第三章纺织材料学纤维形态的表征

1、l纤维的形态（几何外观形态）表征是指纤维的形态（几何外观形态）表征是指: : 纤维的纤维的长度长度、细度细度、截面形状截面形状、卷曲或转曲卷曲或转曲等等l与纺织加工参数的确定，纱线、织物质量、性能与纺织加工参数的确定，纱线、织物质量、性能 和风格有关和风格有关l 纤维长度直接影响纤维的加工性能和使用价值，纤维长度直接影响纤维的加工性能和使用价值，反映纤维本身的品质与性能，是纤维最重要指标之一，反映纤维本身的品质与性能，是纤维最重要指标之一，是纺织加工中的必检参数。是纺织加工中的必检参数。一、纤维长度指标的基本表达一、纤维长度指标的基本表达1 1纤维长度纤维长度 纤维长度值是一个纤维长度值是一个

2、统计指标统计指标，其基本表达是纤，其基本表达是纤维维长度平均值长度平均值（数学期望值）和（数学期望值）和离散值离散值（长度变异（长度变异系数）。根据加权对象不同分为：系数）。根据加权对象不同分为： 纤维根数加权长度纤维根数加权长度 纤维质量加权长度纤维质量加权长度 纤维截面加权长度纤维截面加权长度（1 1）纤维根数加权长度）纤维根数加权长度 以纤维根数加权平均的长度，简称根数（加权）以纤维根数加权平均的长度，简称根数（加权）平均长度，接近手排法、平均长度，接近手排法、WiraWira法、法、AFISAFIS法的测量结法的测量结果。表达式为：果。表达式为：maxllllndllNNNlNL01根

3、数加权长度的变异系数为：根数加权长度的变异系数为：%LLCVnnLn100 SWN ; ; n(l); w(l); s(l) 分组直方图 SWN ; ; 连续函数 n(l); w(l); s(l) dl l 图图3-1 3-1 纤维长度分布示意图纤维长度分布示意图（2 2）纤维质量加权长度）纤维质量加权长度 由分组称重方法得到，又称重量加权长度。一由分组称重方法得到，又称重量加权长度。一般采用罗拉法或梳片法。最为经典的表达是般采用罗拉法或梳片法。最为经典的表达是巴布长巴布长度度B B：maxlllldllWWWlWB01巴布长度的变异系数：巴布长度的变异系数：%BCVBB100巴布长度（重量加

4、权平均长度）恒大于根数加权平均长度巴布长度（重量加权平均长度）恒大于根数加权平均长度（3 3）纤维截面加权长度）纤维截面加权长度 理论上是由质量加权长度引出的。假设对应某理论上是由质量加权长度引出的。假设对应某一长度的纤维密度不变，纤维长度的加权值只与截一长度的纤维密度不变，纤维长度的加权值只与截面的频数函数或频数密度函数相关。典型的表达为面的频数函数或频数密度函数相关。典型的表达为豪特长度豪特长度H H：maxlllldllSSSlSH01maxldll)l ( sSl )l ( sH01豪特长度的变异系数：豪特长度的变异系数：%HCVHH1002 2纤维长度界限及含量值纤维长度界限及含量值

5、（1 1）长度界限）长度界限 或称界限长度，是在某特定纤维含量值或称界限长度，是在某特定纤维含量值C C（）（）条件下的纤维长度条件下的纤维长度L LC C，即超出此长度，即超出此长度L LC C纤维的含量纤维的含量为为C C。 长度界限主要用于长度界限主要用于长纤维长纤维的表达，是的表达，是控制牵伸控制牵伸隔距隔距的重要、甚至唯一的参数。的重要、甚至唯一的参数。（2 2）短纤维含量）短纤维含量长度在某一界限以下的纤维所占的百分率长度在某一界限以下的纤维所占的百分率SFCSFC。通。通常都以重量加权法测量，故传统的短纤维含量是短常都以重量加权法测量，故传统的短纤维含量是短纤质量的百分比：纤质量

6、的百分比： SFC SFCn n SFC SFCs s SFC SFCw w%SFC%WWRwSF100100二、纤维长度分布的基本测量二、纤维长度分布的基本测量1 1一端整齐法：拜氏图，罗拉法、梳片法、一端整齐法：拜氏图，罗拉法、梳片法、AlmeterAlmeter法法 O L C B B2 L5 B4 B3 L2 L4 L1 L3 B1 B5 交叉点 最大长度点 下 4 分位长 上 4 分位长 A 图图3-2 3-2 拜氏图的意义及长度求法拜氏图的意义及长度求法（1 1）拜氏图：）拜氏图：一端整齐、长短挨序、密度均匀的纤一端整齐、长短挨序、密度均匀的纤维长度排列图维长度排列图（纵坐标为纤维

7、长度、横坐标为纤维根数累积数）纵坐标为纤维长度、横坐标为纤维根数累积数） 采用作图法求各采用作图法求各长度指标：最大长度指标：最大长度、交叉长度、长度、交叉长度、有效长度、短纤有效长度、短纤维百分率等维百分率等 导杆 一端齐试样 显示 打印 检测 电容器 电动A/D 控制 计算机 移动 图图3-3 Almeter3-3 Almeter长度测量仪工作原理示意图长度测量仪工作原理示意图 累积分布函数 )( )( )( )( )(MNWSlF或 O 50 100 l lmax F(l) e 频率密度函数 % )( )( )( )( )(mlnlwlslf或 r(l) 图图3-4 3-4 累积分布和频

8、率密度函数累积分布和频率密度函数（2）Almeter测量法测量法 可得到豪特长度分布、巴布长度分布可得到豪特长度分布、巴布长度分布和须从曲线图，及各长度特征值。和须从曲线图，及各长度特征值。图图3-5 3-5 罗拉法测试原理罗拉法测试原理（3）罗拉法：棉纤维）罗拉法：棉纤维 可得到质量加可得到质量加权的长度分布权的长度分布数列或直方图。数列或直方图。 10mm 3mm 梳片 毛条（纤维条） 10mm 31mm)31mm)或或16mm16mm（ L LM M 31mm 50mm50mm）的纤维，但长度必须小）的纤维，但长度必须小于于1.91.9L LN N；倍长纤维：未切断的纤维，其长度是倍长纤

9、维：未切断的纤维，其长度是L LN N的倍数（的倍数（2 2）通常用切断称重法求得纤维的平均长度、超长纤维通常用切断称重法求得纤维的平均长度、超长纤维率和短纤维率。率和短纤维率。一、纤维的细度表征一、纤维的细度表征细度：指纤维的粗细程度。细度：指纤维的粗细程度。 直接法直接法：用直径、截面积表示，适用于圆形纤维；：用直径、截面积表示，适用于圆形纤维； 间接法间接法：用长度与重量之间的关系表示。：用长度与重量之间的关系表示。 定长制（线密度和纤度）：特数定长制（线密度和纤度）：特数N Ntextex , ,分特分特N Ndtex dtex , ,旦数旦数N Ndenden 定重制：公制支数定重制

10、：公制支数N Nm m1.1. 分特数分特数 Ndt（dtexdtex） 我国法定纤维（或纱线）的细度用线密度表示，我国法定纤维（或纱线）的细度用线密度表示，单位为特克斯（单位为特克斯（textex）；表示）；表示10001000米长的纤维米长的纤维在公定回潮率下的质量克数在公定回潮率下的质量克数; ;LGNkt1000LGNkdt100002.2.旦数旦数ND （化纤长丝、丝）又称为旦尼尔数、纤度，多用于化纤长丝和丝，又称为旦尼尔数、纤度，多用于化纤长丝和丝，单位为旦尼尔（单位为旦尼尔（den，D）是指是指9000米长的纤维在公定回潮率下所具有的质米长的纤维在公定回潮率下所具有的质量克数。量

11、克数。LGNkD9000dtDNN1093. 公制支数公制支数Nm简称支数，值简称支数，值1g1g纤维或纱线在公定回潮率下所纤维或纱线在公定回潮率下所具有的长度米数。具有的长度米数。kmGLNDdtmNNN9000100004直径与截面积直径与截面积DN.d8911dtNd28.11mNd1128纤维细度值相同，其直径可能不同，其换算关系为：纤维细度值相同，其直径可能不同，其换算关系为：1221dd通过光学显微镜或电子显微镜直接观察，常用于羊毛通过光学显微镜或电子显微镜直接观察，常用于羊毛和其它动物毛，圆形化纤，单位为微米（和其它动物毛，圆形化纤，单位为微米（ m） 二、纤维细度不匀指标二、纤

12、维细度不匀指标纤维的细度不匀主要包括两层含义：纤维之间的纤维的细度不匀主要包括两层含义：纤维之间的粗细不匀；纤维本身沿长度方向上的粗细不匀。粗细不匀；纤维本身沿长度方向上的粗细不匀。1细度不匀的概念细度不匀的概念天然纤维细度不匀天然纤维细度不匀化学纤维细度不匀化学纤维细度不匀2细度不匀指标及分布细度不匀指标及分布（1）不匀率指标）不匀率指标线密度类指标（间接指标）只能反映纤维集合体线密度类指标（间接指标）只能反映纤维集合体的细度总体差异；的细度总体差异；直径不匀是反映纤维细度不匀最直接的指标。直径不匀是反映纤维细度不匀最直接的指标。（2）纤维间细度不匀的分布）纤维间细度不匀的分布 n(d) 分

13、组测量 直方图 连续曲线 N(d) d O 图图3-16 3-16 纤维直径分布直方图及分布曲线纤维直径分布直方图及分布曲线ddddnddCVdnddCVdddnddnddddmiiidddmiiimaxminmaxmind)()()(d)(2121或或三、纤维细度及分布的测量方法三、纤维细度及分布的测量方法1称重与长度的测量（称重法）称重与长度的测量（称重法）中段切断称重法，定长称重法（中段切断称重法，定长称重法（线密度线密度类指标的测量类指标的测量） A LC LC B 图图3-17 中段切断称重法示意图中段切断称重法示意图2直径测量法直径测量法（1）显微镜观测）显微镜观测法法 又称为显微

14、镜投影测量法，多用于圆形或接又称为显微镜投影测量法，多用于圆形或接近圆形纤维直径的测量。近圆形纤维直径的测量。图图3-18 OFDA100测量仪测量仪（2）OFDA法（光学纤维直径分析仪）法（光学纤维直径分析仪） 基本原理与光学显微镜测量相同，是目前羊基本原理与光学显微镜测量相同，是目前羊毛直径检测中毛直径检测中IWTOIWTO的标准方法。的标准方法。 快速快速大样本大样本准确准确干扰因素少干扰因素少适用范围广适用范围广 纤维样品 激光 泵 二级过 滤器 纤维 分散 容器 测量 传感器 纤维 光电识别器 透镜 异丙醇 测量 单元 过滤器 信号 处理 电路 计算机 参考 传感器 微孔 分光 装置

15、 分束 器 图图3-19 激光扫描纤维直径测量原理图激光扫描纤维直径测量原理图（3）激光纤维直径测量法）激光纤维直径测量法 一般专用于毛发类纤维的测量一般专用于毛发类纤维的测量 L Q P0 QPR M, SS, K () Q P 图图3-20 气流仪测量纤维细度原理示意图气流仪测量纤维细度原理示意图3气流仪法气流仪法棉，羊毛棉，羊毛 原理：气流通过纤维塞时，两端的压力差和原理：气流通过纤维塞时，两端的压力差和气流的流量与纤维塞的气阻有关。而气阻又与纤气流的流量与纤维塞的气阻有关。而气阻又与纤维塞的填充率和纤维的粗细有关。维塞的填充率和纤维的粗细有关。 Q K K-1-1 ( ( / /S S

16、s s) )2 2 / /S Ss s为单位表面积的质量，为单位表面积的质量，与线密度指标成正比与线密度指标成正比。l气流仪测量可采用定压法和定流法来表达纤维集合体中气流仪测量可采用定压法和定流法来表达纤维集合体中纤纤维的平均细度维的平均细度，但不能测试单根纤维的粗细。，但不能测试单根纤维的粗细。l由其测定的原棉细度为由其测定的原棉细度为马克隆值马克隆值M，接近线密度，接近线密度（ug/mm）。）。l棉纤维的马克隆值是棉纤维的马克隆值是纤维细度和成熟度的综合反映纤维细度和成熟度的综合反映 。l马克隆马克隆值分为值分为A A、B B、C C三级三级，B B级为标准级，级为标准级，A A级品质最好

17、，级品质最好，C C级品质最差。级品质最差。 4振动测量法振动测量法 适用于圆形、长度较长的化学纤维适用于圆形、长度较长的化学纤维图图3-21 振动（拨弦）法测纤维细度原理示意图振动（拨弦）法测纤维细度原理示意图四、纤维细度及其不匀表征的意义四、纤维细度及其不匀表征的意义1 1基本现状基本现状棉纤维：主要采用气流仪法，其次为切断称重法；棉纤维：主要采用气流仪法，其次为切断称重法；毛纤维：主要采用毛纤维：主要采用OFDAOFDA法和法和LaserScanLaserScan法，其次为法，其次为显微镜法和气流仪法；显微镜法和气流仪法；麻纤维：主要采用切断称重法，其次为显微镜法麻纤维：主要采用切断称重

18、法，其次为显微镜法或或OFDAOFDA法；法；丝纤维：主要采用绞丝称重法其次为显微镜法；丝纤维：主要采用绞丝称重法其次为显微镜法；化纤短纤：根据毛型、棉型分别采用相应的测试化纤短纤：根据毛型、棉型分别采用相应的测试方法；方法；化纤长丝：一般采用绞丝称重法或显微镜法，其化纤长丝：一般采用绞丝称重法或显微镜法，其次为振动法。次为振动法。2 2细度及其不匀对纤维集合体性质的影响细度及其不匀对纤维集合体性质的影响（1 1）对纤维本身的影响）对纤维本身的影响吸附染色性能、柔软性、色泽（乳白化），纤维吸附染色性能、柔软性、色泽（乳白化），纤维结构和力学性质均匀性；结构和力学性质均匀性；纤维之间的细度不匀：

19、会引起纤维力学性质的差纤维之间的细度不匀：会引起纤维力学性质的差异，形成纱线堆砌排列的不均匀，造成加工控制异，形成纱线堆砌排列的不均匀，造成加工控制和成形困难；和成形困难；纤维本身的细度不匀：会产生纤维形态的粗细变纤维本身的细度不匀：会产生纤维形态的粗细变化，直接导致纤维的细颈弱节，影响外观和品质，化，直接导致纤维的细颈弱节，影响外观和品质，甚至影响最终的使用。甚至影响最终的使用。（2 2）对纱线的影响）对纱线的影响纤维粗：纱线截面内的纤维根数减少，堆砌松，纤维粗：纱线截面内的纤维根数减少，堆砌松，接触点少；接触点少；纤维细：纱线截面中的纤维根数增加，纤维可纺纤维细：纱线截面中的纤维根数增加，

20、纤维可纺性提高；性提高；21001dDCCVNLnnS可纺系数：表表3-4 纤维细度与功能的关系纤维细度与功能的关系纤维细度种类纤维细度种类 线密度（线密度（dtex） 直径（直径（mm）性能特征性能特征细旦细旦0.892.28.4117.7柔软、均匀、高支轻薄化柔软、均匀、高支轻薄化棉、丝型纤维棉、丝型纤维0.891.338.4113.7柔软、均匀、高支轻薄化柔软、均匀、高支轻薄化毛、麻型纤维毛、麻型纤维17.7柔软、均匀、高支轻薄化柔软、均匀、高支轻薄化超细超细0.0110.893.011.2吸湿、导湿、细腻、仿皮革吸湿、导湿、细腻、仿皮革皮革（特细）皮革（特细）0.0

21、透汽、防水、细密、麂皮特透汽、防水、细密、麂皮特征征极细极细0.00010.010.090.12吸附、超滤、功能吸附、超滤、功能纳米尺度纳米尺度10-810-40.0010.1特殊功能特殊功能（3）对织物的影响）对织物的影响与织物的手感、通透性和舒适性有关。与织物的手感、通透性和舒适性有关。一、纤维的卷曲形式及表征一、纤维的卷曲形式及表征1卷曲现象卷曲现象（1 1）基本形式）基本形式图图3-22 纤维的各种卷曲及表达纤维的各种卷曲及表达表表3-5 澳大利亚羊毛的卷曲性与细度的关系澳大利亚羊毛的卷曲性与细度的关系羊毛的羊毛的品质支数品质支数纤维直径纤维直径um平均纤维平均

22、纤维长度长度mm卷曲数卷曲数个个/25mm8018.119.55522247019.621.05722246421.122.56720226222.624.07016206024.125.57716205825.627.07816205627.128.59213165030.131.79613164831.833.410010134633.535.110810134435.237.01271013图图3-23 变形纱中的卷曲形态变形纱中的卷曲形态化学纤维一般都要人为赋予卷曲以改善其可纺化学纤维一般都要人为赋予卷曲以改善其可纺性和织物性能。常用方法：填塞箱法、机械挤性和织物性能。常用方法：填塞箱

23、法、机械挤压法、刀边法、空气变形法等。压法、刀边法、空气变形法等。（2）卷曲的不均匀及变化）卷曲的不均匀及变化卷曲清晰度：指卷曲形态的一致程度，即占主导地卷曲清晰度：指卷曲形态的一致程度，即占主导地位的卷曲波形占所有卷曲形态的百分比；位的卷曲波形占所有卷曲形态的百分比；卷曲的不稳定：纤维的卷曲会发生变形，天然纤维卷曲的不稳定：纤维的卷曲会发生变形，天然纤维的卷曲具有记忆性，人工变形纤维（除复合纤维外）的卷曲具有记忆性，人工变形纤维（除复合纤维外）在使用中卷曲会消失；在使用中卷曲会消失；羊毛的卷曲：在高羊毛的卷曲：在高pHpH值或具有膨胀作用的液体浸泡值或具有膨胀作用的液体浸泡下，纤维原来的卷曲

24、消失，且出现相反的卷曲；当下，纤维原来的卷曲消失，且出现相反的卷曲；当膨胀消除后，又会回到原来的状态。这也是羊毛织膨胀消除后，又会回到原来的状态。这也是羊毛织物吸湿膨胀和易于毡缩的主要原因。物吸湿膨胀和易于毡缩的主要原因。2纤维卷曲的测量纤维卷曲的测量 （a）单纤维拉伸曲线 （b）纤维卷曲弹性测量仪测量 Kab T C O b e a d 拉伸 曲线 Kmax T0 4 L2 L1 W0 W1 W0 自然 蜷缩 状态 L0 2 1 9 3 5 6 7 8 图图3-24 单纤维卷曲测量法原理示意图单纤维卷曲测量法原理示意图（1）单纤维卷曲的测量及指标）单纤维卷曲的测量及指标 A B C O r

25、图图3-25 切断纤维段的卷曲度计算原理图切断纤维段的卷曲度计算原理图（2）纤维段弯曲曲率测量法）纤维段弯曲曲率测量法 (b) 一致性强 一致性弱 (a) 实物照片实物照片 图图3-26 羊毛毛丛的卷曲清晰性实物及示意图羊毛毛丛的卷曲清晰性实物及示意图（3）纤维束卷曲整齐度的测量）纤维束卷曲整齐度的测量 O c T a 图图3-27 3-27 纤维束拉伸曲线起始卷曲段求纤维束拉伸曲线起始卷曲段求CdCd（4 4）纤维集合体膨松性的测量）纤维集合体膨松性的测量常用指标：常用指标：膨松度膨松度最大膨松度最大膨松度膨松系数膨松系数二、纤维的转曲及表征二、纤维的转曲及表征1.纤维转曲和扭转的表达纤维转

26、曲和扭转的表达图图3-28 纤维转曲及其理论表达示意图纤维转曲及其理论表达示意图nhhD/1)/(tan1转曲高度：的夹角：倾斜带边缘线与中心轴 0 D O l 图图3-29 纤维扭转的表面条纹与扭转角差异纤维扭转的表面条纹与扭转角差异)0(/ )0()(/ )()0(tan)(tanhDlhlDlfTT移系数）：扭转传递系数（加捻转一、异形纤维的基本概念一、异形纤维的基本概念纤维的截面变化，或称异形化，主要有两类形式：纤维的截面变化，或称异形化，主要有两类形式：截面形状的截面形状的非圆形化非圆形化，又分为轮廓波动的异形化和，又分为轮廓波动的异形化和直径不对称的异形化；直径不对称的异形化；截面

27、的截面的中空和复合化中空和复合化 单 凹 跑 道 粗 糙 粗 糙 多 角 多 叶 异 形 d2 中空 圆周波动异形圆周波动异形 直径变异异形直径变异异形 双 凹 复合 复复合合 复复合合 复合复合 图图 3-30 3-30 纤维截面变化的过程、类型及相互关系纤维截面变化的过程、类型及相互关系二、截面异形的表征二、截面异形的表征1截面的轮廓波动异形截面的轮廓波动异形dtLSffiSrrrNPPSAPAPAPSnRrRAAASRrRD或周长系数：比表面积：（造形系数：截面异形度：径向异形度：2202200000)1178 Ri R0 tS Di D0 Di tw th 周边波动 内凹变形 直径异化

28、 A1 A3 A2 D 图图3-31 3-31 截面异形几何特征参数示意图截面异形几何特征参数示意图2 2截面的直径变异异形截面的直径变异异形（1 1）纤维截面存在长短差异时，可采用椭圆比来）纤维截面存在长短差异时，可采用椭圆比来表达异形度：表达异形度：iiRRDD00（2 2）内凹的纤维截面，分别用厚度和截面积表达）内凹的纤维截面，分别用厚度和截面积表达内凹度：内凹度：SfSASiStAAAtDt（3 3）非对称的内凹纤维截面，还可增加用内凹角）非对称的内凹纤维截面，还可增加用内凹角表达内凹的程度：表达内凹的程度：whfAhihtttAtDt10SSDMf（4 4）化纤的异形保持率，即纤维截

29、面形状与喷丝）化纤的异形保持率，即纤维截面形状与喷丝板孔的相近程度，又称成形相似度：板孔的相近程度，又称成形相似度：三、截面空心与复合的表征三、截面空心与复合的表征1 1截面的空心截面的空心（1 1）中空度）中空度 指纤维截面中孔洞横截面积占纤维表观横截面指纤维截面中孔洞横截面积占纤维表观横截面积的百分比。积的百分比。%100fVAAH（2 2）空隙率）空隙率fVfVAAVV（3 3）中腔率）中腔率%100fhVVVH r re dv O re (a) dv R0 (b) (c) 图图3-32 3-32 中空和复合纤维几何特征参数示意中空和复合纤维几何特征参数示意（4 4）中空偏心）中空偏心1)/(VerRre偏心度：2复合截面特征复合截面特征 复合纤维在几何形态上属于将原中腔改为其他高复合纤维在几何形态上属于将原中腔改为其他高聚物的形式：聚物的