东华大学纺织材料学第三章-纤维形态的表征

1、2020/9/17,1,第三章 纤维形态的表征,东华大学纺织学院,纤维的形态主要是指: 纤维的长度、细度、卷曲或转曲、截面形状等 与纤维的可纺性、成纱质量、手感、 保暖性等关系密切.,2020/9/17,2,2020/9/17,3,第一节 纤维的长度及其分布,纤维长度：一般指伸直长度，即纤维伸直而未 伸长时两端的距离。 另有自然长度（自然长度：纤维在自然伸展状 态下的长度）：例毛丛长度,2020/9/17,4,天然纤维随动物、植物的种类、品系与生长条件而不同。 棉、麻、毛 ：短纤维，纤维长度一般25250mm；长度差异很大（不同品种或同品种） 蚕丝 ： 长丝，一个茧子上的茧丝长度可达数百米至上

2、千米。,2020/9/17,5,天然纤维长度（mm）范围 棉纤维： 25-45 亚麻单纤维：15-20 亚麻工艺纤维：500-750 黄麻单纤维：2-4 黄麻工艺纤维：2000-3000 大麻单纤维：10-15 大麻工艺纤维：700-1500 细毛、半细毛：50-100 粗毛、半粗毛：50-200,2020/9/17,6,化学纤维人工制造，可根据需要而定。 长丝：可无限长； 短纤维：等长或不等长。 长度离散性小，但超长纤维和倍长纤维对 纺纱工艺危害较大。 棉型化纤：30-40 mm 用棉纺设备纺纱 纯纺或混纺 毛型化纤：70-150 mm 用毛纺设备纺纱 纯纺或混纺 中长纤维：51-65 mm

3、 用棉纺或化纤专纺设备纺纱 仿毛织物,2020/9/17,7,一、纤维长度指标的基本表达,1纤维长度 （1）纤维根数加权长度（手排法、Wira单纤维长度测量法和AFIS法等 ） 以纤维根数加权平均长度简称根数（加权）平均长度，是将对应某一纤维长度的根数与该长度l（mm）积的和的平均值Ln。即,图3-1 纤维长度分布示意图,2020/9/17,8,（2）质量加权长度（罗拉法和梳片法 ） 由分组称重方法得到，又称重量加权长度Lw 经典的表达是称巴布（Barbe）长度B （3）截面加权长度（Almeter纤维长度仪） 典型的表达为豪特（Hauteur）长度H 纤维长度的加权值只与截面的频数函数或频率

4、密度函数s(l)相关,2020/9/17,9,2. 纤维长度界限及含量值 长度界限：某特定纤维含量值C（）条件下的纤维长度LC，即超出此长度LC纤维的含量只有C。如C=2.5，则长度界限为L2.5。 短纤维含量：是指短纤维的含量值SFC 。即长度小于LSF的纤维含量百分比。如纤维长度小于20mm的纤维含量为14.8%，则写为14.8%20mm。,2020/9/17,10,二、纤维长度分布的基本测量,1一端整齐法 （1）拜氏图 （2）Almeter测量 （3）罗拉法 （4）梳片法 2. 逐根测量 （1）Wira法 （2）AFIS测量 3. 纤维须丛法 （1）光照影法(HVI) （2）微夹取法,2

5、020/9/17,11,1、一段整齐法,拜氏图（羊毛、切断化纤 ）,图3-2 拜氏图的意义及长度求法,上4分位长度： 有效长度OL的作图求法是，取OL的中点A作水平线交轮廓线LB于L1，由L1作垂线交OB于B1，取B2（令OB2=OB1/4）作垂线交轮廓LB于L2，再取L2B2的中点A2作水平线交轮廓线LB于L3，由L3的垂线交OB轴得B3。此时，取OB3的上4分位B4，即OB4=OB3/4。作垂直线交LB得L4B4，称为有效长度，也称上4分位长度。,2020/9/17,12,（2）Almeter测量（毛）,图3-3 Almeter长度测量仪工作原理示意图,2020/9/17,13,（3）罗拉

6、法 （棉） （4）梳片法（毛、麻或仿 毛类纤维 ）,图3-5 累计分布和频率密度,图3-6 梳片式长度测量原理图,2020/9/17,14,2逐根测量,图3-7 Wira单纤维长度仪机构及原理示意图,（1）Wira法（精梳毛条中各根纤维 ）,2020/9/17,15,（2）AFIS测量 （单根棉纤维 ）,图3-8 AFIS纤维长度测量原理图,2020/9/17,16,3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)（大容量棉纤维 ）,2020/9/17,17,图3-11 跨距长度对罗拉距离的意义,2020/9/17,18,（2）微夹取法,普通夹 微夹 理想的 图3

7、-12 普通夹与微夹持的区别及理想夹取,2020/9/17,19,四、典型纤维的长度表达,1棉纤维 手扯长度：将纤维整理成两端齐整的纤维束，然后用直尺量出该纤维束中大多数纤维所具有的长度。,2020/9/17,20,1、主体长度：纤维中含量最多的纤维长度。 （1）根数主体长度：纤维中根数最多的一部分纤维的长度。 （2）重量主体长度：纤维中重量最重的一部分纤维的长度 棉的手扯长度主体长度 细绒棉手扯长度以1mm为级距，分级如下： 25mm 25.9mm以下； 26mm 26.0-26.9mm； 。 30mm 30.0-30.9mm； 31mm 31mm 以上 。 28mm为标准级,2020/9/

8、17,21,2、平均长度：是纤维长度的平均值。 （1）根数平均长度L：各根纤维长度之和的平均数。 其中：Li为各组纤维的长度，Ni为各组纤维的根数。 （2）重量加权平均长度 Lg： 各组长度的重量加权平均数。 其中：Li为各组纤维代表长度，gi为各组纤维的重量。,2020/9/17,22,3.品质长度（右半部平均长度）（Lp） ： 比主体长度长的那部分纤维的平均长度。 （是棉纺工艺中决定罗拉隔距的重要参数）4.短绒率：长度在某一界限以下的纤维所占的百分率。 （表示长度整齐度的指标） 界限：细绒棉 16mm； 长绒棉 20mm； 毛 30mm， 苎麻 40mm 短纤维多制成本低成本高，不宜纺细支

9、纱,2020/9/17,23,2毛、麻纤维,图3-14 ATLAS结构及毛丛长度测量原理,2020/9/17,24,3等长切断化纤,图3-15 切断称重法求等长纤维平均长度,2020/9/17,25,第二节 纤维的细度及其分布,2020/9/17,26,一、纤维细度的指标 直接法：用直径、投影宽度、截面积、 周长、比表面积； 间接法：用长度与重量之间的关系表示。 如: 特数Ntex ,分特Ndtex , 旦数Nden ,公制支数Nm,2020/9/17,27,1、直接法： 直径 直观，用于圆形截面的纤维。 如：羊毛。 投影宽度 用于非圆形截面的纤维； 截面积 测量困难； 比表面积 计算值。 。

10、 废时废力，单个指标不一定确切,2020/9/17,28,2 间接指标,利用纤维长度与重量的关系间接地来表示纤维的细度。 测量方便,2020/9/17,29,（1） 特克斯 Ntex（tex） 国际标准单位 在公定回潮率下，1000米长的纤维所具有重量的克数。 Gk L Gk 纤维在公定回潮率下的重量，称为标 准重量（g） L纤维长度（m）, 1000,Ntex =,2020/9/17,30,分特dtex：在公定回潮率下，10000米长的纤维所具有重量克数。 1tex10dtex 同品种纤维，Ntex，纤维越粗 。,2020/9/17,31,（2）旦数（旦尼尔数）Nden （den） 绢丝，化

11、纤常用指标 在公定回潮率下，9000米长的纤维所具有重量的克数。 Gk L Gk 纤维在公定回潮率下的重量，称为标 准重量（g） L纤维长度（m） 同品种纤维，Nden，纤维越粗., 9000,Nden =,2020/9/17,32,（3）公制支数 Nm 常用于棉纤维 在公定回潮率下，单位重量（克）的纤维所具有的长度（米）： L Gk Gk 纤维在公定回潮率下的重量，称为标 准重量（g） L纤维长度（m） 同品种纤维，Nm，纤维越细。,Nm =,2020/9/17,33,间接细度指标间的换算关系： Ntex Nm = 1000 Nden Nm = 9000 Nden = 9 Ntex,2020

12、/9/17,34,（4）英制支数Ne 在公定回潮率9.89时，一磅重的棉纱线所具有的长度的840码的倍数。,2020/9/17,35,直径细度指标（直径）与间接细度指标的换算：,式中：d-纤维直径（mm） -纤维密度（g/cm3),2020/9/17,36,三、纤维细度及分布的测量方法,1称重与长度的测量,图3-17 中段切断称重法示意图,2020/9/17,37,2直径测量法,图3-18 OFDA100测量仪,图3-19 激光扫描纤维直径测量原理图,2020/9/17,38,3气流仪法 4振动测量法,图3-20 气流仪测量纤维细度原理示意图,图3-21 振动（拨弦）法测纤维细度原理示意图,2

13、020/9/17,39,四、纤维细度及其不匀表征的意义 1基本现状 ，棉纤维较多地采用气流仪法，其次为切断称重法； 毛纤维几乎采用OFDA和LaserScan方法，其次为显微镜法和气流仪法； 麻纤维为切断称重法，其次套用显微镜法或OFDA法； 丝纤维大多为绞丝称重法（类切断称重），其次显微镜法；化纤短纤根据毛型、棉型分别采用各自纤维在纺织加工工艺体系中的测量方法，即上述，偶尔采用振动法测量； 化纤长丝一般用绞丝称重，或显微镜法，其次为振动法。显然，麻、丝的细度测量是落后原始的。,2020/9/17,40,2细度及其不匀对纤维集合体性质的影响 （1）对纤维本身 （2）对纱线 （3）对织物,202

14、0/9/17,41,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,图3-22 羊毛及毛发类纤维的各种卷曲及表达,2020/9/17,42,图3-23 变形纱中的卷曲形态,2020/9/17,43,2纤维卷曲的测量,(1)单纤维卷曲的测量及指标（最为直接和常用的）,图3-24 单纤维卷曲测量法原理示意图,2020/9/17,44,采用专用卷曲弹性仪，可用W0使纤维由自然卷缩状态变为自然长度，W0很小，在力学测量中认为是T=0+；此时点数纤维L0长度上的卷曲数，为保证准确分两边记数n0；用W1（W1=T0）使纤维由L0L1；然后卸去W1，得回复自然长度L2，由此可得纤维卷曲的各类

15、指标。 卷曲数（个/cm） （3-59） 卷曲波长（mm） （3-60） 一个波长中纤维的长度 （3-61） 卷曲率（%） （3-62）,2020/9/17,45,卷曲比 （3-63） 卷曲回复率（%） （3-64） 卷曲弹性率（%） （3-65） 其中，Cn与卷曲波长或螺距h相关；卷曲波幅A0或螺距半径r与C和相关；卷曲弹性与CR和Ce相关，主要反映了纤维卷曲的频率、波幅和弹性波特征。,2020/9/17,46,（2）纤维段卷曲曲率测量法（存在一定近似，相对比较）,图3-25 切断纤维段的卷曲度计算原理图,2020/9/17,47,（3）纤维丛（束）卷曲整齐度的测量（成为变形纱、网络丝和纤维

16、束卷曲的快速评价）,图3-26 羊毛毛丛的卷曲清晰性实物及示意图,2020/9/17,48,（4）纤维集合体膨松性的测量（间接的表达） 纤维集合体表观形态体积V为纤维真实占有体积Vf要大得多 膨松度,2020/9/17,49,二、纤维的转曲及表征 1.纤维转曲和扭转的表达,图3-28 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,2020/9/17,50,第四节 纤维的截面形状及表征,一、异形纤维的基本概念 截面形状的非圆形化，包括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,2020/9/17,51,二、

17、截面异形的表征 异形截面是指纤维截面形状的非圆形，是异形纤维的基本特征之一。异形是天然生长和纤维成形加工所致，大多异形纤维是由非圆形喷丝孔纺丝而成，也有是因为凝固成形原因所致，如常见粘胶和维纶纤维。 由图3-30可知，异形化的截面有轮廓波动和直径变异两种。 1截面的轮廓波动异形 对此类特征的表达可采用最基本的异形系数（异形度）表示 径向异形度 （3-78） 截面异形度 （3-79） （3-80）,2020/9/17,52,式中，R0和Ri，A0和Ai分别为最多接触点的外接圆和内切圆半径，截面积，见图3-31；r为一可替换半径，见式（3-80）；Ndt为线密度；为纤维的密度。其中Dr较多地强调径

18、向的波动；而Sr则偏重异形使截面积的变化。显然，以r=Ri的敏感性最大，以r=R0可作理论估算。 对于多叶形的异形，除上述异形度指标外，还应该补充叶数n的表达，称为造形系数， (3-81) 2截面的直径变异异形 对纤维截面存在长短轴差异的表达，可以直接采用椭圆比的概念表达异形度，即 （3-85） 式中，D0和Di分别为外接圆和内切圆的直径。,2020/9/17,53,图3-31 截面异形几何特征参数示意图,2020/9/17,54,三、截面空心与复合的表征 1空心截面的特征 中空截面也是一种异形截面，即纤维内部空缺异形，与前面轮廓空缺是对仗的。 天然棉、麻不仅轮廓内部空缺，而且异形，是典型的复

19、合异形截面；兔毛不仅有单孔的中腔，而且大多是多孔的中腔，并带有竹腔层节结构，这是合纤至今无法实现的一种结构；木棉巨大的中腔、超薄的胞壁，同样也是合纤加工梦寐以求的异形形态。 有关截面形状的异形表达见前，这里仅表达纤维截面中的缺少部分的表达，称为中空度，其仅考虑截面；中腔率，还要考虑体积。,2020/9/17,55,（1）中空度 中空度是指纤维截面中孔洞横截面积Av占纤维表观横截面积Af的百分比H（%） （2）空隙率 如果存在多微孔结构，且孔径大小不一，则用空隙率表示，这是一个体积概念，即 （3-93） 式中，VV是孔隙的体积；Vf是纤维表观体积，只有当孔是均匀分布时，截面比体积比。 （3）中腔率 纤维的中腔率是体积比的概念，一般中腔的截面不一致，而且两端和中间都可能封闭，不同于化纤，两端开口，中间孔洞连续。因此中腔率HV为 （3-94）,2020/9/17,56,式中，Vh为中腔的体积。当假设中腔截面积均匀，而且连续时， ，其中Ah为中腔横截面的平均截面积。 （4）中空偏心 中空偏心在天然和化学纤维中一般极少发生，绝大多数单中腔的轴心与纤维轴心一致，只有多中空结构时，各中腔的轴心与纤维轴不一致，见图3-32（a）所示，由此可得偏心度： （3-96） 式中，rv=dv