纺 织 材 料 学第6章 纺织材料的热学、电学、光学性质

第六章纺织材料的热学、电学、光学性质第

一节热学性质●比

热-定义：质量为1g纺织材料温度变化1℃所吸

收(放出)的热量单

位：J/g℃一、纺织纤维的导热与保温1.指标(1)导热系数λ-定义：材料厚度为1m,

两表面之间温差为

1℃,每小时通过1m²材料所传导的热量。-单位：Kcal/m.℃·h;W/m.℃纤维种λ(Wm/m².

℃)纤维种类λ(W.m/m2.

℃)类棉0.071-0.073涤纶0.084羊毛0.052-0.055腈纶0.051蚕丝0.050-0.055丙纶0.221-0.302粘纤0.055-0.071氯纶0.042醋纤0.050★空气0.026锦纶0.244-0.337★水0.599常见纤维的导热系数(在室温20℃时测得)(2)绝热率TT=[(Q,-Q)Q,1*100%式

中

：Q——

包覆试样前保持热体恒温所需热量

；Q₂——包覆试样后保持热体恒

温所需热量

。(3)克罗值(CLO)在室温21摄氏度，相对湿度小于50%,气

流为10cm/s

(无风)的条件下，一

个

人

静坐不动，能保持舒适状态，此时所穿

衣服的热阻为1克罗值。CLO越大，则隔热保暖性越好。2.影响纤维导热性能的因素○分子量的大小在同一温度下，分子量越高→入个。●温度与回潮率的影响-T个λ↑因为随温度增加，分子的振动频率

加大，使热量能籍此得到更好的传递。-水分越多，λ越大，保暖性越差.在同样温

湿度条件下，吸湿能力比较好的纤维，

导热

性比较好。3.纤维集合体的体积重量●保暖与否主要取决于纤维层中夹持的静

止空气数量。○纤维层中夹持的空气越多，则纤维层的

绝热性越好。

一旦夹持的空气流动，保

暖性将大大降低。○纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cm³,λ

最小，保暖性最好。4.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二.纤维的热学性能ThermalPropertiesSpecific

heat

and

thermal

conductivity-Specific

heat:a

measurement

of

the

amount

ofheatrequiredto

change

the

temperature1°Cof

a

unit

massofthe

fiber.●

Acharacteristicofthe

material●Notas

importantas

heatofwettingthat

involves

a

lot

more

heat.-Thermal

conductivity:a

measure

of

rate

of

heatflowthroughfibers(not

a

singlefiber

but

a

mass

of

fibers)●

Unit:Cal

of

heat/cm²of

fibrous

loftHeat

Resistanceo

Heat

resistanttemperature:atwhichafiber

starts

to

degrade,evidenced

as

decrease

ofmechanical

properties(weaker

and

brittle)Softeningand

meltingGlasstransitiontemperature:(

)polymeric

fibers

all

have

a

temperature

above

that

afiber

changes

from

a

glassy

state

to

a

rubberystate

(amorphous

phase

start

to

"melt").o

Meltingtemperature:(Tm)at

which

the

crystalline

phase

melts

or

molecules

incrystalline

phase

start

to

move

around.Decompositiontemperature:at

which

polymer

molecules

decompose

into

smallmolecules.Softeningand

meltingNote-Tg

is

extremely

important

for

performance

of

afiber.-Tmand

Tgdepend

on

intermolecular

forces,

structure,configuration

and

stiffness

of

themolecule.-Melting

temperature

exists

only

when

the

polymer

has

crystalline

region

and

a

decompositiontemperature

higher

than

Tm.-Fibers

with

Tmor

a

softening

temperature

are

thermoplastic

fibers.二.纤维的热机械性能若对某一纤维施加一恒定外力，观察其在等速

升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该纤

维的温度--形变曲线(或称热机械曲线)。纤维典型的热机械曲线如下图，存在两个斜率

突变区，这两个突变区把热机械曲线分为三个区域，

分别对应于三种不同的力学状态。形变温度在区域I,

温度低，纤维在外力作用下的形变

小，具有虎克弹性行为，形变在瞬间完成，当外力

除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种

力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。ⅢI玻

璃

态

1形

变温度随着温度的升高，形变逐渐增大，当温度升高到

某一程度时，形变发生突变，进入区域II,

这时即

使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，

并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力

能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。高弹态I玻璃态形

变ⅢI温度当温度升到足够高时，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。Ⅲ粘流态高弹态I玻璃态形

变I高弹态II温度玻璃化转变区玻璃态粘流态II粘态转变区形变TgI纤维的热机械性能曲线的特点(1)四个温度a.玻璃化温度Tg定义：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

。b.粘流温度T定义：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T

m定义：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。高聚物的Tm

低分子的T,md.

分解点温度T

d定义：高聚物大分子主链产生断裂的温度。(2)两个转变区：玻璃化转变区，粘弹态转变区(3)三种力学状态：玻璃态：分子链段运动被冻结，显

现脆性高弹态：分子链段运动加剧，出现高弹变形粘流态：大分子开始变形纤维种类玻璃化温度软化点熔点分解点洗涤最高温度棉——15090-100羊毛———-一一13030-40桑蚕丝一

——一

15030-40粘胶纤维--150一

醋酯纤维186195-205290-300一

涤纶80,67,90235-240256——70-100锦纶647,65180215-220—-80-85锦纶6685225253——80-85腈纶80-100,140-150190-240--280-30040-45维纶85干220-230

水中110————丙纶-35145-150163-175——--氯纶82水中110200——30-40几种纺织纤维的热转变点Tg的影响因素o(1)

聚合物的结构Tg

是链段运动刚被冻结的温度，而链段运动是通过主链单键的内旋转来实现，因此Tg与高分子链的柔顺性相关，柔顺性好，Tg低，柔顺

性

差

，Tg高。主链由饱和单键所组成的聚合物，如-C-C-,-C-N-,

-C-O-,-Si-O-

等，柔顺性

较好，一般Tg不高主链中引入孤立双键，可

提高分子链的柔顺性，使Tg降低主链中引入共轭双键、芳环或芳杂环，可提高分子链的刚性，Tg

升高~CH₂-0~-50

-123~CH₂-CH=CHCH₂~

CH-73H₃CH₃C聚苯醚220Tg(℃)-18Tg(°℃)a.主链结构聚碳酸酯150b.侧基或侧链侧基的极性越强，数目越多，T,

越高，如：~CH₂-CH~

～CH₂CH~CH₃聚丙烯

聚(3,3-二甲基-1-丁烯)

聚苯乙烯刚性侧基的体积越大，分子链的柔顺性越差，T,

越高，如：~CH₂-CH~CH₃聚丙烯Tg(℃)-18

64100

208CN聚丙烯腈90OH聚乙烯醇85聚氯乙烯81聚乙烯基咔唑柔性侧链越长，分子链柔顺性越好，Tg越低，如：CH₂-

(聚甲基丙烯酸酯)COORR=-CH₃,-C₂

H₅,-C₃H7,??-C₄Hg,-C₈

H₁7,-C1

8H37Tg(℃)105

65

35

20

-20

-100如果是对称双取代，可提高分子链柔顺性，

Tg

下降，如：om.g--cm8—C

CH--CH₂C

-Tg(°℃)81

-17

-18

-70H₃CH₃₂c.分子量·

当分子量较低时，MW7,

T。·

当分子量足够大时，Tg

与分子量无关。d.化学交联●交联度↗,分子链运动受约束的程度7,分子链柔顺性，Tg↗。(2)外界条件·

聚合物的玻璃化转变是一个松弛过程，与过程相关，因此升温或冷却速度、外力的大小及其作用时间的长短对T。都有影响。·测定T

时升温或降温速度慢，

Tg

偏低

；

外力作用速度快，Tg

高

；●单向外力可促使链段运动，使T。降低，外力愈大，T

降低愈明显。三.纤维的耐热性与热稳定性一般规律是：T

个，断裂强力↓;断裂伸长率个；初始模量↓;纤维变得柔软。1.

定义：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。2.常用纤维耐热性：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。四、纤维的热膨胀与热收缩1.热膨胀一部分纤维在加热的情况下有轻微的膨胀现象。原因是纤维分子受热后发生较强的热振

动而获得了更多的空间所致。膨胀系数(10-4)402100.8-1.6纤维种类棉聚乙烯聚丙烯醋酯纤维纤维种类膨胀锦纶膨胀涤纶锦纶涤纶膨胀系数(10-4)0.5几种纤维的热膨胀系数-10(在80℃附近)12.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：a.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°C、210°C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°C饱和蒸汽为介质处理一定时间(如3min)后的收缩率。(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个，热收缩率↑介质——水、空气、蒸汽原来的热处理条件(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。五、纤维的热塑性和热定型1.基本概念热塑性——将合成纤维或制品加热到T以上温度，

并加一定外力强迫其变形，然后冷却并去除外力，这种变形就可固定下来，以后遇到T<T时，则纤维或制品的形状就不会有大的变化。这种特性称之为热塑性。热定型—就是利用合纤的热塑性，将织物在一定张力下加热处理，使之固定于新的

状态的工艺过程。(如：蒸纱、熨烫)2.热定型的机理最初结构的松散；新结构的重建；新结

构的固化。3.热定型的方法干热定型----热风处理，金属表面接触

加热

。湿热定型-——-湿法定型，汽蒸定型，过热蒸汽定型。4.影响合纤织物热定型效果的因素(1)

温度(最主要因素)温度愈高，定型效果愈显著,但T不能

太高，否则会使织物手感粗糙，甚至引

起纤维损伤。(2)时间温度高，定型时间可短些；温度低，定

型时间可长些。定型时间必须保证热在织物中的均匀扩

散及分子链段的重建。(3)张力高张力定型适用于单丝袜子；弱张力定型用于多数的针织物和机织物；无张力定型在一般织物中用得较少。(4)冷却速度一般要求较快冷却，可使新结构快速

固定，可获得较好手感的织物。(5)定型介质六、纤维的燃烧性能1.指标(1)可燃性指标：(表示纤维容不容易燃烧)点燃温度；发火点点燃温度或发火点越低，纤维越容易燃烧。(2)

耐燃性指标(表示纤维经不经得起燃烧)极限氧指数

LOI(LimitOxygen

Index)定义：纤维点燃后，在氧、氮大气里维燃烧所需要的最低含氧量体积百分

数。2.

阻燃机理阻燃——指降低材料在火焰中的可燃性，减慢火焰蔓延速度，当火焰移去后能很快

自

熄

。3.提高纤维制品难燃性的途径(1)制造难燃纤维在纺丝原液中加入防火剂或用合成的难燃聚合

物纺丝。(2)阻燃整理阻燃剂处理(3)通过与难燃纤维混纺，以提高纤维的难燃性。可燃性和阻燃性易燃纤维：纤维素纤维、腈纶可燃纤维：羊毛、蚕丝、锦纶、涤纶、维

纶难燃纤维：氯纶不燃纤维：玻璃纤维、碳纤维等七、纤维的熔孔性1.定义：当纤维及其制品上为热体所溅时被熔

成孔洞的性能。抗熔性：抵抗熔孔现象的性能。2.合成纤维易产生熔孔现象的原因涤纶、锦纶熔融所需的热量较少；涤纶、锦纶的导热系数比棉、粘、羊毛大。3.改善织物抗熔性的方法：合纤与天然纤维混纺；制造包芯纱(芯用锦纶、涤纶，外层用

棉

)

。第二节

光学性质光学性质：纤维在光照射下表现出来的性

质。主要包括色泽、双折射、耐光性。光学性质与纺织品的外观质量关系密切；光学性质是研究纤维内部结构的一种途径○

一、纤维的色泽●1.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)各种颜色的波长与波长范围(nm)颜色感

觉标准波

长波长范

围颜色感

觉标准波

长波长范围红色700620-780绿色510480-575橙色610595-620蓝色470450-480黄色580575-595紫色420380-450(a)光对纤维的折射、反射和透射(b)

光与单纤维内的作用

(c)光与纤维集合体的作用图5

-

1

光与透明纤维及其纤维集合体的折射、反射和透射主反射

次反射₁主透射光与纤维的作用入射θ介质1(空气或液体)介质2(纤维)介质1(空气或液体)2.纤维的光泽纤维的光泽取决于：光线在纤维表面的反射情况(反射量

的大小；反射光量的分布)(1)纤维光泽的形成4图9

-

8

光线在纤维表面的反射、折射和透射一入射光(平行光)2—表面正反射光3—表面散射反射光

4一透射光5一来自内部的散射反射光●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。●透射光决定纤维的透明程度。●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”。(2)影响纤维光泽的因素：a.

纵面形态b.

截面形状c.层状结构●光泽与观察角度有关●光泽与反射平面有关-有均一反射平面的纤维，其光泽感强-如蚕丝，截面为三角形，有很多的反射平面

圆形化纤无反射平面，光泽较差●光泽还与纤维表面的粗糙度有关-天然纤维表面较粗糙，反光亮度较弱，光泽亦差棉纤维中成熟好光

泽好；羊毛中粗的优于细的。-化纤表面光滑，反光亮度大，光泽强。光泽二、纤维的双折射1.

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

面上光轴，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●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

体纤维的双折射现象平面端振光A=A

sinot纤华轴

(2轴)2.纤维双折射率的测定方法及应用o

测量：浸没法：(寻找贝克线，测得表层折射率)光程差法：△D=d(n-n1)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。纤维折射率nn-n棉1.573~1.5811.524~1.5340.041~0.051苎麻1.595~1.5991527~1.5400.057~0.068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1.5471.5220.025三、纤维的耐光性定义：纺织材料抵抗光照的能力。纤维经长期光照，会发生不同程度的裂解，使

大分子断裂，分子量下降，强度下降。Ti0,的

存在会加速裂解。●

耐光性大致顺序：腈纶>羊毛>麻>棉>粘胶>涤

纶>锦纶>蚕丝氰基

—CN:

能吸收紫外光，有效的保护主链；羰基—CO—:

对光敏感，产生热振动，易使大分子裂

解

。纤维日晒时间(h)强度损失(%)棉94050亚麻、大麻110050羊毛112050蚕丝20050粘胶纤维90060涤纶60060锦纶20036腈纶90016-25日光照射时间与纤维强度的损失第三节

纤维的电学性质●纤维的电学性质与纺织加工及使用有关，并可

通过纤维的电学性质间接测量纤维的其它性质

(如回潮率、纱线条干)。主要包括纤维的介电性质、导电性、静电。1.

纤维的导电性导电的基本方式：自由电子的定向运动，如金属；电离离子的定向运动，如电解溶液。○纤维的导电机理纤维本身导电性很差，理论上为电绝缘体

.纤维内的水分、杂质和其它低分子物质的存

在，会电离出一定的离子，形成离子导电。吸湿性好的纤维；导电高分子.一、纤维的介电性质纤维的导电能力只有导体的10-1010-14,

是

一种电绝缘材料(电介质)。1.纤维的介电常数ε(1)

定义：在电场中，由于介质极化而引起相反

电场，将使电容器的电容变化，其变化的倍数

称为介电常数。它是材料的本体常数。其

数

值

为

：

e=C

材/C₀C材——以某种纤维材料为介质时，电容器的电容量；C。——以真空为介质时，电容器的电容量(2)影响ε大小的因素a.内因电介质的密度：密度愈大，ε个；极化率：纤维分子极化程度个，E

个；纤维分子量：分子量↓,εb.外

因温度：温度增加，

e

增加。频率：先上升再下降。回潮率：回潮率增加，

e增加。二、纤维的导电性能1.纤维的比电阻(1)体积比电阻(pv,Ω

·