第三章-纺织材料学-纤维形态的表征

1、第三章 纤维形态的表征,纤维的形态（几何外观形态）表征是指: 纤维的长度、细度、截面形状、卷曲或转曲等 与纺织加工参数的确定，纱线、织物质量、性能 和风格有关,纤维长度直接影响纤维的加工性能和使用价值，反映纤维本身的品质与性能，是纤维最重要指标之一，是纺织加工中的必检参数。,第一节 纤维的长度及其分布,一、纤维长度指标的基本表达 1纤维长度,纤维长度值是一个统计指标，其基本表达是纤维长度平均值（数学期望值）和离散值（长度变异系数）。根据加权对象不同分为： 纤维根数加权长度 纤维质量加权长度 纤维截面加权长度,（1）纤维根数加权长度,以纤维根数加权平均的长度，简称根数（加权）平均长度，接近手排法

2、、Wira法、AFIS法的测量结果。表达式为：,根数加权长度的变异系数为：,图3-1 纤维长度分布示意图,（2）纤维质量加权长度,由分组称重方法得到，又称重量加权长度。一般采用罗拉法或梳片法。最为经典的表达是巴布长度B：,巴布长度的变异系数：,巴布长度（重量加权平均长度）恒大于根数加权平均长度,（3）纤维截面加权长度,理论上是由质量加权长度引出的。假设对应某一长度的纤维密度不变，纤维长度的加权值只与截面的频数函数或频数密度函数相关。典型的表达为豪特长度H：,豪特长度的变异系数：,2纤维长度界限及含量值,（1）长度界限,或称界限长度，是在某特定纤维含量值C（）条件下的纤维长度LC，即超出此长度L

3、C纤维的含量为C。 长度界限主要用于长纤维的表达，是控制牵伸隔距的重要、甚至唯一的参数。,（2）短纤维含量,长度在某一界限以下的纤维所占的百分率SFC。通常都以重量加权法测量，故传统的短纤维含量是短纤质量的百分比： SFCn SFCs SFCw,二、纤维长度分布的基本测量 1一端整齐法：拜氏图，罗拉法、梳片法、Almeter法,图3-2 拜氏图的意义及长度求法,（1）拜氏图：一端整齐、长短挨序、密度均匀的纤维长度排列图（纵坐标为纤维长度、横坐标为纤维根数累积数）,采用作图法求各长度指标：最大长度、交叉长度、有效长度、短纤维百分率等,图3-3 Almeter长度测量仪工作原理示意图,图3-4 累

4、积分布和频率密度函数,（2）Almeter测量法,可得到豪特长度分布、巴布长度分布和须从曲线图，及各长度特征值。,图3-5 罗拉法测试原理,（3）罗拉法：棉纤维,可得到质量加权的长度分布数列或直方图。,图3-6 梳片式长度测量原理图,（4）梳片法：毛、麻、仿毛类纤维,可得到重量加权的各项指标，一般给出重量加权平均长度、主体长度、基数、短毛率等指标。,2逐根测量,图3-7 Wira单纤维长度仪机构及原理示意图,手工快速测量单纤维的伸直长度,（1）Wira法：毛纤维,图3-8 AFIS纤维长度测量原理图,（2）AFIS法：棉纤维,可得到长度指标：根数和质量加权平均长度、品质长度、上四分位长度、短纤

5、维含量等。,目前唯一自动化、高速测量单纤维长度的仪器。,3纤维须丛法,图3-9 纤维长度照影机测量原理解析图,（1）光照影法（HVI）,是一种大容量棉纤维测试仪，可以测量原棉品质的多个指标，如长度和长度均匀度、跨距长度、短纤维指数、强力和伸长率、细度和成熟度、色泽、杂质和棉结以及含水率等。,图3-11 跨距长度对罗拉距离的意义,图3-10 纤维长度累积分布与透光曲线,普通夹 微夹 理想的 图3-12 普通夹与微夹持的区别及理想夹取,（2）微夹取法,三、纤维长度分布及其相互关系 1、纤维的长度分布,按加权方式：根数加权长度、质量加权长度、截面加权长度分布等； 按微积分关系：长度频率分布f(l)、

6、长度累积分布F(l）、长度二次累积须丛曲线r(l）； 由于所测长度分布大多数为累积或须丛分布，故根据微分关系进行查分或求导转化为长度频率分布f(l) ，计算各长度特征值。,2各种分布间的相互关系,图3-13 各实测长度分布的转换计算示意图,四、典型纤维的长度表达 1棉纤维,（1）手扯长度,手扯长度测量方法为：手扯后将纤维整理成一端整齐的纤维束，用直尺量出该纤维束中大多数纤维所具有的长度。手扯长度与罗拉式仪器检验的主体长度接近。是目前国内原棉检验中必测的长度值。,（2）罗拉法测量的长度指标,主体长度：一批棉样中含量最多的纤维的长度； 品质长度：比主体长度长的那一部分纤维的重量加权平均长度，又称右

7、半部平均长度； 基数：以主体长度为中心，前后5mm范围内的质量百分数之和； 均匀度：基数与主体长度的乘积； 短绒率：短于20mm（LM31mm)或16mm（ LM 31mm）纤维的质量百分比。,2毛、麻纤维,（1）毛纤维,自然长度：羊毛卷曲波动的中心线伸直，而卷曲保留不变时的长度； 伸直长度：卷曲消失，纤维伸直但无伸长时的长度。,所有测量得到的长度都接近自然长度。,图3-14 ATLAS结构及毛丛长度测量原理,可以测得毛丛长度，计算得到平均长度、均方差及其变异系数。,由梳片式长度分析仪可以得到：,加权主体长度LM：分组称重时连续最重四组的加权平均长度； 质量加权平均长度Lm和变异系数CVLm

8、加权主体基数SM： 短毛率：30mm以下长度毛的质量占总质量的百分数,（2）麻纤维,麻纤维长度的测量一般参照毛纤维的梳片法； Almeter纤维长度仪是最适于麻纤维长度评价的方法。,3等长切断化纤,图3-15 切断称重法求等长纤维平均长度,超长纤维：实际长度7mm(名义长度LN50mm）或10mm(名义长度LN50mm）的纤维，但长度必须小于1.9LN； 倍长纤维：未切断的纤维，其长度是LN的倍数（2） 通常用切断称重法求得纤维的平均长度、超长纤维率和短纤维率。,第二节 纤维的细度及其分布,一、纤维的细度表征 细度：指纤维的粗细程度。 直接法：用直径、截面积表示，适用于圆形纤维； 间接法：用长

9、度与重量之间的关系表示。 定长制（线密度和纤度）：特数Ntex ,分特Ndtex ,旦数Nden 定重制：公制支数Nm,1. 分特数 Ndt（dtex）,我国法定纤维（或纱线）的细度用线密度表示，单位为特克斯（tex）；表示1000米长的纤维在公定回潮率下的质量克数;,2.旦数ND （化纤长丝、丝）,又称为旦尼尔数、纤度，多用于化纤长丝和丝， 单位为旦尼尔（den，D） 是指9000米长的纤维在公定回潮率下所具有的质 量克数。,3. 公制支数Nm,简称支数，值1g纤维或纱线在公定回潮率下所具有的长度米数。,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：,通过光学显微镜或电子显微

10、镜直接观察，常用于羊毛 和其它动物毛，圆形化纤，单位为微米（m）,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,2细度不匀指标及分布,（1）不匀率指标,线密度类指标（间接指标）只能反映纤维集合体 的细度总体差异； 直径不匀是反映纤维细度不匀最直接的指标。,（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,三、纤维细度及分布的测量方法,1称重与长度的测量（称重法） 中段切断称重法，定长称重法（线密度类指标的测量）,图3-17 中段切断称重法示意图,2直径测量法,

11、（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。,图3-18 OFDA100测量仪,（2）OFDA法（光学纤维直径分析仪） 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。,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 一般专用于毛发类纤维的测量,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有关。而气阻又与纤维塞的填充率和纤维的粗细有关。,Q K-1(/Ss)2 /Ss为单位表面积的质量，与线密度指

12、标成正比。 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）。 棉纤维的马克隆值是纤维细度和成熟度的综合反映 。 马克隆值分为A、B、C三级，B级为标准级，A级品质最好，C级品质最差。,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,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

13、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,吸附染色性能、柔软性、色泽（乳白化），纤维结构和力学性质均匀性； 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，纤

14、维可纺性提高；,表3-4 纤维细度与功能的关系,（3）对织物的影响,与织物的手感、通透性和舒适性有关。,第三节 纤维的卷曲或转曲,一、纤维的卷曲形式及表征 1卷曲现象,（1）基本形式,图3-22 纤维的各种卷曲及表达,表3-5 澳大利亚羊毛的卷曲性与细度的关系,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。常用方法：填塞箱法、机械挤压法、刀边法、空气变形法等。,（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； 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

15、）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。,2纤维卷曲的测量,图3-24 单纤维卷曲测量法原理示意图,（1）单纤维卷曲的测量及指标,图3-25 切断纤维段的卷曲度计算原理图,（2）纤维段弯曲曲率测量法,图3-26 羊毛毛丛的卷曲清晰性实物及示意图,（3）纤维束卷曲整齐度的测量,图3-27 纤维束拉伸曲线起始卷曲段求Cd,（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,图3-28

16、 纤维转曲及其理论表达示意图,图3-29 纤维扭转的表面条纹与扭转角差异,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,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：,（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：,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。,（2）空隙率,（3）中腔率,图3-32 中空和复合纤维几何特征参数示意,（4）中空偏心,2复合截面特征,复合纤维在几何形态上属于将原中腔改为其他高聚物的形式： 皮芯结构的复合纤维相当于中空纤维的表达 双边分布相当于偏心度e=1 海岛基质型相当于多孔的孔隙率表达,作业 一、名词解释 1）主体长度与品质长度 2）巴布长度和豪特长度；3）长度