第六章纤维的表面性质

1、第六章纤维的外表性质纤维的外表性状是构筑纤维集合体的客观根底.纤维的外表是外力,光、热辐射,电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体.纤维外表同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体.表6-1不同尺度材料外表结构所占体积比材料体积比1m直径的圆柱体(46)x10-91mm直径的圆柱体(46)乂10-6纤维(1m100m)(46)X10-4纳米材料(10nm100nm)0.360.51本章仅介绍一些根本概念及现象,并以传统的摩擦和浸润表达为主.第一节纤维外表的内涵一、外表的根本概念纤维外表的表达与物理或物理化学所述外表一致,包括外表结构、外表性质和外表状态.1.纤维外表的定义所谓纤维外表是指纤维表层

2、0.55nm内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态.显然,是微尺度(micro-scale),确切地说是形态亚微米尺度(submicro-scale)、厚度纳米尺度(nanoscale)和分子尺度(molecularscale).图6-1外表结构、形态及相互作用纤维外表结构与组成是非对称和不均匀的,如图6-1所示.相对来说,界面要厚得多,由于其至少有两个“外表完成过渡,见图渡互为“溶合,或晶体缺陷的界面,其厚度亦可与纯外表一样,甚至更小.6-2.但两个外表的过界面层ooooooooooooo00*0000000000ooo»coooo«ooo£-La图6-

3、2A/B物质的界面层示意图2.外表能所谓外表能,又称外表自由能,是指形成单位面积外表所消耗的功.二、纤维外表涉及的内容纤维外表主要涉及外表结构、外表性质和外表表征方法.1 .纤维外表结构内涵纤维外表结构包括要素：外表厚度、外表形态、外表组成和外表结构(狭义的).外表形态是表层的外轮廓,同样是微尺度的,但跨度较大,在原子尺度亚微米尺度范围内,如扫描隧道电子显微镜STM(Scanningtunnelingmicroscope)或原子力显微镜AFM(Atomicforcemicroscope)所看到的外表原子排列轮廓,见图6-4,以及羊毛鳞片外表和兔毛的鳞片形态,分别见图6-5(a)和(b).图6-

4、4AFM的外表原子像(a)羊毛(b)兔毛图6-5羊毛和兔毛的鳞片像(SEM)2 .纤维外表所涉及的根本物理性质纤维外表性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质,；浸润性质.还有纤维外表的热学、光学、电学性质,以及外表缺陷引起的力学性质劣化等.外表缺陷(a)(b)(c)图6-6纤维外表缺陷导致的断裂3 .纤维外表结构与性质的一般分析方法外表分析是一个专门化的学科,涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术.电子束中性电I"离子粒子胃馥落&馨(特征X射1电子一、线产生区K吸收._.图6-7电子束激发的各类信息示意图表6-2常用外表分析方法名称及用途探针表向分析方法用途激发粒子能量或分析深

5、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外表及吸附层结构外表结构外表组分,结合能外表形貌外表形貌外表轮廓、结构与成分能量Eo50500eVEo10100keVEo25keV全膜覆盖去卸外表复制膜形态外表轮廓10nm所紫外光电子能谱UPSX射线光电子能谱XPS电子束缚能,吸附态电子能态表回吸附深度1.05.0nm深度1.05.0nm离于二次离子质谱SIMS外表兀素分析Eo>5OOeV“探针原子力显微镜AFM表向结构、轮廓和成分<10nm(1)外表组成分析(2)外表结构分析(3)外表形态分析(4)外

6、表电子能态分析(5)外表性质分析4 .纤维的外表改性是期望通过有效方便的外表处理获得理想、纤维外表改性是纤维外表分析研究的主要目的,用、新型纤维的主要方法.第二节纤维的外表特征、天然纤维的外表特征1 .棉纤维微条纹产生的“起绐外表结构.图6-8棉纤维的外表形态6-9.2 .麻纤维3 .毛发类纤维(1)羊毛图6-9羊毛纤维外表的鳞纹较大的横向突纹,称为伪棱脊；存在较细小的平行于纤维轴向的条纹为微“鳞纹(2)兔毛纤维(3)羽绒纤维图6-11羽绒外表的原纤排列及“膜层(TEM)4,蚕丝纤维二、化学纤维的外表特征1 .再生纤维2,普通合成纤维图6-12不同纺丝速度涤纶的外表结构(SEM)图6-13睛纶

7、纤维的外表形态与结构(SEM)三、外表改性和高性能纤维的外表特征1,纤维粗糙化改性2 .纤维柔软化改性或外表涂层纤维柔软化的外表改性,就是改善纤维外表的摩擦性.最常用的方法是上柔软剂,覆膜.3 .合成纤维的丝光改性图6-15涤纶的丝光处理外表(SEM)4 .高性能纤维的外表特征图6-16芳纶纤维的外表形貌(SEM)第三节纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质是指纤维与纤维,或纤维与其它物质外表接触并发生相对运动时的行为.一、纤维摩擦中的根本现象1 .摩擦系数Amontons或Leonard:FN(6-2)但是,随后人们的实验发现这个表达存在局限,甚至有误.其中较为典型的实验现象如下.(1)相对滑移速度的

8、影响静摩擦力FS大于动摩擦力Fd,SD(6-3)表6-3纤维的动、静摩擦系数(必,)纤维(JS粘胶与粘胶0.350.26锦纶与锦纶0.470.40羊毛与顺鳞片方向0.130.11羊毛逆鳞片方向0.610.38向纤维方向0.210.15羊毛与顺鳞片方向0.110.09粘胶逆鳞片方向0.390.35羊毛与顺鳞片方向0.260.21锦纶逆鳞片方向0.430.35随后人们的实验又发现,摩擦力F或摩擦系数与滑动速度v相关I大多测试段I-流体润滑I;“二I边界润滑Ov"图6-17滑动速度v与摩擦系数科的关系(2)表观接触面积的影响FNA(6-4)式中,为与粗糙度和材料硬度相关的常数.(3)正压力

9、的影响许多实验证实,两物质间的正压力N的大小与摩擦并非线性关系,即(4)外表粗糙度的影响r与科的关系如图6-18所示.粗糙度r图6-18摩擦系数科与粗糙度r的关系(5)外表硬度的影响(6)纤维外观形态及外表附着物的影响(7)环境温湿度的影响2 .粘滑现象纤维间相对低速滑移时,会发生时而保持不动(粘),纤维产生变形或同向移动；时而又相对快速滑移(滑)图6-19粘一滑过程及摩擦力曲线100c)gJ5g80604020010-410-310-210-1100101102滑移速度(m/min)图6-20纤维摩擦中的粘一滑现象3 .摩擦的对称性及方向性(1)对称与非对称摩擦a.对称摩擦：T小,T大T大,

10、T小(a)对称摩擦(b)非对称摩擦图6-21纤维的对称和非对称摩擦示意图b.非对称摩擦：(2)不同方向摩擦a.摩擦的各向异性:b.差微摩擦效应：=T=R逆顺逆磐u逆顺梢根.(R)()逆一顺顺一逆弱作用,=0强作用,且大图6-22羊毛差微摩擦效应二、摩擦机理与测量1 .纤维的摩擦机理2 .纤维摩擦性质的测量(1)绞盘法(a)绞盘法机构(b)绞盘法原理图6-24绞盘法测量原理示意图(2)抽拔法F0f(Ff)(a)F=dl单纤维dl微粘结点(b)R男应4J图6-25纤维抽拔法实验原理(3)刮动法W调纤维架刀片刮杆力传感器移动v图6-26刮动法测量装置原理图TW第四节纤维的浸润性与芯吸纤维的浸润与芯吸

11、都是讨论纤维与液体(一般指水)的相互作用的.只是浸润较多地表达单纤维或纤维集合体外表或表观与水的相互作用.一、纤维浸润现象1,平衡与非平衡浸润(1)平衡态浸润SVSLLVCOS(6-21)著名的Young-Dupr6方程.表6-4平衡浸润的几种形式0可含浸润COS0状态0=0°完全浸润1或称铺展0<长90可浸润0正浸润9=90无浸润0r零浸润900180小PJ浸润0负浸润9=180完全不浸润1随遇稳态(2)铺展浸润2 .浸润的滞后性3 .伪浸润现象所谓伪浸润现象是指由于材料的表观形态与真实形态存在差异,或材料外表不同组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中,而引起的表观

12、接触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象.(1)形态的影响(2)组份的影响二、纤维浸润性测量1 .接触角.测量图6-30插入转动法示意图图6-31悬滴法计算示意和实物图图6-32浸润的前进角和后退角的测量示意2 .浸润力的测量纤维GfUiFb图6-33浸润力测量原理图(1)竖直拔出法(2)水平浸入拉出法浸没点拔出(b)Time,t(sec)iTgmvFoerF图6-34典型的实验曲线及过程示意图D图6-35液面和纤维的接触点的关系示意图gFFoxpr表6-5浸润因子与接触角0的关系力值关系浸润因子接触角Fcdw一oo0Fab1<W<oo0<X42Fab=Fcdw=19=2Fab<Fcd0&l