纺织物理第5章

1、高等纺织材料学,杜赵群（东华大学纺织学院）2013年-2014年第1学期,高等纺织材料学,第五章 纤维的光学和声学性质,第五章 纤维的光学和声学性质,纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、散射、折射和透射的性质，纤维的激发光谱与发光，以及光在纤维中的传递特性。 纤维吸收的光能转化为热能或部分电子云的振动。 纤维受光照后，还会引起光降解和老化，与纤维分子的化学结构、化学键键能、振动形式及材料的热扩散有关。 本章重点介绍纤维的折射、散射、发射的基本特征，纤维双折射性质与测量，纤维的光老化及发光现象，纤维的红外光谱技术。,高等纺织材料学-第五章 纤维的光学和声学性质,高等纺织材料学-第五章 纤维的

2、光学和声学性质,一、光与纤维 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。如该界面发生在纤维体内，如结构的晶相与液相界面，情况也一样。光与平行界面介质的相互作用如图所示，这种反射、折射与透射作用在透明介质中将发生多次，强度随着作用的次数迅速衰减，其原因是介质对光的吸收作用。普通纤维截面形状大多为圆形，当光入射截面为圆形的纤维时，光将在纤维内多次反射、折射和透射，如图所示。而光与纤维集合体的作用则为光与多根纤维相互作用，当纤维之间产生的光的干涉作用忽略不计时，其结果是光与各单根纤维作用结果的叠加，见图。这种模型对多原纤或填充消光颗粒的单纤维同样适用。,

3、第一节 纤维的反射与折射性质,二、纤维的折射率 当光线由介质1到介质2的折光指数n为,第一节 纤维的反射与折射性质,纤维为轴对称各向异形体，则折射率：,纤维密度对折射率的影响：,色散度量指数： (是486.1、589.3和656.3波长下的三个折射率求得的),折射率n与介质极化率a的关系：,三、纤维的反射与光泽,第一节 纤维的反射与折射性质,光线由光疏介质入射到光密介质的反射系数R为：,空气中,光泽定量表达是样品的反射系数与标准物质的反射系数之比，通常以折射率1.567的涂料样品做为标准，则根据反射系数R的定义或计算，即,Ir,Ii分别为反射和入射光的强度；1, 2分别为入射、折射角。,第一节

4、 纤维的反射与折射性质,四、纤维的散射与不透明 对于纤维为光学不均匀体，电磁波穿过时有两种作用，一是振幅和相位变化，一是结构不匀引起的散射损失，形成“光雾”或“乳化”。 光学不均匀材料的内部透射比刻有反射系数R、散射分数fsc、吸收分数fab求得， 反射系数可以通过将试样浸入与其折射率相同的液体中消除，此时的透射刻有与厚度有关的吸收系数K和散射系数S表示； 上式为一次散射结果，对于无限薄样品积分，,第一节 纤维的反射与折射性质,K+S为消光系数,Kubelka-Munk理论将消光系数与反射系数联系，考虑光与试样表面垂直，且只有入射和反入射方向的散射时，,R为无限薄样品的反射率,一、纤维的双折射

5、及其现象,第二节 纤维的双折射与测量,光线沿着纤维两个不同光轴方向传播时，由于各自方向上的光密度不同，将使得光线产生两种传递速度，具有两个折射率，成为双折射现象。 对某些物质来说，当光沿着不同方向传播时，由于在该物质不同方向上光密度不同，而使光的传递速度产生差异，即折射率的数值与光的传播方向有关，这种现象就称为双折射现象，具有双折射现象的物质称为双折射物质。在双折射物质中，呈现出最大和最小折射率时光线传播方向分别叫做双折射物质的光轴。表征双折射特征的指标为双折射率n。 n = nmax nmin 式中，nmax和nmin分别表示该物质的最大折射率和最小折射率。 由于纤维是轴对称的各向异性体，故

6、纤维的双折射定义为： n = n n 式中，n和n分别为光波振动方向平行于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n和垂直于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n。其物理过程为，可由图7-13表示，当一束平面偏振光E以电矢量振动方向与纤维轴夹角入射纤维后，可被分解为两组相互正交的平面偏振光。,第二节 纤维的双折射与测量,当一束平面偏振光进入纤维时， 一是沿着纤维轴向振动的平面偏振光，传播速度较慢，折折率较大，为非常光，或称慢光，e光； 另一是垂直纤维轴方向的振动的平面偏振光，一般传播速度较快，折射率较低，为寻常光，或称快光，o光。 折射率为正的材料，nn为正晶体；为负的材料为负晶体，为0的成为0晶体。,第

7、二节 纤维的双折射与测量,表7-10 常见纤维的折射率、双折射和纤维密度（温度202，相对湿度65%2%）,第二节 纤维的双折射与测量,1. 滞后现象及椭圆偏振光 已知纤维的折射率为n=vc / v，且时间t内通过光程为s，则 s n = vc t 则偏振光通过厚度为d的纤维的光程差 = vc t -vc t =（ n-n）d 相对应光程差的相位差,第二节 纤维的双折射与测量,第二节 纤维的双折射与测量,2. 干涉光强 纤维经检偏器的振动强度a为：,相对入射光强I0的比值为：,第二节 纤维的双折射与测量,3. 干涉色现象,第二节 纤维的双折射与测量,二、影响纤维双折射值的因素 1.纤维的结构

8、（1）极性基团及其排列方向 （2）纤维的结晶度与密度,（3）纤维大分子的构象,（4）纤维分子的取向排列,第二节 纤维的双折射与测量,（5）形状双折射 当两种各向同性的物质以一定方式排列组合，也产生双折射。,第二节 纤维的双折射与测量,（6）水分对纤维双折射的影响 纤维吸水后变为固相、液相混合体，纤维自身的双折射和固-液界面引起的双折射共同存在。其混合体的表达式：,三、纤维双折射的测量 1. 间接方法 （1）溶液混合法 选择高于和低于纤维折射率的两种溶液，通过混合配比成与纤维折射率等同的混合液体。 （2）改变光波波长法,第二节 纤维的双折射与测量,（3）温度变化测量法,准确判定两种物质的折射率相

9、等： （1）倍克线法（Becke line）,第二节 纤维的双折射与测量,（2）中央照明法,（3）相差显微镜法 （4）干涉光强显微镜法,第二节 纤维的双折射与测量,2. 直接方法 运用光程差直接测量纤维的光程差与纤维厚度，计算比值获得纤维的双折射率。 （1）萨那蒙补偿法 增加一个四分之波长的补偿片。,第二节 纤维的双折射与测量,（2）干涉法 有双光束、多光束干涉法。,第三节 纤维对光的吸收及老化双折射与测量,一、纤维对光的吸收,光线通过折射进入纤维后，除了反射、散射、透射外，就是纤维内部的多次反射、散射和折射而被纤维的分子、原子吸收。应该是说这些光子的能量转换为原子中的电子云的偏移振动，电子的

10、能级跃迁，非弹性振动和碰撞的能量转换。物质发热，分子间、分子内作用力的破坏，以及键断裂产生游离基的化学能。,第三节 纤维对光的吸收及老化双折射与测量,二、纤维的光致发光现象 是激发态分子辐射过程的现象。纤维被光照，尤其是被波长较短的紫外光照射，受激可产生可见光，该现象为光致发光。 主要有2种，一是荧光现象，纤维在受到紫外光照射，受激即刻产生发射的可见光，往往是单重激发辐射； 另一是磷光，即紫外光照射停止后的一段时间内仍在继续发光的现象，为多重激发辐射。,第三节 纤维对光的吸收及老化双折射与测量,第三节 纤维对光的吸收及老化双折射与测量,三、纤维的光降解和光老化 1. 光降解速率 聚合物光降解在

11、于分子吸收光量子能量后成为激发态分子，继续吸收积累能量达到活化能而键断裂，其离解方程为：,链断裂的量子产生率：,第三节 纤维对光的吸收及老化双折射与测量,2. 光降解形式 是复杂的自由基链反应过程，光降解的一般形式：,光氧化降解和热氧化降解的关系,第三节 纤维对光的吸收及老化双折射与测量,3. 纤维的光降解和光氧化 （1）聚丙烯纤维,（2）苯氧基树脂类 （3）涤纶纤维 （4）聚酰胺纤维 （5）羊毛纤维,第四节 红外光谱与红外二色性,一、红外光谱技术的一般概念与应用 红外光谱技术，如漫反射光谱、全反射光谱、反射吸收光谱、发射光谱、Raman光谱、光声光谱、红外显微镜等，还可以与热重分析、DSC、

12、裂解色谱、凝胶渗透色谱等连用。 红外辐射能量波长在2.525微米，主要是中红外区，对应的分子运动性质为分子极性基团的各种振动形式，如伸缩振动（对称与非对称）、平面摇摆、剪切振动、面外摇摆、扭转振动等。,第四节 红外光谱与红外二色性,二、纤维结晶性的表征 表征纤维的结晶度、结晶过程、晶型及其转变等，利用其对纤维结构特征和变化敏感的谱带强度与位移来进行的，这种谱带称为晶带或非晶带。,第四节 红外光谱与红外二色性,三、纤维的取向度表征与红外二色性 采用红外偏振光入射纤维时，可得光的偏振平面平行纤维轴和垂直纤维轴的红外光谱，当极性基团平行纤维轴排列时，该基团振动的特征谱带的平行吸光度A和垂直吸光度A存

13、在差异，即为红外二向色性（二色性），可用二色性比p表示：,根据Hermans取向因素，可得红外二色性比与取向因素f的关系：,第四节 红外光谱与红外二色性,四、纤维表面结构与性质的红外表征 红外光谱对纤维表面结构性质的研究主要有红外全反射、漫反射光谱法、光声光谱法、反射吸收光谱法。可根据多次反射来获得较大吸光度，通过进入被测物厚度，获得表面性质，进入被测物深度dp的表达式：,通过红外光谱法，可研究纤维表层的组成、基团特征、结晶性等，特别适于能成平面状的材料。,第五节 纤维的声学性质概述,纤维的声学性质主要讨论声波在纤维及其制品中的传播特征，以及声反射、透射和吸收的性质。,一、声波与纤维的作用 1

14、. 相互作用 声波作用于纤维，会产生反射、透射和吸收等。还会像机械拉伸收缩作用使纤维产生宏观的振动，形成逐段波动和向前扩展。其作用“振动子”相对电磁波要大，可以声子、分子链段和整个分子，甚至单元（晶核和纤维整体），由此形成纤维的振动、内摩擦和发热损耗。,2. 相互关系 吸声系数a为入射声强I0和反射声强Ir的关系。,第五节 纤维的声学性质概述,二、声波在纤维中的传播速度 1. 声的传播与纵波 声波的传播是发声体向某一方向振动时，压缩邻近的介质使其变密；而发声体向相反方向振动时，介质又变疏，这一疏一密的振动将波及邻近的介质，依次振动形成波的传播。 振动子的振动方向与波速方向一致，成为纵波；与波速

15、方向垂直时，称为横波。,2. 纤维中声波传播的各向异性 声速法或声模量法，也可以获得Hermans取向因子：,第五节 纤维的声学性质概述,3. 纤维结构的影响,对于两相结构，xc为结晶度，有声速v、模量E与纤维结晶度的关系：,纤维结晶和非结晶部分的Hermans取向因子fc、fa，则有,第五节 纤维的声学性质概述,三、纤维对声波的吸收 1. 吸声系数与声阻抗 通过厚度为dx的平面声波的振幅A衰减为-dA=aAdx：,纤维及其制品的吸声系数：,2. 吸声系数的影响系数 声频越低，声波越长、传播中的散射和绕射越大，波动特征显著，可共振“穿过”织物而不被反射，造成吸声系数的假象增大； 声波越短，绕射减少，反射增多，定向性变强，吸声系数反而变小。,第五节 纤维的声学性质概述,四、超声和纤维隔音材料