第七章 纤维的热学、光学和电学

1、第七章第七章 纤维的热学、光学和电学性质纤维的热学、光学和电学性质一、比热容一、比热容1 1比热容的概念比热容的概念 单位质量的纤维，温度升高（或降低）单位质量的纤维，温度升高（或降低）1 1所需要吸收所需要吸收（或放出）的热量，叫做纤维的比热容，简称比热。单位（或放出）的热量，叫做纤维的比热容，简称比热。单位J/(gJ/(g) )，或，或cal /(gcal /(g).).TmQC 比热容的大小，直接比热容的大小，直接反映纤维材料温度变化的难易程度反映纤维材料温度变化的难易程度，影响着纤维的加工和使用性能。影响着纤维的加工和使用性能。2 2常见纺织纤维的比热容常见纺织纤维的比热容表表7-1

2、常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为20）单位：）单位：J/g静止干空气静止干空气：1.01； 水水：4.183 3影响纺织纤维比热容的主要因素影响纺织纤维比热容的主要因素0.511.522.53010203040回潮率(%)比热(J/g) 80 40 20 0图图7-17-1羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系（1 1）水分的影响）水分的影响纤维的比热容随回潮率的增大而增大纤维的比热容随回潮率的增大而增大：)(100CCWWCCW（2 2）温度的影响）温度的影响 回潮率一定时，温度愈高，纤回潮率一定时，温度愈高，纤维的比热容也愈

3、大。维的比热容也愈大。图图7-2 7-2 不同取向聚乙烯纤维的不同取向聚乙烯纤维的DSCDSC图谱图谱图图7-3 7-3 两种涤纶丝的比热随两种涤纶丝的比热随温度的变化规律温度的变化规律（3 3）纤维结构的影响）纤维结构的影响 大分子的大分子的取向排列取向排列会导致其比热容的增大；会导致其比热容的增大； 纤维的纤维的结晶形式结晶形式和和结晶度结晶度也对比热容值产生影响。也对比热容值产生影响。4 4比热容对纤维加工和使用的影响比热容对纤维加工和使用的影响对纤维的使用性能和加工工艺有重要意义，如锦纶；对纤维的使用性能和加工工艺有重要意义，如锦纶；对涉及到快速热加工的纺织工艺，比热容对制订工对涉及到

4、快速热加工的纺织工艺，比热容对制订工艺参数有重要意义；艺参数有重要意义；具有较大比热容值的纤维可用于那些需要抵御温度具有较大比热容值的纤维可用于那些需要抵御温度骤变的场合。骤变的场合。二、导热二、导热图图7-4 7-4 热传递示意图热传递示意图1 1、导热与导热系数、导热与导热系数 导热主要通过热传导、热对流和热辐射三种方式来实现。导热主要通过热传导、热对流和热辐射三种方式来实现。 导热系数：当材料的厚度为导热系数：当材料的厚度为1m1m及两端间的温度差为及两端间的温度差为1 1时，时，1 1秒钟内通过秒钟内通过1m1m2 2纤维材料传导的热量焦耳数。纤维材料传导的热量焦耳数。StTdQ表表7

5、-2 常见纺织纤维的导热系数常见纺织纤维的导热系数2 2影响纤维导热系数的因素影响纤维导热系数的因素（1 1）纤维的结晶与取向）纤维的结晶与取向纤维的结晶度越高，导热系数越大；纤维的结晶度越高，导热系数越大；纤维取向度越高，沿纤维轴向的导热系数越大；纤维取向度越高，沿纤维轴向的导热系数越大； （热传导的各向异性热传导的各向异性 ）纤维集合体实际是纤维集合体实际是纤维、空气和水的混合物。纤维、空气和水的混合物。（2 2）纤维集合体的密度）纤维集合体的密度l纤维集合体的导热系数取决于纤维集合体的导热系数取决于纤维中的孔隙量纤维中的孔隙量和和孔隙中气孔隙中气体的流动性体的流动性。 00.050.10

6、.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图图7-5 7-5 纤维层体积重量和导热系数间的关系纤维层体积重量和导热系数间的关系l纤维层中夹持的空气越多，则纤维层的绝热性越好。纤维层中夹持的空气越多，则纤维层的绝热性越好。 一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。 l纤维层的体积重量在纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cmg/cm3 3，最小，保暖性最好。最小，保暖性最好。 纤维填充密度一样，导热系数纤维填充密度一样，导热系数随孔隙中气体流动性增大而增大随孔隙中气体流动性增大而增大填充密度变化时，导热系数先填充密度变化时，导热系

7、数先减小再增大。减小再增大。7-6 7-6 纤维排列方向角纤维排列方向角f f与导热系数的关系与导热系数的关系（3 3）纤维排列方向）纤维排列方向纤维平行于热辐射方向排列时，即纤维垂直于纤维层方向取纤维平行于热辐射方向排列时，即纤维垂直于纤维层方向取向时，导热能力较强；向时，导热能力较强；纤维垂直于热辐射方向，即纤维平行于纤维层排列时，导热纤维垂直于热辐射方向，即纤维平行于纤维层排列时，导热能力较低。能力较低。（4 4）纤维细度和中空度）纤维细度和中空度当纤维排列特征相同时，纤维细度越细，纤维制品的热辐射当纤维排列特征相同时，纤维细度越细，纤维制品的热辐射穿透能力越弱；穿透能力越弱；在同样密度

8、下相对的间隙越小，静止空气的作用越强，导热在同样密度下相对的间隙越小，静止空气的作用越强，导热系数越小；系数越小；纤维中的空腔量越大，纤维集合体的导热系数越小。纤维中的空腔量越大，纤维集合体的导热系数越小。表表7-3温度与纤维导热系数间的关系温度与纤维导热系数间的关系（5 5）环境温、湿度）环境温、湿度TT， 因为随温度增加，分子的热振动频率加大，因为随温度增加，分子的热振动频率加大，使热量能籍此得到更好的传递。使热量能籍此得到更好的传递。 水分越多，水分越多，越大，保暖性越差越大，保暖性越差. .在同样温湿度条件下，在同样温湿度条件下，吸湿能力比较好的纤维，导热性比较好。吸湿能力比较好的纤维

9、，导热性比较好。 3 3导热系数对加工和使用的影响导热系数对加工和使用的影响对纤维加工而言，导热系数低、会影响热作用的传递和对纤维加工而言，导热系数低、会影响热作用的传递和热处理的效果，造成处理对象的外热内冷和热作用时间热处理的效果，造成处理对象的外热内冷和热作用时间的外长内短现象，引起处理效果的不均匀；的外长内短现象，引起处理效果的不均匀；对纤维材料的使用，应该充分利用对纤维材料的使用，应该充分利用高导热系数高导热系数的纤维来的纤维来制作制作导热、散热性导热、散热性能良好的能良好的夏季织物夏季织物，应用采用，应用采用低导热低导热系数系数的纤维或纤维集合体材料，来获得的纤维或纤维集合体材料，来

10、获得高保暖和绝热高保暖和绝热的的材料。材料。1.两种转变与三种力学状态两种转变与三种力学状态纤维受热作用时，性状会发生变化。纤维受热作用时，性状会发生变化。在较高温度时会发生软化、熔融的纤维成为在较高温度时会发生软化、熔融的纤维成为热塑性纤维热塑性纤维。 如涤纶、锦纶、丙纶、醋酯纤维等。如涤纶、锦纶、丙纶、醋酯纤维等。在较高温度时不出现熔融而直接发生分解、炭化的纤维成在较高温度时不出现熔融而直接发生分解、炭化的纤维成为为非热塑性纤维非热塑性纤维。如棉、麻和再生纤维素纤维，羊毛、蚕。如棉、麻和再生纤维素纤维，羊毛、蚕丝和再生蛋白质纤维。丝和再生蛋白质纤维。三三. . 热作用下纤维的性状热作用下纤

11、维的性状对于对于热塑性纤维热塑性纤维，当结晶度较低时，纤维的性质具有非，当结晶度较低时，纤维的性质具有非晶态高聚物所特有的晶态高聚物所特有的力学三态及其转变特征力学三态及其转变特征。纤维在不同温度下，测量纤维的伸长变形和弹性模量随纤维在不同温度下，测量纤维的伸长变形和弹性模量随温度的变化，可以得到变形温度的变化，可以得到变形-温度曲线和模量温度曲线和模量-温度曲线，温度曲线，也称为也称为热机械曲线热机械曲线。典型的典型的纤维纤维热机械曲线存在两个斜率突变区热机械曲线存在两个斜率突变区（玻璃化转玻璃化转变区和粘弹转变区变区和粘弹转变区），在在这两个这两个转转变区变区之间和两侧之间和两侧分别分别对

12、应三种不同的力学状态对应三种不同的力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态玻璃态、高弹态、粘流态。形变形变温度温度IIIIII玻璃态玻璃态高弹态高弹态玻璃化转变区玻璃化转变区Tg粘流态粘流态粘弹态转变区粘弹态转变区Tf纤维种类纤维种类 玻璃化温度玻璃化温度 软化点软化点 熔点熔点 分解点分解点 洗涤最高温度洗涤最高温度 棉棉 - - - - - - 150 150 90-10090-100羊毛羊毛 - - - - - - 130 130 30-4030-40桑蚕丝桑蚕丝 - - - - - - 150 150 30-4030-40粘胶纤维粘胶纤维 - - - - - - 150 150 - - 醋酯纤

13、维醋酯纤维 186186195-205195-205290-300290-300- - - - 涤纶涤纶 80,67,9080,67,90235-240235-240256 256 - - 70-10070-100锦纶锦纶6 6 47,6547,65180 180 215-220215-220- - 80-8580-85锦纶锦纶66 66 8585225 225 253 253 - - 80-8580-85腈纶腈纶 80-100,140-80-100,140-150150190-240190-240- - 280-300280-30040-4540-45维纶维纶 8585干干220-23022

14、0-230水中水中110110- - - - - - 丙纶丙纶 -35-35145-150145-150163-175163-175- - - - 氯纶氯纶 8282水中水中110110200 200 - - 30-4030-40（1 1）热定形及其机理）热定形及其机理 对于合成纤维：一般采用高于玻璃化温度对于合成纤维：一般采用高于玻璃化温度T Tg g 、低于晶体、低于晶体熔融温度熔融温度T Tm m的热处理；的热处理；对于高结晶的棉、麻类纤维：采用交联或其它方法定形；对于高结晶的棉、麻类纤维：采用交联或其它方法定形；对于羊毛类纤维：采用热湿和张力作用打开部分二硫键，对于羊毛类纤维：采用热湿

15、和张力作用打开部分二硫键，并在新的位置重建二硫键，达到分子间结构的稳定；并在新的位置重建二硫键，达到分子间结构的稳定；对于丝类纤维：可通过热湿作用，或部分融化调整丝胶对于丝类纤维：可通过热湿作用，或部分融化调整丝胶的包覆状况，冷却后得到定形。的包覆状况，冷却后得到定形。（2 2）热定形效果的持久性）热定形效果的持久性 暂时性热定形：纤维或其织物在热定形后的使用中，定暂时性热定形：纤维或其织物在热定形后的使用中，定形效果会较快消失；形效果会较快消失；半永久性热定形：是指在平时使用中能抵御一般作用的半永久性热定形：是指在平时使用中能抵御一般作用的热定形，但给以激烈的作用，其热定形效果也会消失；热定

16、形，但给以激烈的作用，其热定形效果也会消失；永久性热定形：是指纤维的永久性热定形：是指纤维的TgTg高于一般衣着使用温度的高于一般衣着使用温度的热定形处理。热定形处理。（3 3）热定形的方法）热定形的方法 根据纤维发生收缩的程度分：张力定形和松弛定形；张根据纤维发生收缩的程度分：张力定形和松弛定形；张力定形可形成有伸长定形（力定形可形成有伸长定形（1 1）、无收缩定形、部分收）、无收缩定形、部分收缩定形；缩定形；按照定形时所采用的热媒介质或加热方式分：干热空气按照定形时所采用的热媒介质或加热方式分：干热空气定形、接触加热定形、水蒸气湿热定形和浴液（水、甘定形、接触加热定形、水蒸气湿热定形和浴液

17、（水、甘油）定形等。油）定形等。表表7-5 7-5 几种纤维织物的常用热定形温度几种纤维织物的常用热定形温度（5 5）热变形加工）热变形加工 通过热作用的变形加工主要是针对热塑性类纤维；通过热作用的变形加工主要是针对热塑性类纤维；热变形加工的速度更快，变形的温度偏高、张力较热变形加工的速度更快，变形的温度偏高、张力较大大 四、纤维的耐热性和热稳定性四、纤维的耐热性和热稳定性耐热性：纤维经加热作用后力学性能的保持性；耐热性：纤维经加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。热稳定性：纤维在热作用下的结构形态和组成的稳定性。一般规律是：一般规律是：TT，断裂强力，

18、断裂强力；断裂伸长率；断裂伸长率；初始模量；初始模量；纤维变得柔软。；纤维变得柔软。 图图7-8 PBO7-8 PBO纤维的力学性能保持率纤维的力学性能保持率1 1 纤维的耐热性纤维的耐热性纤维受不同温度但一定时间作用后，纤维力学性能的保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；持率；纤维随温度升高而强度降低的程度纤维随温度升高而强度降低的程度常用表达方法：常用表达方法：表表7-6 7-6 常见纺织纤维受热后的剩余强度常见纺织纤维受热后的剩余强度(%)(%)2 2纤维的热稳定性纤维的热稳定性0100200300400500600020406080100Ti=320ocair(TG)

19、air(DTG)N2(TG)temperature(oC)m(%)N2(DTG)Ti=355oCUHMW-PE-40-30-20-10010 dm/dt (%/min)图图7-7- 高强高模聚乙烯的热重曲线高强高模聚乙烯的热重曲线（1 1）质量与组成的稳定性）质量与组成的稳定性 纤维在热作用下会发生热降解，而引起分子量的下降和组成变纤维在热作用下会发生热降解，而引起分子量的下降和组成变化，尤其是有氧条件下会发生氧化降解。化，尤其是有氧条件下会发生氧化降解。表表7-7 Kevlar纤维的聚集态结构变化数据纤维的聚集态结构变化数据（2 2）结构的稳定性）结构的稳定性热作用下纤维的聚集态结构会发生改

20、变，这是热稳定性中热作用下纤维的聚集态结构会发生改变，这是热稳定性中最主要的表达内容，也是耐热性高低的最主要机制；最主要的表达内容，也是耐热性高低的最主要机制；在热作用下，纤维的结晶会解体，取向会下降。在热作用下，纤维的结晶会解体，取向会下降。（3 3）形态的稳定性）形态的稳定性 形态的稳定性是指在温度作用下纤维外观形态的稳定，形态的稳定性是指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。主要指纤维的热收缩性。 收缩率(%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PA6 PA66 PET 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 五、纤维的燃烧性质五、纤

21、维的燃烧性质极限氧指数极限氧指数LOILOI着火点温度着火点温度T TI I燃烧时间燃烧时间t t火焰温度火焰温度T TB B描述纤维燃烧性的指标：描述纤维燃烧性的指标：根据燃烧性能的不同，可将纤维分为四类：根据燃烧性能的不同，可将纤维分为四类：易燃易燃可燃可燃难燃难燃不燃不燃1 1、极限氧指数、极限氧指数 是指试样在氧气和氮气的混合气中，维持是指试样在氧气和氮气的混合气中，维持完全燃烧状态所需的最低氧气体积分数。完全燃烧状态所需的最低氧气体积分数。%100222NOOVVVLOI表表7-8 主要纺织纤维的燃烧性比较主要纺织纤维的燃烧性比较表表7-9 LOI7-9 LOI对纤维燃烧性能的分类对

22、纤维燃烧性能的分类2 2点燃温度和燃烧时间点燃温度和燃烧时间(1)(1)点燃温度点燃温度TI 是指纤维产生燃烧所需的最低温度，是燃是指纤维产生燃烧所需的最低温度，是燃烧的激发点温度，也称着火点温度。烧的激发点温度，也称着火点温度。 点燃温度取决于纤维的热降解温度和裂解可燃气点燃温度取决于纤维的热降解温度和裂解可燃气体的点燃温度，其值越高，纤维越不易被点燃。体的点燃温度，其值越高，纤维越不易被点燃。(2)(2)燃烧时间燃烧时间t t 是指纤维放入可燃环境（有氧、高温）中，观是指纤维放入可燃环境（有氧、高温）中，观察纤维从放入到燃烧所需的时间。察纤维从放入到燃烧所需的时间。 当纤维质量趋于无穷小或

23、可燃环境趋于无穷大时当纤维质量趋于无穷小或可燃环境趋于无穷大时的燃烧时间，称为本质燃烧时间。的燃烧时间，称为本质燃烧时间。 燃烧时间反应纤维被点燃的快慢程度，取决于纤燃烧时间反应纤维被点燃的快慢程度，取决于纤维的导热系数、比热容、热降解速率、点燃温度。维的导热系数、比热容、热降解速率、点燃温度。3 3燃烧温度燃烧温度T TB B 是指纤维燃烧时的火焰区中的最高温度值，是指纤维燃烧时的火焰区中的最高温度值，故又称火焰最高温度。故又称火焰最高温度。 反应了纤维材料在燃烧过程中的反应速度反应了纤维材料在燃烧过程中的反应速度及其热能的释放量。及其热能的释放量。 取决于纤维的热裂解速度以及氧化反应速取决

24、于纤维的热裂解速度以及氧化反应速率、量和完善程度，并与燃烧时纤维质量的率、量和完善程度，并与燃烧时纤维质量的损失率直接相关。损失率直接相关。4 4纤维阻燃的途径及形式纤维阻燃的途径及形式（1 1）阻燃机理：纤维的阻燃，一般通过阻止或减少纤维热）阻燃机理：纤维的阻燃，一般通过阻止或减少纤维热分解、隔绝或稀释氧气和快速降温使其终止燃烧等原理分解、隔绝或稀释氧气和快速降温使其终止燃烧等原理实现。实现。将有阻燃功能的将有阻燃功能的阻燃剂阻燃剂通过聚合、共混、共聚、负荷纺丝、通过聚合、共混、共聚、负荷纺丝、接枝改性等方法接枝改性等方法加入到纤维中加入到纤维中；用后整理方法将用后整理方法将阻燃剂涂覆在纤维

25、表面阻燃剂涂覆在纤维表面或浸渍于纤维内，或浸渍于纤维内，以此提高纤维的阻燃性。以此提高纤维的阻燃性。（2 2）阻燃途径：）阻燃途径：（3 3）阻燃纤维的获得主要分为两类：）阻燃纤维的获得主要分为两类：在纺丝原液中加入阻燃剂，混合纺丝制成；在纺丝原液中加入阻燃剂，混合纺丝制成；由合成的难燃聚合物纺制而成。由合成的难燃聚合物纺制而成。图图7- 1 7- 1 光与透明纤维及其纤维集合体的折射、反射和透射光与透明纤维及其纤维集合体的折射、反射和透射11、22入射主反射次反射主透射次透射介质1(空气或液体)介质2(纤维)介质1(空气或液体)（a a）光对纤维的折射、反射和透射）光对纤维的折射、反射和透射

26、 （b b）光与单纤维内的作用）光与单纤维内的作用 （c c）光与纤维集合体的作用）光与纤维集合体的作用lPbb1b2irtt2t3tststts2t2s纤维一、光在纤维中的反射与折射现象一、光在纤维中的反射与折射现象a a纤维层状结构对光泽的影响纤维层状结构对光泽的影响图图7-12 7-12 层状结构纤维多层反射与折射示意图层状结构纤维多层反射与折射示意图 在纤维体内，材料密度由外及里连续或分层变化在纤维体内，材料密度由外及里连续或分层变化的结构，称为纤维的层状结构；的结构，称为纤维的层状结构；层状结构使纤维体内光的折射率产生差异；层状结构使纤维体内光的折射率产生差异；多层反射作用使到达纤维

27、表面的反射光产生叠加，多层反射作用使到达纤维表面的反射光产生叠加，不同波长光还会产生干涉作用，使纤维呈现出较不同波长光还会产生干涉作用，使纤维呈现出较强的光泽而不耀眼。强的光泽而不耀眼。（蚕丝的光泽）（蚕丝的光泽）b b纤维纵向形态对光泽的影响纤维纵向形态对光泽的影响纤维纵向表面光滑一致，则漫反射少，纤维光泽强。纤维纵向表面光滑一致，则漫反射少，纤维光泽强。化学纤维光泽强化学纤维光泽强丝光棉纤维较未处理棉纤维光泽强丝光棉纤维较未处理棉纤维光泽强粗羊毛光泽较强，细羊毛光泽柔和，鳞片受损伤的粗羊毛光泽较强，细羊毛光泽柔和，鳞片受损伤的羊毛光泽暗淡羊毛光泽暗淡半无光或消光化纤的原理是加入半无光或消光

28、化纤的原理是加入TiOTiO2 2消光剂消光剂c c纤维横截面形状对光泽的影响纤维横截面形状对光泽的影响圆形截面纤维：极光效应圆形截面纤维：极光效应三角形截面纤维：闪光效应三角形截面纤维：闪光效应纤维折射率nnn- n棉1.5731.5811.5241.5340.0410.051苎麻1.5951.5991.5271.5400.0570.068亚麻1.5941.5320.062羊毛1.5531.5561.5421.5470.0090.012桑蚕丝1.5781.5380.040粘胶纤维1.5391.5501.5141.5230.0180.036三醋酯纤维1.4741.479-0.005涤纶1.7251.5370.188锦纶61.5681.5150.040锦纶661.5701.5801.5201.5300.053腈纶1.5001.5101.5001.510-0.0050维纶1.5471.5220.0252.常见纤维的双折射率常见纤维的双折射率3 3双折射率与纤维内部结构的关系双折射率与纤维内部结构的关系纤维分子的取向程度纤维分子的取向程度分子本身结构