK750.973511003.8-200Spectra10000.973211003.3155-100-200Spectra20000.973412002.9-200高模碳纤维高模碳纤维1.8312.325600.8-6003700-高强碳纤维高强碳纤维

20、1.7819.113401.4-5003700-E玻纤玻纤2.587.82804.8-350825-S玻纤玻纤2.518.53405.2-300800-钢丝钢丝7.854.026511.2-1600-图图1- 8芳纶纤维的应用领域示意图芳纶纤维的应用领域示意图2 2PBOPBO纤维纤维 PBO PBO是聚是聚P P亚苯丙二亚苯丙二噁噁唑，简称聚苯丙唑，简称聚苯丙噁噁唑。唑。 耐燃性好；热稳定性比芳纶耐燃性好；热稳定性比芳纶13131313更高；抗蠕变、更高；抗蠕变、耐化学和耐磨性能非常好；耐压缩破坏性能好；耐化学和耐磨性能非常好；耐压缩破坏性能好；耐光或耐光热复合作用的性能较差。耐光或耐光热复

21、合作用的性能较差。3 3PEEKPEEK纤维纤维 PEEK PEEK统称为聚醚酮醚，是半结晶的芳香族热塑统称为聚醚酮醚，是半结晶的芳香族热塑性聚合物，属聚醚酮类。性聚合物，属聚醚酮类。温度（温度（）PEEKPEEK芳纶芳纶13131313涤纶涤纶10010010010010010090901501501001001001000 020020010010090900 025025095950 00 03003008080降解降解降解降解表表1-11 PEEK1-11 PEEK纤维的强度保持率及比较纤维的强度保持率及比较表表1-12 1-12 不同物质对不同物质对PEEKPEEK的化学作用的化学作

22、用化合物23100200醋酸（10%）碳酸柠檬酸甲酸盐酸（10%）硝酸磷酸（50%）硫酸（40%）乙醇乙二醇丙酮甲醛氨水氢氧化钠（50%）CO（气）氯化铁硫化氢（气）碘臭氧二甲基甲酸胺吡啶二甲基亚砜（DMSO）二苯砜（DPS）4 4聚四氟乙烯纤维聚四氟乙烯纤维表表1-13 1-13 聚四氟乙烯纤维的基本特征值聚四氟乙烯纤维的基本特征值纤维纤维TeflonTeflonPTFEPTFEPTFEPTFE制造商制造商DupontDupontLenzingLenzingAlbanyAlbany强度强度/cN/cNdtexdtex-1-11.41.40.80.81.31.31.31.3断裂伸长率断裂伸长率

23、/%/%202025255050熔融温度熔融温度/347347327327375375软化温度软化温度/1771772002009393最高使用温度最高使用温度/290290280280260260极限氧指数极限氧指数/ /O O2 2989898989898是已知的最为稳定的耐化学作用和耐热的纤维材料。是已知的最为稳定的耐化学作用和耐热的纤维材料。5 5碳纤维碳纤维图1-9 常用碳纤维的力学特征值范围是指纤维化学组成中碳元素占总质量是指纤维化学组成中碳元素占总质量9090以上的纤维。以上的纤维。一、天然纤维的初加工一、天然纤维的初加工 指有效提取纤维的加工指有效提取纤维的加工/去除非纤维类物

24、质的加工去除非纤维类物质的加工1. 1. 棉的初加工棉的初加工 将纤维与棉籽分离的加工，也称轧棉、轧花。所得纤维将纤维与棉籽分离的加工，也称轧棉、轧花。所得纤维称为称为皮棉皮棉或或原棉原棉。锯齿轧棉锯齿轧棉皮辊轧棉皮辊轧棉图图1-10 1-10 皮辊式与锯齿式轧棉原理比较图皮辊式与锯齿式轧棉原理比较图“三丝三丝”：头发、包装袋丝（丙纶丝）、动物毛发：头发、包装袋丝（丙纶丝）、动物毛发 2. 2. 麻的初加工麻的初加工为典型的去除非纤维类物质（胶质）的加工。为典型的去除非纤维类物质（胶质）的加工。苎麻：剥皮苎麻：剥皮刮青刮青脱胶脱胶黄、红麻：剥皮法、带杆法黄、红麻：剥皮法、带杆法亚麻：脱胶亚麻：

25、脱胶干燥干燥碎茎碎茎打麻打麻 羊毛的初加工是去除非纤维类物质和不适于纺纱羊毛的初加工是去除非纤维类物质和不适于纺纱纤维的过程。纤维的过程。 其工艺过程为：其工艺过程为： 原毛原毛选毛选毛开毛开毛洗毛洗毛烘干烘干洗净毛。洗净毛。3.3.毛的初加工毛的初加工边坎毛,若有短毛去除背毛若很脏和弱节毛时去除若有很多杂质与草籽去除颈项毛若有污染毛和短毛去除尾部（a a）套毛及去除部位）套毛及去除部位(b) (b) 纤维直径的分布纤维直径的分布 (c) (c) 毛丛平均长度分布毛丛平均长度分布图图1-11 1-11 羊毛剪下套毛及纤维品质分布羊毛剪下套毛及纤维品质分布4. 4. 蚕丝的初加工蚕丝的初加工 指

26、蚕茧的分选与缫丝加工。指蚕茧的分选与缫丝加工。工艺包括：剥茧工艺包括：剥茧选茧选茧煮茧煮茧缫丝缫丝复整复整 蚕茧由外向内分为：茧衣、茧层、蛹衬蚕茧由外向内分为：茧衣、茧层、蛹衬缫丝：找出茧子的正绪，将几根茧丝合并成一束，借缫丝：找出茧子的正绪，将几根茧丝合并成一束，借 丝胶粘着形成丝胶粘着形成生丝生丝。生丝：生丝：丝织原料丝织原料下脚料：绢纺原料下脚料：绢纺原料1 1纺丝熔体或纺丝液的制备纺丝熔体或纺丝液的制备分解温度高于熔点的高聚物，可直接将聚合物熔化成分解温度高于熔点的高聚物，可直接将聚合物熔化成熔体或溶解在适当的溶剂中，制成纺丝液；熔体或溶解在适当的溶剂中，制成纺丝液；分解温度低于熔点的

27、高聚物，必须将聚合物溶解在适分解温度低于熔点的高聚物，必须将聚合物溶解在适当的溶剂中，或先将聚合物制成可溶性中间体，再溶当的溶剂中，或先将聚合物制成可溶性中间体，再溶解成纺丝液。解成纺丝液。二、化学纤维制造概述二、化学纤维制造概述2 2化学纤维的纺丝成形化学纤维的纺丝成形 模仿蚕吐丝的过程，将纺丝熔体或纺丝液提高喷丝模仿蚕吐丝的过程，将纺丝熔体或纺丝液提高喷丝孔挤出后凝固成丝的过程，称为纺丝。纺丝可分为熔融孔挤出后凝固成丝的过程，称为纺丝。纺丝可分为熔融纺丝法（纺丝法（熔体纺丝熔体纺丝）和）和溶液纺丝溶液纺丝法。法。 熔体纺丝：熔体纺丝：纺丝速度高，污染低、成本低，纤维截面纺丝速度高，污染低、成本低，纤维