第三章纤维形态的表征

第三章纤维形态的表征1磅＝16盎司＝0.4536千克1码等于等于三英尺，即0.9144米1英寸=0.254分米1英寸=2.54厘米1英尺，foot(ft)，1英尺等于12英寸，约相当于30.48厘米第二节纤维的细度及其分布细度：指纤维的粗细程度（沿长度方向）。细度是纤维重要的形态尺寸和质量指标之一，与纺纱工艺、成纱质量有密切关系，且直接影响织物风格。一、纤维的细度表征

直接法：用直径、投影宽度、截面积、周长、比表面积；

间接法：用长度与重量之间的关系表示。如:特数Ntex,分特Ndtex,

旦数Nden,公制支数Nm1.直接法直径——

直观，用于圆形截面的纤维。如：羊毛。投影宽度——

用于非圆形截面的纤维；截面积——

测量困难；比表面积——

计算值。

废时废力，单个指标不一定确切2.间接法

(1)特克斯Ntex（tex）

——国际标准单位特克斯Nt:在公定回潮率下，1000米长的纤维所具有重量的克数,tex;分特Ndt：在公定回潮率下，10000米长的纤维所具有重量克数,dtex。同品种纤维，Ntex↑，纤维越粗。(2)旦数ND

——绢丝，化纤常用指标在公定回潮率下，9000米长的纱所具有重量的克数。旦数与分特数的转换关系为：同品种纤维，Nden↑，纤维越粗.(3)公制支数Nm——常用于棉纤维在公定回潮率下，单位重量（克）的纱线所具有的长度（米）,表达式为：公制支数与旦数、分特数的转换关系为：同品种纤维，Nm↑，纤维越细。（4）英制支数Ne在公定回潮率9.89％时，一磅重的棉纱线所具有的长度的840码的倍数。

Gk’:massofyarnatU.K.metricmoistureregain(Cotton:9.89%)(lb)L’:lengthofyarn(yard)Cottonyarn,cottontypeyarn,cottonblendedyarn另有指标：

马克隆值M(用于棉）----本身无量纲，相当于单位长度（英寸）的重量（微克）反映细度、成熟度的综合指标。

M×Nm＝25400；Nt＝0.0394M；Nd＝0.354M

品质支数（用于毛）----沿用下来的指标，曾表示该羊毛的可纺支数，现表示直径在某一范围的羊毛细度。羊毛品质支数和平均直径的关系如下表：3.间接细度指标间的换算关系：Ntex

Nm=1000NdenNm=9000Nden=9Ntex

4．直径与截面积纤维细度值相同，其直径可能不同，其换算关系为：直径细度指标（直径）与间接细度指标的换算：式中：d----纤维直径（mm）

δ----纤维密度（g/cm3)二、纤维细度不匀指标 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

天然纤维细度不匀化学纤维细度不匀

2023/3/1115纤维细度不匀及其指标

纤维之间粗细不匀单根纤维沿长度方向上的粗细不匀中端粗，两边细2023/3/1116棉纤维：成熟度、品种、产地、生长部位等；毛纤维：品种、年龄、生长部位、生长季节、饲养条件等；麻纤维：生长条件、初生韧皮纤维细胞和次生韧皮细胞生长期不同等；蚕丝：蚕茧结构；化学纤维线密度可控，均匀度总体较天然纤维好，但也受温度、时间、牵伸力等因素的影响。纤维之间细度不匀2．细度不匀指标及分布 直径不匀是纤维细度不匀的最主要和最有效的指标，包括：直径均方差和变异系数直径平均差和平均差系数

（1）不匀率指标偏差是衡量测量精密度的尺度，它表示一组平行测量数据之间相互接近的程度。在实际测量中，偏差的大小比误差的大小更重要(极差，平均差，标准差）。变异系数或称相对标准偏差

实际工作中都用Cv表示分析结果的精密度。(coefficientofvariation)注意：标准偏差常用来衡量数据的波动性，由于将各测量值与的偏差进行了平方，即强调了大偏差数据的作用，所以，它比平均偏差更能表现出测定结果的精密程度。（2）纤维间细度不匀的分布图3-16纤维直径分布直方图及分布曲线ni,第i组中纤维的根数含量比-频率密度Ni第i组中纤维的根数--频数三、纤维细度及分布的测量方法 （1）中段切断称重法

----棉纤维、麻、丝或卷曲小的化纤的细度测定该法只能测算纤维的间接平均细度指标，无法得到细度的离散性指标。

由于棉的短绒被梳去，且棉的中段偏粗，故实测细度偏粗。1．称重与长度的测量中段切断称重法，定长称重法将纤维理成平行伸直，无游离纤维，然后用纤维切断器在纤维中段切取一定长度的纤维束，在扭力天平上称重，然后计数中段纤维的根数，计算Nm。

梳理切断称重数根数计算Nm＝L/G=10×n/G其中n是根数，G是中段纤维重量（mg）一般棉LC=10或20mm，毛麻一般LC为20或30mm图3-17中段切断称重法示意图一般适用于伸直性较好的纤维，如棉，麻，丝以及卷曲小的化纤等长度短于切断长度游离纤维2．直径测量法（1）显微镜观测法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。投影放大倍数一般为500倍，用放大500倍的锲形卡尺测量纤维直径。通常用分组计数法，计算出纤维的平均直径和直径变异系数。图3-18OFDA100测量仪（2）OFDA法（光学纤维直径分析仪器）OPTICALFIBERDIAMETERANALYSER基本原理与光学显微镜测量相同，是目前羊毛直径检测中IWTO的标准方法。试样可自动分离散落、试样台可自动x，y方向顺序移动和快速复位，快速（１min）、大样本（>2000根）

快速大样本准确干扰因素少适用范围广图3-19激光扫描纤维直径测量原理图（3）激光纤维直径测量法原理：利用纤维段对激光的遮挡量测量一般专用于毛发类纤维的测量，因为分散液对化纤可能有溶解或溶胀作用图3-20气流仪测量纤维细度原理示意图3．气流仪法——棉，羊毛原理：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R有关，而气阻又与纤维塞的填充率和纤维的粗细有关。2023/3/1128苛仁纳公式

Q：空气流量（测定时仪器的读数）K——系数，与纤维在管道中的排列状态有关，并受空隙率ε的影响；△P——管道两端的压力差（定值）A、L：试样筒内截面积、高度（固定值）ε——空隙率，未被纤维占据的体积的比率S0——纤维的比表面积（单位体积纤维的表面积）

μ：空气粘滞系数粘滞系数（与环境温湿度有关可通过温湿度修正使其保持一致）

ε：样筒内纤维的空隙率（即纤维集合体内的空间体积与纤维集合体总体积之比）；

纤维的密度y比表面积Ss纤维塞的质量M流量与单位面积质量的平方成正比单位面积的质量与线密度成正比在纤维塞质量M和测量参数（A,L,u）不变的情况下：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维的平均细度，但不能测试单根纤维的粗细。由其测定的原棉细度为马克隆值M，接近线密度（ug/mm）。4．振动测量法

——适用于圆形、长度较长的化学纤维图3-21振动（拨弦）法测纤维细度原理示意图利用纤维振动频率与线密度的关系四、纤维细度及其不匀表征的意义

1．基本现状 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OFDA法和LaserScan法，其次为显微镜法和气流仪法；麻纤维：主要采用切断称重法，其次为显微镜法或OFDA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方法；化纤长丝：一般采用绞丝称重法或显微镜法，其次为振动法。2．细度及其不匀对纤维集合体性质的影响（1）对纤维本身的影响细纤维(比表面积增大）：吸湿性好，染色性好，纤维柔软，色泽乳白化，纤维成形后结构均匀、力学性能提高；粗纤维：纤维内外层的结构差异变大，造成纤维力学性质的不均匀和纤维成形的异形化；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。（2）对纱线的影响纤维粗：纱线截面内的纤维根数减少，堆砌松，接触点少；纤维细：纱线截面中的纤维根数增加，有利于纤维间的相互接触和纱条均匀性的增加，纤维可纺性提高；2023/3/1136（3）对织物的影响

纤维细度种类线密度（dtex）直径（mm）???性能特征细旦0.89~2.28.41~17.7柔软、均匀、高支轻薄化棉、丝型纤维0.89~1.338.41~13.7柔软、均匀、高支轻薄化毛、麻型纤维1.1~2.213.7～17.7柔软、均匀、高支轻薄化超细0.011~0.893.0~11.2吸湿、导湿、细腻、仿皮革皮革（特细）0.011~0.110.9~4.0透汽、防水、细密、麂皮特征极细0.0001~0.010.09~0.12吸附、超滤、功能纳米尺度10-8~10-40.001~0.1特殊功能纤维细度与功能的关系纳米尺度与纳米纤维以纳米定义先定粗细尺度1~100nm，然后以纤维密度1.5~2.5g/cm3，计算纤维的线密度范围。纳米纤维：在纳米尺度范围内的纤维(直径1~100nm）。五、纤维细度与成纱质量、纺纱工艺的关系与成纱强度的关系在其它条件相同的条件下，纤维越细，成纱强度越高；与成纱条干的关系在其它条件相同的条件下，纤维越细，成纱条干越均匀；在保证一定成纱质量的前提下，细而均匀的纤维可纺较细的纱；与纺纱工艺的关系纤维越细，加工过程中容易扭结、折断而产生棉结、短纤维。第三节纤维的卷曲或转曲卷曲

——

沿纤维纵向形成的规则和不规则的弯曲。它与纤维的可纺性、成纱质量关系密切，对织物的柔软性、蓬松性、弹性、冷暖感等影响很大。-短纤维纺纱纤维间摩擦力和抱合力增加，成纱有一定强力；提高纤维和纺织品弹性，使手感柔软，突出织物风格；-改善织物抗皱性、保暖性以及表面光泽。一、纤维的卷曲形式及表征

1．卷曲现象图3-22羊毛及毛发类纤维的各种卷曲及表达（1）基本形式羊毛的自然卷曲，是由于内部结构中的正、偏皮质细胞呈双边结构或偏皮芯结构或不均匀的混杂结构所致。①~③无或弱卷曲，浅平波形，半细和土种羊毛；④锯齿波形，人工；⑤和⑥正常卷曲波形，常波卷曲，美利奴羊毛和中国良种羊毛；品质优⑦、⑧属高卷曲纤维，粗羊毛和新西兰羊毛；粗纺，弹性好⑨和⑩为三维螺旋卷曲，部分粗羊毛和土种毛表3-5澳大利亚羊毛的卷曲性与细度的关系羊毛的品质支数纤维直径um平均纤维长度mm卷曲数个/25mm8018.1～19.55522～247019.6～21.05722～246421.1～22.56720～226222.6～24.07016～206024.1～25.57716～205825.6～27.07816～205627.1～28.59213～165030.1～31.79613～164831.8～33.410010～134633.5～35.110810～134435.2～37.012710～13一般纤维越细，抗弯刚度低，应力不平衡程度高，因而卷曲更细密填塞箱法 填塞箱法复合纤维法加捻变形工艺编织解脱法图3-23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性和织物性能。利用纤维内部结构不对称（皮芯结构以及复合纤维），经热空气、热水处理后产生卷曲，如维纶及粘胶纤维；-利用纤维热塑性采用机械方法挤压而成，如涤纶等。常用方法：填塞箱法、机械挤压法、刀边法、空气变形法等。复合纤维法（2）卷曲的不均匀及变化卷曲清晰度：指卷曲形态的一致程度，即占主导地位的卷曲波形占所有卷曲形态的百分比；（复合卷曲或混杂卷曲）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）在使用中卷曲会消失；羊毛的卷曲：在高pH值或具有膨胀作用的液体浸泡下，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。这也是羊毛织物吸湿膨胀和易于毡缩的主要原因。2023/3/1144

（1）单纤维卷曲的测量及指标

图3-24单纤维卷曲测量法原理示意图（a）单纤维拉伸曲线T0：卷曲张力；GL：T=0时的夹持隔距；L0：纤维的自然长度；l=L1-L02023/3/1145图3-24单纤维卷曲测量法原理示意图（b）纤维卷曲弹性测量仪测量卷曲数（个/cm）一个波长中纤维的长度卷曲率（%）卷曲回复率（%）卷曲弹性率（%）应该是W1反映卷曲多少的指标指纤维单位伸直长度内，卷曲伸直长度所占的百分率（或表示卷曲后纤维的缩短程度）。反映卷曲牢度的指标卷曲弹性，卷曲耐久牢度1)卷曲数：指每厘米长纤维内的卷曲个数，是反映卷曲多少的指标。一般化学短纤维的卷曲数为12～14个/25cm，羊毛的卷曲数随羊毛细度和生长部位而异。

2)卷曲率:指纤维单位伸直长度内，卷曲伸直长度所占的百分率（或表示卷曲后纤维的缩短程度）。卷曲率的大小与卷曲数及卷曲波幅形态有关。一般短纤维的卷曲率在10～15％为宜。3）剩余卷曲率：指纤维经加载卸载后卷曲的残留长度对卷曲伸直长度的百分率。反映卷曲牢度的指标，数值越大，表示回缩后剩余的波纹越深，即波纹不易消失，卷曲耐久。一般短纤维约为70～80％。4）卷曲弹性率：指纤维经加载卸载后，卷曲的残留长度对伸直长度的百分率。反映卷曲牢度的指标。数值越大，表示卷曲容易恢复，卷曲弹性越好，卷曲耐久牢度越好。一般短纤维约为10％。

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图3-25切断纤维段的卷曲度计算原理图曲率卷曲度卷曲数r为纤维段弯曲半径；为纤维段两弯曲拐点的切线夹角；为弯曲段的长度；0为两拐点间的直线距离；L0取25mm。来源于细度测量时对纤维段弯曲的图像处理估算卷曲特征指标2023/3/1148图3-26羊毛毛丛的卷曲清晰性实物及示意图清晰度Cd：对毛丛的纹理作图像分析得出条纹的频率及其均匀性，以及条纹的主频率或规则条纹面积占所有频率或面积的百分数来描述纤维卷曲的规整度（2）纤维段弯曲曲率测量法2023/3/1149图3-27纤维束拉伸曲线起始卷曲段求CdW0完全不均匀卷曲所做的功；W为实际卷曲不匀所做的功（4）纤维集合体膨松性的测量常用指标：膨松度最大膨松度膨松系数二、纤维的转曲及表征 1.纤维转曲和扭转的表达转曲：纤维沿轴向发生扭转的现象。图3-28纤维转曲及其理论表达示意图n转曲数为单位长度上的纤维扭转个数（个/cm）

图3-29纤维扭转的表面条纹与扭转角差异纤维扭转角；D直径第四节纤维的截面形状及表征一、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：截面形状的非圆形化，又分为轮廓波动的异形化和直径不对称的异形化；截面的中空和复合化图3-30纤维截面变化的过程、类型及相互关系二、截面异形的表征

1．截面的轮廓波动异形图3-31截面异形几何特征参数示意图RO,RiA0Ai分别为最大接触点的外接圆和内切圆半径、截面积2．截面的直径变异异形（1）纤维截面存在长短差异时，可采用椭圆比来表达异形度：（2）内凹的纤维截面，分别用厚度和截面积表达内凹度：ts，跑道形的截面厚度（3）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：（4）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：S0，Sf分别为纤维和喷丝板孔的形态特征值（或异形度）三、截面空心与复合的表征

1．截面的空心（1）中空度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。单孔圆形多孔（n孔）圆形Av，纤维截面中孔洞横截面积；Af，纤维表