湖工院纺织材料学课件第7章 纺织材料的热学、光学、电学性质

第七章纺织材料的热学、光学、电学性质1内容提要：常用热学指标；纤维的热力学性质、热定形及抗热破坏性质（耐热性、热稳定性、燃烧性、熔孔性、热收缩等）；纤维的色泽、双折射、耐光性、紫外荧光；纤维的电阻、静电。2第一节热学性质

一、热学指标

（一）比热C

质量为一克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量。单位：焦尔/克·度(J/g·℃)。比热值的大小，反映了材料释放、贮存热量的能力。或者温度的缓冲能力。3纤维种类比热值纤维种类比热值纤维种类比热值棉1.21～1.34粘胶纤维1.26～1.36石棉1.05羊毛1.36锦纶61.84芳香聚酰胺纤维1.21桑蚕丝1.38～1.39锦纶662.05醋酯纤维1.46亚麻1.34涤纶1.34玻璃纤维0.67大麻1.35腈纶1.51黄麻1.36丙纶(50℃)1.80常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为20℃）单位：J/g·℃

4影响纺织纤维比热的主要因素

:纤维的比热值是随环境条件的变化而变化的，不是一个定值。同时，又是纤维材料、空气、水分的混合体的综合值。(1)温度的影响一般认为，温度较高时，具有一定回潮率纤维的比热增大。5(2)水分的影响羊毛纤维比热与回潮率和温度的关系

6（二）导热系数λ

导热主要通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。材料在一定的温度梯度场条件下，热能会通过物质本身扩散.7QdT1T2(T2

T1)Sλ8材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度称为导热系数。其含义是,当纤维材料的厚度为1m,两端间的温差为1ºC时，1秒内通过1m2纤维材料传导的热量焦耳数。单位：焦/米·度·时（Ｗ/m·ºC）9纤维制品λ(W/m·℃)λ∥λ⊥棉纤维0.071～0.0731.12590.1598羊毛纤维0.052～0.0550.47890.1610蚕丝纤维0.05～0.0550.83020.1557粘胶纤维0.055～0.0710.71800.1934醋酯纤维0.05羽绒0.024木棉0.32麻1.66240.2062涤纶0.0840.97450.1921腈纶0.0510.74270.2175锦纶0.244～0.3370.59340.2701丙纶0.221～0.302氯纶0.042静止干空气0.026——纯水0.697——10影响纤维导热系数的因素

(1)纤维的结晶与取向纤维本身的导热系数由于纤维结构的原因也呈现各向异性。

(2)纤维集合体密度对于纤维集合体，也是纤维、空气、水分三者的综合值。导热系数与集合体的体积重量的关系呈对号规律。

11纤维层体积重量和导热系数间的关系

12（3）纤维排列方向αf热辐射方向纤维层方向导热系数纤维排列方向角αf与导热系数的关系

13(4)纤维细度和中空度(5)环境温湿度纤

维导热系数λ(W/m·℃)0℃30℃100℃棉0.0580.0630.069羊毛0.0350.0490.058亚麻0.0460.0530.062蚕丝0.0460.0520.059温度与纤维导热系数间的关系

14

增强服装保暖性的途径尽可能多的储存静止空气；

（中空纤维、多衣穿着、不透水）降低W%；选用λ低的纤维；加入陶瓷粉末等材料15（三）热阻Ｒ和绝热率T热阻Ｒ（m·ºC/Ｗ）

绝热率T它们反映的是材料的隔热能力——保暖性，值越大，说明材料越保暖。16二、纺织材料的热力学性质热力学性质也叫热机械性质，是指在温度的变化过程中，纺织材料的机械性质亦随之变化的特性。用不同的温度点来表征力学特性。

绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构，即有结晶区与非结晶区，而这两个区域对热的反映是不一样的，对结晶区来说在热的作用过程中，它的热力学状态有两个：一个是在热的作用下，结晶体解体形成熔融态，另一个是结晶不被破坏呈结晶态。对无定形区来讲，热力学状态大致有三个：玻璃态、高弹态和粘流态，这些状态可用以下的热力学指标来表征和区分。17（一）熔点Tm（软化点）熔点是纤维的重要热性质之一，也是一个结构参数。我们知道低分子结晶体的熔化是一个相的转变过程，由结晶态（晶相）变成熔融态（液相），而且相的转变在很窄的温度范围内进行，所以叫熔点。对纤维材料，结晶是由高聚物形成的，它的熔化过程有一个较宽的温度区间——熔程，由于该熔程比较宽，通常把开始熔化的温度叫起熔点，把晶区完全熔化时的温度叫溶点Tm。

若材料的结晶度高，晶体比较完整，则熔程变窄，熔点也随之而提高，同样结晶度条件下，晶粒大，Tm升高。18对于无定形区来说，在热的作用下，基本上有三种热力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态，通过变形能力来区分。

在玻璃态时，强力高，变形小，且外力去除后，变形很快消失，表现出类似玻璃的力学性质。

而高弹态时，受到外力，可产生较大的变形，当外力消除，变形较易回复，类似于橡胶的力学特征。

粘流态时，变形不但很容易而且是不可逆的，呈现一种具有粘滞性可流动的液体状态。19两种转变和三种力学状态

玻璃态高弹态

粘流态

玻璃化转变区粘弹转变区交联型分子Tg(℃)Tf(℃)(a)Tg(℃)Tf(℃)交联型分子玻璃态高弹态粘流态玻璃化转变区粘弹转变区(b)非晶态材料的热机械性质

20（二）玻璃化温度Tg

我们把高弹态向玻璃态的转变称做玻璃化转变，其转变温度为玻璃化温度。对纺织材料来说，这个转变是很重要的。（热定形，许多使用性能的基础）（三）粘流温度Tf

高弹态到粘流态之间的转变温度。21纤维玻璃化温度Tg(℃)熔点Tm(℃)粘流Tf(℃)分解点Td(℃)熨烫温度(℃)棉230——150200羊毛60或80—63.1135180蚕丝———150160麻———253100粘胶260~300110醋酯186195~205290~300—110锦纶647,65180215—125~145锦纶6682225253300120~140涤纶80,67,90235~240256—160腈纶90190~240—280~300130~140维纶85干:220~230水:110——干:150丙纶-35145~150163~175—100~120氯纶8290~100200—30~40

常见纺织纤维的热学性能

22（1）四个温度

（2）两个转变区（3）三种力学状态

23

a.玻璃化温度Tg

——非晶态高聚物大分子链段开始运动的最低温度，或由玻璃态向高弹态转变的温度。影响Tg的因素：化学组成的影响；分子量和交键作用；混合、接枝及共聚的影响；增塑剂的作用。凡是使链的柔性增加，使分子间作用力下降的结构因素都会使Tg改变。b.粘流温度Tf

——非晶态高聚物大分子链相互滑动的温度，或由高弹态向粘流态转变的温度。

c.熔点温度Tm

——高聚物结晶全部熔化时的温度，或晶态高聚物大分子链相互滑动的温度。

d.分解点温度Td

——高聚物大分子主链产生断裂的温度。24两个转变区：

1玻璃化转变区

2粘弹态转变区25玻璃态：分子链段运动被冻结，显现脆性，类似普通玻璃性能。高弹态：分子链段运动加剧，出现高弹变形，类似橡胶的特性。粘流态：大分子开始变形，表现出液体流动的特性。26三、热定形

（一）概念：

定形是指使纤维（包括纱、织物）达到一定的（所需的）宏观形态（状），尽可能切断分子间的联结，使分子松弛，然后在新的平衡位置上重新建立尽可能多的分子之间的联结点。

热定形则是指在热的作用下（以热手段进行分子之间联系的切断或重建）进行的定形。可以看出，热定形的主要目的就是为了消除材料在加工过程中所产生的内应力，使之在以后的使用过程中具有良好的尺寸稳定性，形态保持性，弹性，手感等。27（二）热定形的效果

暂时定形,半永久定形与永久定形。

（三）热定形的条件

（1）湿度(或定形液)：降低Tg

（2）热：加热到Tg以上，Tm以下方可定形

（3）力：施加外力达到我们所需的外观形态

（4）时间：大分子间的联结只能逐步拆开，达到比较完全的应力松弛，需要时间。重建分子间的联结也需要时间28纤维品种热定形温度(℃)热水定形蒸汽定形干热定形涤纶120~130120~130190~210羊毛90~100100~120130~150锦纶66100~120110~120170~190腈纶125～135130～140丙纶100~120120~130130~140几种纤维织物的常用热定形温度

29四、耐热性和热稳定性

（一）耐热性。指在热的作用下，抗破坏的能力。可用破坏温度来表示，或受热时性能的恶化来评价。（二）热稳定性。指在某温度持续作用下，多长时间会破坏的性能。30

耐热性——纤维耐短时间高温的性能。

热稳定性——纤维耐长时间高温的性能。一般规律是：T↑，断裂强力↓；断裂伸长率↑；初始模量↓；纤维变得柔软。

31常用纤维耐热性比较：

天然纤维：棉>麻>蚕丝>羊毛

人造纤维：粘胶>棉

合成纤维：涤纶>腈纶>锦纶>维纶碳纤维、玻璃纤维相当好。32纤维在20℃未加热在100℃经过20天在100℃经过80天在130℃经过20天在130℃经过80天棉10092683810亚麻10070412412苎麻1006226126蚕丝1007339——粘胶10090624432锦纶10082432113涤纶100100969575腈纶1001001009155玻璃纤维100100100100100常见纺织纤维受热后的剩余强度(%)

33热收缩

（1）定义：合成纤维受热后发生不可逆的收缩现象称之为热收缩。（2）指标：

热收缩率——加热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率。根据介质不同有：

34a.沸水收缩率：

一般指将纤维放在100°C的沸水中处理30min，晾干后的收所缩率；

b.热空气收缩率：

一般指用180℃、190℃、210℃热空气为介质处理一定时间（如15min）后的收缩率；

c.饱和蒸汽收缩率：

一般指用125-130℃饱和蒸汽为介质处理一定时间（如3min）后的收缩率。35（3）产生原因：纺丝成形过程中，受到较大的抽伸作用，纤维残留一定的内应力；

（4）影响因素：温度——T↑，热收缩率↑

介质——水、空气、蒸汽原来的热处理条件36（5）利弊

利用不同的纤维收缩率，混纺可改善纱线结构。长丝或合纤纱热收缩率不同，产生易吊经、吊纬、裙子皱。使用时也要注意热收缩问题。37形态的稳定性38五、熔孔性

（一）概念

织物接触到热体而形成孔洞的性能——熔孔性。影响熔孔性的因素主要有：

（1）热体的温度

（2）热体的作用时间

（3）热体的热量

（4）纤维的性能（可熔性，导热性，比热，吸湿性等）。

（二）测量方法

1．落球法：一定温度、重量大小的钢（或玻璃）球在布上形成孔洞所需时间。

2．烫法：用热体（金属棒、玻璃棒、纸烟等）接触试样一定时单间，观察熔融状态。39六、阻燃性

（一）定性表达

根据纤维在火焰中，离开火焰后的燃烧状况分为：

1、易燃：遇火就燃，离火仍燃，且燃烧迅速，可造成火灾。

2、可燃：遇火能燃，离火后仍曼延，但速度慢。

3、难燃：在火焰中可燃，离开火则自熄。

4、不燃：与火接触亦不燃烧。（二）定量表达

1、点燃温度

2、火焰最高温度

3、燃烧速度

4、极限氧指数

极限氧指数LOI（LimitOxygenIndex）：

40分类LOI(%)燃烧状态纤维品种不燃≥35常态环境及火源作用后短时间不燃烧多数金属纤维、碳纤维、石棉、硼纤维、玻璃纤维及PBO、PBI、PPS纤维难燃26~34接触火焰燃烧，离火自熄芳纶、氟纶、氯纶、改性腈纶、改性涤纶、改性丙纶等可燃20~26可点燃，能续燃，但燃烧速度慢涤纶、锦纶、维纶、羊毛、蚕丝、醋酯纤维等易燃≤20易点燃，燃烧速度快丙纶、腈纶、棉、麻、粘胶纤维等LOI对纤维燃烧性能的分类

41第二节光学性质纤维的色泽纤维的双折射纤维的耐光性42纤维同其它物体一样，当光照时到它也会发生反射、透射、折射、散射和吸收。光学性质也和内部结构有着比较密切的关系。一、光在纤维中的反射与折射现象当光线照射在纤维上，在纤维（介质2）与空气或液体（介质1）的界面处将发生反射与折射现象。43入射主反射次反射次透射主透射介质1(空气或液体)介质1(空气或液体)介质2(纤维)

2

2

1

1(a)层状结构irtt2t3trtr2trtt2rtr(c)纤维集合体入射反射1反射3折射2折射1折射3反射2(b)纤维层状结构纤维多层反射和折射对光泽影响的示意图

44二、色泽：

色泽——颜色与光泽，不可分的统一体。

（一）颜色：材料对光的选择性吸收和反射的结果。(天然纤维的白度反映其质量)（二）光泽：反射可见光的能力。45纤维的颜色

纤维的颜色取决于纤维对不同波长色光的吸收和反射能力。天然纤维的颜色：取决于品种（即天然色素）；生长过程中的外界因素合成纤维的颜色：取决于原料（是否含有杂质）；纺丝工艺（如温度、加热时间等）46颜色感觉标准波长波长范围红色700620-780橙色610595-620黄色580575-595绿色510480~575蓝色470450~480紫色420380~45047纤维光泽的形成纤维的光泽实际上是：正反射光、表面散射反射光和来自内部的散射反射光的共同贡献。评价光泽应同时考虑两个方面：反射光量的大小和反射光量的分布规律反射光量很大，分布不均匀——“极光”；反射光量很大，分布较均匀——“肥光”。48影响光泽的因素主要有：

①纤维的表面状况（粗毛比细毛光泽强）；

②纤维的截面形状，不同的形状会产生不同的光泽效果。如表面平滑——平行反射（镜面反射），光最强；表面粗糙——漫射，光柔和（反射光强一致）或产生闪光效应（有峰值漫射）；

③纤维结构与含杂：层状结构（蚕丝）相当于多个反射层，反射—折射的多次反复，形成了蚕丝的特殊光泽。水分使光泽下降，颜色浓度上升，表面上的油、蜡等其它成分也会使光泽发生变化，所以化纤可通过渗杂（二氧化钛）获得有光、半光、无光纤维。

④纤维彼此排列的平顺程度。49二、双折射

构成纤维的大分子都是很长的，若不形成取向排列，则它们只会有折射，但大多数纤维都是有取向的，当一束光射到纤维上时（非光轴入射）会形成两条折射率不同的光线，发生双折。双折射现象

双折射率△n=nmax─nmin

50双折射的定义——平行偏振光沿非光轴方向投射到纤维上时，除了在界面上产生反射光外，进入纤维的光线被分解成两条折射光，称之为纤维的双折射。其中一条：寻常光（简称o光），遵守折射定律，振动面⊥光轴，n⊥；另一条：非寻常光（简称e光），不遵守折射定律，振动面‖光轴，n‖。

双折射率：△n=n‖-n⊥51光入射平面偏振光纤维E⊥Eθ纤维轴δEe光V∥o光V⊥滞后δ椭圆偏振E∥52

纤维折射率n‖n⊥n‖-n⊥棉1.573~1.5811.524~1.5340.041~0.051苎麻1.595~1.5991.527~1.5400.057~0.068亚麻1.5941.5320.062羊毛1.553~1.5561.542~1.5470.009~0.012桑蚕丝1.5781.5380.040粘胶纤维1.539~1.5501.514~1.5230.018~0.036三醋酯纤维1.4741.479-0.005涤纶1.7251.5370.188锦纶61.5681.5150.040锦纶661.570~1.5801.520~1.5300.053腈纶1.500~1.5101.500~1.510-0.005~0维纶1.5471.5220.02553纤维的双折射现象传播速度较慢的光，称慢光，又称e光，该方向的折射率较大传播速度较快的光，称快光，又称o光，该方向的折射率较小双折射率△n＝n∥－n⊥△n>0为正晶体；△n<0为负晶体；△n=0为零晶体大多数纤维为正晶体54影响双折射大小的因素（1）取向度取向度↑，各向异性显著，双折射率↑。当全部大分子与纤维轴平行排列时，双折射最大。当大分子排列紊乱时，双折射为0。（2）大分子本身的不对称性凡是大分子链呈曲折状或螺旋状，或主链上有侧基，都会使双折射率下降。腈纶有螺旋状主链、三醋酯纤维分子上的侧基多，故△n是负值。55纤维双折射率的测定方法及应用

测量：浸没法；（寻找倍克线，测得表层折射率）

光程差法，△D=d（n‖-n⊥）用石英楔子补偿法测出△D和d。

应用：

（1）用于判明纤维分子的取向程度

△n大，取向度大。

（2）用于判明管状纤维的孔径或棉纤维的成熟度56三、耐光性

耐光性是纤维抵抗日光破坏的能力。它是耐气候性的一个方面。日光中的紫外线对纤维损伤厉害，而红外线起辅助破坏作用。

纤维耐光性的大致排序为：腈纶＞羊毛＞麻＞棉＞粘胶＞涤纶＞锦纶＞蚕丝。

57

PBO光照后的力学性能保持率

58纤维日晒时间（h）强力损失（%）蚕丝20050棉94050羊毛112050亚麻110050粘胶90050腈纶80010~25锦纶20036涤纶60060几种常用纤维日晒后强力损失程度

59四、光致发光(紫外荧光)

纤维的光致发光是激发态分子发生跃迁而辐射出特定波长光的现象。纤维在受到紫外线的照射时，会发出在可见光范围内的光，称之为紫外荧光。各种纺织纤维具有不同颜色的荧光，可用来鉴别纤维，产品开发。60纤维名称荧光颜色磷光颜色t(秒)棉纤维淡黄色淡黄色20棉（未成熟）淡蓝色淡黄色17棉（丝光）淡红色淡黄色27.5丝（脱胶）淡蓝色淡黄色23.5羊毛淡黄色无色12黄麻淡黄色黄色15亚麻（生）紫褐色无色5.75粘胶白色带紫黄色10锦纶淡蓝色淡黄色22.5纤维荧光和磷光颜色及延续时间t

61第三节电学性质一、导电性质

（一）定义1．体积比电阻：单位长度(1cm)上所施加的电压U，相对于单位截面(1cm2)上所流过的电流I之比，单位Ω·cm。

2．质量比电阻：考虑纤维材料比电阻测量的方便，引入质量比电阻ρm概念，即单位长度上的电压（U/L）与单位线密度纤维上流过的电流(I/(m/L))之比，单位Ω·g/cm2。623．表面比电阻：纤维柔软细长，体积或截面积难以测量，而通常纤维导电主要发生在表面，因此采用表面比电阻ρs表达。ρs是单位长度上的电压（U/L）与单位宽度上流过的电流（I/H）之比，单位Ω。63纤维种类lgρmnlgK棉6.811.416.6苎麻7.512.318.6蚕丝9.817.626.6羊毛8.415.826.2粘胶7.011.619.6锦纶9~12醋酯11.710.620.1腈纶8.7腈纶（去油）14涤纶8.0涤纶（去油）14纺织纤维的质量比电阻

一般纺织纤维lgρm在7以下为好,不然要采取防静电措施,9以上必须采取防静电措施.64（二）影响因素：

1、回潮率：在湿度0~100%的变化范围内，比电阻变化可达106倍。

用经验公式来表示:

质量比电阻与相对湿度的关系

652、温度：温度升高，导电性能增加，电阻下降。质量比电阻与温度间的关系

663、电压与频率：电压过高，材料击穿失去绝缘性。电压高，测得的比电阻小，不同电压下的测试结果不具备可比性。频率影响介电系数，频率变高，介电系数变小，介电系数与质量比电阻的关系如下式：棉a=76.8,b=1.1;羊毛a=42.2,b=3.64、含杂与伴生物:

含杂高,比电阻下降.67二、介电性质1．介电现象和介电常数所谓介电现象是指绝缘体材料(也叫电介质)在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象。2．常见纺织纤维的介电常数68纤维介电常数εr棉18羊毛5.5粘胶纤维8.4粘胶丝15醋酯短纤维3.5醋酯丝4.0锦纶短纤维3.7锦纶丝4.0涤纶短纤维，去油2.3涤纶短纤维4.2腈纶短纤维，去油2.8常见纺织纤维的介电常数

693．影响纤维介电常数的主要因素(1)纤维内部结构对介电常数的影响纤维的分子量较小,分子的堆砌密度较大,极性基团越多,基团极性越强,纤维介电常数越大.(2)外部因素对介电常数的影响含水率,温度升高和电场频率的下降,都会使介电常数增大.70纤维介电常数与含水率的关系

71频率对棉纤维介电常数的影响

724．介电损耗在交变电场作用下，纤维材料的极性基团以及纤维内部的水分子会发生极化，极化分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换不断地作扭转交变取向运动，分子间发生碰撞、摩擦、生热，消耗能量。这种电介质在电场作用下引起发热的能量消耗，称为介电损耗。73单位时间内,单位体积的纤维所产生的热能P为:f为电场频率(Hz);E为电场强度(V/cm);为介电损耗角的正切;为介电损耗因数．介电损耗取决于介电常数εr和介电损耗角正切tgδ。εr和tgδ主要由纤维的组成和结构决定，与电场频率有关。74干燥纤维材料的介电常数一般为2～5，tgδ为0.00l～0.05，而水的介电常数为20～80，tgδ为0.15～1.2，所以水的介电损耗因数至少比干燥纺织纤维大几十倍。当纤维材料作为电工绝缘材料使用时，介电损耗应当越小越好．也可利用电介损耗对纤维材料进行加热烘干．75三、静电

（一）静电的产生与积累

任何两种物质，互相接触或摩擦时，只要表面电荷载体的能量分布不同，就可能发生表面间的电荷再分配（电荷转移）。当它们分离后，表面会出现带电体。若表面为