第一章 纤维的结构.ppt

1、纺织物理学，第1章纤维的结构，概述，1纤维结构：纤维结构是纤维的固有特性和本质属性，它决定了纤维的物理和化学性质，进而决定了纤维的使用特性；涵盖微观到分子组成，宏观到纤维形态；结构多样性(表面和内部结构)和结构层次之间有许多区别。2.纤维的结构层次模糊，结构精细：本文主要讨论了长链分子在纤维结晶区和非结晶区的结合和排列形式，以及这些结构块的形状和相互堆积形式。19世纪：微观结构的呈现；20世纪上半叶，卓有成效的研究和结构理论被提出并得到验证；近50年来，许多纤维结构理论和分析方法都有了新的突破。纤维微观结构常用的研究方法有：基于观察的方法：光学/电子显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜、x光

2、和电子衍射(x光纤维分子取向：结晶区和非结晶区分子排列的均匀性不同；纤维各向异性：纤维分子取向和微孔取向；纤维的机械、热学、电学和光学特性可以用流苏状的微孔来解释。第二，雄穗原纤维理论1原因和理论扫描电镜观察到纤维的微细结构(原纤维)，提出了原纤维理论。1)原纤维中流苏状微孔组织的表达；2)将原纤维解释为结晶区域；3)原纤维是结晶区和无定形区的交替形式；4)原纤维是高度有序的无定形结构。赫勒(1958)提出了边缘结构理论，旨在将确定的两相结构和单相结构理论结合起来。流苏原纤维理论的特征放弃了晶体区域是微细胞的假设，而晶体区域是由许多长链分子组成的连续流苏原纤维。分子在纤维沿长度方向的不同位置分

3、裂，部分进入无定形区，部分重新进入其他纤维，这可能导致晶格缺陷和混乱。结构特征：结晶和无定形区域都是连续的。化学纤维形成过程：当熔体离开喷丝头时，分子将形成晶核，晶核将作为后续的结晶源。当分子定向流动并被外界吸引时，晶核将发育并形成原纤化晶体。流苏微腔理论可以看作是流苏原纤维理论的一个特例，即尺寸的差异。赫勒流苏原纤维结构，流苏原纤维形成过程，3。折叠链片层理论片层存在的事实(图1-9，图1-10，链段垂直于片层表面来回折叠)产生了：聚合物熔体或溶液中的大多数分子处于随机缠结中。分子的一些片段在从喷丝头喷出并被引导和牵伸后可能被拉伸或折叠，并且折叠的分子片段容易形成规则的晶体。几种模型：折叠链

4、片层，接线板模型，束缚高分子。根据折叠链片层和流苏微孔的理论，产生了具有链折叠的流苏胶束，简称流苏片层理论。折叠链片层和形成：折叠链片层可以被定向，并且一些晶体在普通牵伸中断裂和滑移，形成更小、均匀和定向的折叠链片层(图1-13a)。随着牵伸次数的增加，形成混合结构。在超大牵伸条件下，形成类似流苏原纤维的拉伸链片结构(图1-13b)。折叠链片层和拉伸链片层、折叠链片层在牵伸过程中的取向和变化。凯莱尔(1957)通过透射电镜观察到聚乙烯聚合物单晶片层的厚度约为12纳米，这与分子量无关，并且分子链被测量为垂直于晶片平面。提出了著名的折叠链片层结构假说。线性聚合物链长可达数百至数千纳米，具有很大的表

5、面能，在一定条件下易于折叠和自发形成。薄片就像流苏状微孔结构中的微孔。延伸的分子就像流苏，那些进入其他薄片的是“结合分子”，这是主要的fa定向和非定向缨片层模型、结合分子、折叠链可以解释纤维的实际强度远小于理论强度。4.纤维结构的其他理论。准结晶态结构(图1-14，结晶区中非晶区和折叠链中延伸链的综合结构)霍西曼(1967)认为纤维中存在准结晶态。晶格参数在一定程度上受到随机性的干扰，因此不可能有长片段的良好结晶，并且会出现少数无序区域和一维或二维有序结构。2.由统计热力学观点导出的非晶态结构的随机线圈模型图(图1-15)从理论上表明，非晶态聚合物是随机纠缠的线圈模型，分子链之间存在一定的相互

6、作用。这种结构不否认纤维分子的部分取向排列，甚至有序取向排列。3.缺陷晶体结构从金属结构出发，认为纤维结构的无序区域是由晶体区域中的缺陷形成的。4.交叉晶体结构(Shish-kebab纤丝晶体，图1-16)是由拉伸链形成的纤丝晶体和折叠链形成的薄片结合而成的晶体形式。5.纤维中弱节点的结构特征1弱节点的定义和内涵是由皮尔斯首先提出的。力学性能的薄弱与该部位的结构状态有关，故又称“结构薄弱环节”或“形态薄弱环节”。结构弱点：纤维内部结构和外观存在明显的结构不均匀性和缺陷。形态弱节：几何细颈位置，纤维明显。例如，羊毛纤维薄弱节点可分为三类：内部结构薄弱节点；形态细节或细颈；自然侵蚀和人为破坏造成的

7、结构缺陷。2.纤维弱接头特征(扫描电镜、XRD观察)(1)纤维细节(图1-17):纤维由粗到细均匀变化，然后由细到粗。(2)自然生长的形态缺陷(图1-18):风蚀、鳞片膨胀和畸形。(3)人工加工损伤(图1-19):弯曲、压扁和尖锐挤压。(4)内部结构缺陷(图1-20):通过截面观察定性描述，如非晶区、未结合分子区、裂纹和孔洞。6.纤维微观结构理论大致可分为三类：单相结构、过渡态结构和两相结构理论。(1)单相结构：非晶态，微有序；准晶。缺陷结晶(2)过渡状态：微纤丝聚集；绞合晶体(3)两相结构：缨状微孔和改进；流苏原纤维及其改良：人造纤维、天然纤维和合成纤维在结构上有许多不同，因此不适合用单一的

8、模型来解释。骆驼样微孔模型：适用于人造丝结构；流苏麻纤维模型：适用于棉、麻、丝、毛及一些合成纤维；片状晶体：适用于聚乙烯纤维、粘胶纤维和一些合成纤维。第二部分是纺织纤维的结构特征和表征。1.纤维结构表征方法发现-XRD X射线(伦琴射线，波长0.01-10纳米，介于紫外线和射线之间，在可见光下能透射许多不透明物质)，特别是1912年晶体X射线衍射效应的发现，是分子结构测量发展的一个重要里程碑。x光衍射是一种利用晶体形成的x光衍射来分析物质内部原子空间分布的结构分析方法。X射线在遇到晶体中规则排列的原子或离子时发生散射，散射的X射线在某些方向上相位增强，从而表现出与晶体结构相对应的特殊衍射现象。

9、XRD用途：鉴定晶体体系、晶胞类型、晶体对称性、确定晶胞的大小和形状、晶胞中原子的分布、原子的坐标参数、电子密度分布、键长和键角等。为晶体结构和分子结构的主要构型提供全面的结构信息。XRD是确定分子结构三维构型的一种准确有效的方法。2。纤维结构表征方法-分子光谱学利用分子光谱学可以获得丰富的分子结构信息。紫外和可见光谱红外光谱：由分子振动能级之间的跃迁产生，与分子结构密切相关。例如，分子的对称性、旋转异构化和互变异构化可以从光谱带的数目来研究；原子基团和化学键类型的定性分析可以从光谱带的特征振动频率进行；化合物的定量分析可以从光谱带的强度进行；从光谱带轮廓与温度、聚集态和溶剂之间的关系，可以研

10、究各种分子间相互作用、平衡常数、缔合、电离和其他性质。拉曼光谱：光和物质分子之间非弹性碰撞散射产生的光谱。适用于测定高聚物的碳链骨架结构和蛋白质、叶绿素等生物大分子的结构。利用多原子分子的旋转光谱也可以得到键长和键角的数据。3.纤维结构表征方法磁共振波谱：研究分子结构的重要手段之一，质子核磁共振波谱和电子自旋共振波谱是最常用的。质子核磁共振谱：可以推断质子的类型和组，各种质子的数量比和它们的相互作用。通过综合这些信息，可以确定分子结构。电子自旋共振：研究包含不成对电子的系统。它适用于识别自由基的存在和测量它们的浓度。识别过渡金属并判断其周围环境的结构。4.光纤结构表征方法质谱：在电磁场中，气体

11、离子根据其质荷比(质荷比)被分离出来，记录下所获得的光谱，具有灵敏度高、速度快的特点。根据碎片离子信息，可以得到准确的分子量、分子式或元素组成，判断分子结构。质谱、核磁共振光谱、红外光谱和紫外光谱是有机结构分析和鉴定的四大光谱。5、纤维结构表征方法扫描电镜/透射电镜、扫描电镜/透射电镜样品制备及观察流程图，1。纺织纤维结构特征基本特征要求：宏观形态要求；对微小分子排列的要求。(1)分子链应具有一定的长度，即一定的聚合度，使纤维具有必要的强度；(2)分子应为线性长链分子，具有短支链和小侧基，以保证分子具有一定的柔韧性和运动自由度，使纤维柔软；(3)分子之间应该有相互作用，使纤维形状稳定和必要的吸

12、附；(4)分子排列要有一定的取向和结晶，但要有一定的间隙或空间，使纤维既保持基本的物理性能，又具有吸湿和可染的特性。(5)其他要求：阻燃、耐高温、导电、显色、变温、抗菌、高强度、高模量、智能等纤维必须具备其他特殊条件。2.纤维结构的表征纤维结构的描述可以从八个指标来考察：1 .聚合度2。链条长度)3。结晶度)4。结晶区域的分布(初始5，取向度)6，取向的分布(7)，精细结构的尺寸(8)，孔的形状和尺寸(多孔的形状和尺寸)，1。聚合度(聚合度)由单个基团组成的大分子数量与纤维的相对分子量有关，它直接影响分子链长度和纤维强度。聚合度可以由纤维相对分子量与单基团相对分子量的比率来确定，这是一个分布。

13、相对分子量的平均计算方法有：数均分子量Mn、重均分子量Mw、粘均分子量M、Z和平均分子量Mz。(1)数均分子量Mn:根据摩尔分数对每个分子的分子量进行加权平均；(2)重均分子量Mw:每个分子的分子量根据质量进行加权和平均假设聚合物的总质量M和总物质的量(摩尔数)n，其中分子量为mi的质量和摩尔数分别为mi和ni，存在以下关系：Mz Mw M Mn (1。1)、与聚合物-溶剂体系相关的常数(0.5-0.9)、2。链长链段长度Lp直接影响纤维分子的构象数，或分子的柔韧性。构象：分子中原子空间位置的变化，由单键的内部旋转引起。聚合物链的分子结构、取代基大小、极性和内旋转势垒不同，它们的柔性也不同。如

14、果主链结构是碳碳单键(聚乙烯、聚丙烯等)。)，柔韧性较好，而芳香杂环结构(PPO聚苯醚)较差；例如，侧基极性强，分子间作用力大，内部旋转困难。灵活性：PANL，当E0，有LpL，这是最灵活的链在这个时候。大分子的自由键数n和均方末端距离h2的值也与分子的柔性有关。(1)自由键数n=2DP-1，例如，PE为：-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-(2)大分子的末端距离：根据聚合物链的旋转方式，基于几何算法，可分为(以C-C为例):a、自由连接链：键长L固定(0.154nm)，键角不固定，内旋转自由；自由旋转链：键长l固定，键角固定(109.5)，内旋转自由；c .等效

15、自由连接链：由长度为l、固定键角和非自由旋转的n个键组成的链被视为由长度为b的z段组成的自由连接链。实际上，终端距离是每个链路的矢量和，其均方终端距离小于完全扩展状态下的距离。自由旋转链(如PE平面为锯齿状，键角固定):矢量积关系的推导：l3相当于l2基础上的旋转，其中=180键角，根据无穷几何级数(0|x|1)的求和公式，均方端距被简化。当、和n较大时，这个项的比例很小，可以忽略不计。当考虑内部旋转角度时，考虑均方末端距离，3。结晶度(结晶度，结晶区与纤维的比例)分为体积结晶度Xv和质量结晶度Xw。密度法的测量公式：(1)。4(1)。5)常用的测量方法有：(1)X光衍射法，测量衍射强度峰面积和背景面积及其关系；(2)差热分析，测量结晶或晶体熔化的吸收和放热峰面积；(3)红外光谱用于测量结晶和非结晶带特征吸收峰的峰值或峰面积及其比值关系；(4)吸湿法、重水交换法等。测量水对无定形区域和晶体表面的可及性；(5)密度梯度法等。上述方法的测量结果大不相同。结晶区密度，无序区