东华纺材第六章 纤维表面性质

1、 u纤维内部是平衡态，而表面是非平衡态纤维内部是平衡态，而表面是非平衡态u纤维表面：纤维表面：抱合力抱合力摩擦力摩擦力表面渗透性表面渗透性表面改性表面改性功能整理功能整理一、表面的基本概念一、表面的基本概念1. 1. 纤维表面的定义纤维表面的定义 纤维表面，是指纤维表层纤维表面，是指纤维表层0.5-5nm0.5-5nm内的组成、结内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的表面的结构和形态是不稳定的表面的结构和形态是不稳定的LALABLB界面层图图6-2 A/B6-2 A/B物质的界

2、面层示意图物质的界面层示意图表层厚度 表面轮廓粒子图图6-1 6-1 表面结构、形态及相互作用表面结构、形态及相互作用2. 2. 表面表面能（表面自由能）能（表面自由能） 形成单位面积表面所消耗的功。形成单位面积表面所消耗的功。AWlGEA(W=F l)F肥皂液膜lL图图6-3 6-3 液体表面增大所作的功液体表面增大所作的功二、纤维表面涉及的内容二、纤维表面涉及的内容 纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法：征方法：表面结构是表面的基础与本质，决定表面性质；表面结构是表面的基础与本质，决定表面性质；表面性质是表面结构的外在行为表现；表面性质

3、是表面结构的外在行为表现；表面表征方法是认识表面结构、性质及其相互关系表面表征方法是认识表面结构、性质及其相互关系的手段。的手段。1. 1. 纤维表面结构内涵纤维表面结构内涵图图6-4 AFM6-4 AFM的表面原子像的表面原子像(1) (1) 表面厚度表面厚度（2 2）表面形态）表面形态（3 3）表面组成）表面组成（4 4）表面结构（侠义的）表面结构（侠义的）2. 2. 纤维表面所涉及的基本物理性质纤维表面所涉及的基本物理性质裂口孔洞表面缺陷裂隙纤维AB (a) (b) (c) 图图6-6 6-6 纤维表面缺陷导致的断裂纤维表面缺陷导致的断裂（1 1）摩擦性能）摩擦性能（2 2）浸润性能）浸

4、润性能（3 3）热学性能）热学性能（4 4）光学性能）光学性能（5 5）电学性能）电学性能（6 6）力学性能劣化）力学性能劣化3. 3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法纤维表面结构与性质的一般分析方法电子束电子中性粒子离子光子电子吸收二次电子发射区背散射电子区特征X射线产生区图图6-7 6-7 电子束激发的各类信息示意图电子束激发的各类信息示意图（1 1）表面组成分析）表面组成分析俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AESAES），二次离子质谱（），二次离子质谱（SIMSSIMS），），X X射线光电射线光电子能谱（子能谱（XPSXPS），分析深度在表面），分析深度在表面2nm2nm左右。左右。（2

5、 2）表面结构分析）表面结构分析低能电子衍射（低能电子衍射（LEED),LEED),反射型高能电子衍射（反射型高能电子衍射（RHEEDRHEED），扫描），扫描隧道显微镜（隧道显微镜（STMSTM）和原子力显微镜（）和原子力显微镜（AFMAFM）等等，其中首推）等等，其中首推LEEDLEED，AFMAFM（适合于高聚物材料）和（适合于高聚物材料）和STMSTM（适合于金属和无机（适合于金属和无机材料）材料）（3 3）表面形态分析）表面形态分析SEMSEM，TEMTEM，AFMAFM，STMSTM等，主要是等，主要是SEMSEM和和AFMAFM（4 4）表面电子能态分析）表面电子能态分析XPS,

6、UPSXPS,UPS。（5 5）表面性质分析）表面性质分析表表6-2 6-2 常用表面分析方法名称及用途常用表面分析方法名称及用途探针表面分析方法用途激发粒子能量或分析深度电子低能电子衍射LEED反射高能电子衍射RHEED俄歇电子谱AES扫描电子显微镜SEM透射电子显微镜TEM扫描隧道显微镜STM表面及吸附层结构表面结构表面组分，结合能表面形貌表面形貌表面轮廓、结构与成分能量E0 50-500eVE0 10-100 keVE0 2-5 keV全膜覆盖表面表面复制膜形态表面轮廓500eV“探针”原子力显微镜AFM表面结构、轮廓和成分顺AAA拉伸拉伸回缩F顺小F逆大移动量图图6-22 6-22 羊

7、毛差微摩擦效应羊毛差微摩擦效应图图6-23 6-23 羊毛毡缩过程示意图羊毛毡缩过程示意图（2 2） 不同方向的摩擦不同方向的摩擦 差微摩擦效应：羊毛纤维特有的现象，即顺鳞差微摩擦效应：羊毛纤维特有的现象，即顺鳞片摩擦的摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数；根本原片摩擦的摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数；根本原因是羊毛鳞片的棘齿形态。这也是导致羊毛具有因是羊毛鳞片的棘齿形态。这也是导致羊毛具有毡缩性的必要条件。毡缩性的必要条件。 羊毛集合体的毡化就是由差微摩擦效应，加上羊毛集合体的毡化就是由差微摩擦效应，加上羊毛的高弹性伸长率和促进羊毛弹性伸长与回复羊毛的高弹性伸长率和促进羊毛弹性伸长与回复的热、湿、机械综合

8、作用完成的。的热、湿、机械综合作用完成的。二、摩擦机理与测量二、摩擦机理与测量1. 纤维的摩擦机理纤维的摩擦机理 摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象；摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象； 从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用，从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用，在切向外力作用下产生剪切和分离的过程；在切向外力作用下产生剪切和分离的过程； 从宏观形态看，是两接触物体间的碰撞、挤压和错位；从宏观形态看，是两接触物体间的碰撞、挤压和错位； 实际纤维间的摩擦，是宏观和微观作用的综合。实际纤维间的摩擦，是宏观和微观作用的综合。2. 2.

9、纤维摩擦性质的测量纤维摩擦性质的测量FT1T0mm(a)绞盘法机构(b)绞盘法原理T0T1dSdTT+dTR图图6-24 6-24 绞盘法测量原理示意图绞盘法测量原理示意图（1 1）绞盘法）绞盘法F0f(Ff)NNL(a)dlF微粘结点单纤维F=dl =Fdl剪应力(b) 图图6-25 6-25 纤维抽拔法实验原理纤维抽拔法实验原理（2 2）抽拔法）抽拔法刮杆刀片纤维架WW可调,可以互换移动v力传感器图图6-26 6-26 刮动法测量装置原理图刮动法测量装置原理图（3 3）刮动法）刮动法浸润：表达单纤维或纤维集合体表面（或表观）浸润：表达单纤维或纤维集合体表面（或表观）与水的相互作用；与水的相

10、互作用；芯吸：表达纤维集合体内（纤维间）或单纤维内芯吸：表达纤维集合体内（纤维间）或单纤维内（孔洞）对液体的毛细作用。（孔洞）对液体的毛细作用。一、纤维浸润现象一、纤维浸润现象1. 1. 平衡与非平衡浸润平衡与非平衡浸润 固体 液体 x y a b SV LV SL 气体 图图6-27 6-27 平衡浸润模型平衡浸润模型(1) (1) 平衡浸润平衡浸润 所谓平衡，即气、液、固三相交汇点所谓平衡，即气、液、固三相交汇点b b不发生移不发生移动，该点受力达到平衡：动，该点受力达到平衡：cosLVSLSV表表6-4 平衡浸润的几种形式平衡浸润的几种形式LVSLSVcos 理论上，纤维最大的平衡浸润性

11、发生在理论上，纤维最大的平衡浸润性发生在0 0，这时液体的表面张力应该等于，这时液体的表面张力应该等于固体的表面张力。这也是求固体表面张力固体的表面张力。这也是求固体表面张力的一种方法。的一种方法。(2) (2) 非平衡浸润非平衡浸润 在在0 0时，液体在固体表面仍以某种速度扩时，液体在固体表面仍以某种速度扩展，克服液体内聚能展，克服液体内聚能W WLLLL使液体表面积扩大。使液体表面积扩大。 非平衡浸润的特征是液滴在固体表面上的展开非平衡浸润的特征是液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固气界面消失，而留下两层固成膜，原有的固气界面消失，而留下两层固液和气液界面。液和气液界面。2. 2. 浸润的

12、滞后性浸润的滞后性 是指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在是指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在差异，且第一次浸润角差异，且第一次浸润角1 1恒大于第二次浸润角恒大于第二次浸润角2 2。以此推广：以此推广：1ii 滞后角，反应纤维浸润的滞后性：滞后角，反应纤维浸润的滞后性：21ba3. 3. 伪浸润现象伪浸润现象 B B A A A A B B A滴 B滴 B A B 图图6-28 6-28 粗糙表面浸润模型图粗糙表面浸润模型图图图6-29 6-29 不同组份表面的浸润模型不同组份表面的浸润模型 是指由于纤维的表面形态与真实形态存在差异，是指由于纤维的表面形态与真实形态存在差异，或材料表面

13、不同组分的组合，使液滴的三相交汇或材料表面不同组分的组合，使液滴的三相交汇点落在某一位置或某一组分中而引起的表观接触点落在某一位置或某一组分中而引起的表观接触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象。角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象。前者称形态伪浸润，后者称组分伪浸润。前者称形态伪浸润，后者称组分伪浸润。（1 1）形态的影响）形态的影响（2 2）组分的影响）组分的影响二、纤维浸润性测量二、纤维浸润性测量1. 1. 接触角接触角测量测量 纤维纤维 纤维纤维 转动转动 液体液体 图图6-30 6-30 插入转动法示意图插入转动法示意图图图6-31 6-31 悬滴法计算示意和实物图悬滴法计算

14、示意和实物图 a b 注入 吸出 图图6-32 6-32 浸润的前进角和后退角的测量示意浸润的前进角和后退角的测量示意 插入转动法；插入转动法； 悬滴法；悬滴法； 注入法注入法2. 2. 浸润力的测量浸润力的测量 F L 纤维 Gf Fb 液体纤维v 图图6-33 6-33 浸润力测量原理图浸润力测量原理图(1)(1) 竖直拔出法竖直拔出法(2)(2) 水平浸入拉出法水平浸入拉出法3. 3. 铺展速度的测量铺展速度的测量 A+ 气体 长丝 液体 A A+ A- 0 v vs 图图6-37 6-37 长丝向下运动时液面月牙状的变化长丝向下运动时液面月牙状的变化三、纤维芯吸与表征三、纤维芯吸与表征

15、 对于纤维集合体或多表面靠近或多孔材料，对于纤维集合体或多表面靠近或多孔材料，即便是原平衡态的浸润，也会变为非平衡态特征即便是原平衡态的浸润，也会变为非平衡态特征的浸润，即气、液、固三相的交点会发生长时间的浸润，即气、液、固三相的交点会发生长时间的移动。的移动。1. 1. 纤维集合体的浸润现象纤维集合体的浸润现象 2r毛细管2r液体少液体少 图图6-38 6-38 无毛细作用时液体的状态无毛细作用时液体的状态 纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象，或称芯吸。纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象，或称芯吸。芯吸作用，除了单纤维的浸润作用外，还有孔隙形芯吸作用，除了单纤维的浸润作用外，还有孔隙形状因子的影

16、响。状因子的影响。rpLVcos2毛细管压力：2. 2. 芯吸高度芯吸高度 当纤维孔隙为竖直排列，并在有效的毛细半径时，当纤维孔隙为竖直排列，并在有效的毛细半径时，浸润和重力作用会使液体被芯吸到某一高度后，形浸润和重力作用会使液体被芯吸到某一高度后，形成稳态；成稳态；空隙为水平放置时，毛细作用会使液体不断扩展，空隙为水平放置时，毛细作用会使液体不断扩展，形成非平衡态；形成非平衡态；当纤维间的空隙大小和组成不同时，则会产生毛当纤维间的空隙大小和组成不同时，则会产生毛细压差，而形成扩展的方向性和选择性。细压差，而形成扩展的方向性和选择性。 hW d hP d LV织物 LV纤维表面 (a) 90(a) 90180180（拒水）（拒水） (b) 0(b) 090 90 90；其次为织；其次为织物的孔隙等效直径物的孔隙等效直径d d，d d越小，织物越拒水。越小，织物越拒水。 （2 2）导水高度）导水高度4cosLVWhd g 织物能够导水的必要条件是织物能够导水的必要条件是 90 90；其次