1、纺织材料学,绪 论,说到纺织我们在座的应感到自豪，因为纺织品的出现标志着人类从原始时代而进入文明社会，但纺织业的飞速发展也只是近半个世纪的事，这当然也和其他科学的发展是分不开的，如高分子学科发展（50年代，化纤）及生物技术（80年代，彩色棉）。除了吃饭，穿衣则是最重要事情，衣服除完成蔽体御寒之外，还起到美化人民生活、促进社会文化发展的作用。今天的纺织品不光是用于衣着，它还应用于工业、农业、军事、航天、航海、交通、医疗卫生等诸多方面。,什么是纺织材料？学什么？,纺织材料是指纺织工业所使用的纤维原料（纺织纤维）及其加工制造的半成品（条子、粗纱等）、制品（纱线、织物包括机织物或梭织物、针织物、编结物
2、、毡品、非织造物等）这些材料统称为纺织纤维材料，简称纺织材料。,纤维原料 -棉花,半成品 -条卷、粗纱,制 品 -纱线、织物,纺织材料学是研究纤维、纱线、织物及其半成品的结构、性能，结构与性能的关系，及其与纺织加工工艺的关系等方面知识、规律和技能的一门科学。,纺织材料学研究的主要内容是：纺织纤维、纱线、织物的基本结构；纺织纤维、纱线、织物的物理性质，它们的工艺意义、指标、测试方法、试验仪器的工作原理和使用，以及影响这些性质的因素；纤维、纱线、织物的基本结构与物理性质的内在联系；纤维、纱线、织物三者性质间的相互联系。,纺织纤维及其分类,一、什么是纺织纤维？细度很细，直径一般为几微米到几十微米，而
3、长度比直径大百倍、千倍以上的细长物质称为纤维，如棉花、叶络、肌肉、毛发等。可以用来制造纺织品的纤维称为纺织纤维。纺织纤维有以下特性： 一定的长度和细度一定的机械性能（强力、变形、弹性、耐磨、柔软性等）一定的吸湿性、导电性和热学性质化学稳定性和良好的染色性能特种工业用纺织纤维有特殊要求，如抗菌纤维、抗紫外纤维、高功能纤维、高性能纤维等。,细而长（长径比在1000以上），具有一定的强度、伸长度、可挠曲性或包缠性，可用于纺织的物质。,二、纺织纤维的分类纺织纤维的种类很多，习惯上按它的来源分为天然纤维和化学纤维两大类。天然纤维指自然界原有的，或经人工培植的植物中、人工饲养的动物中获得的纺织纤维。根据它
4、的生物属性又可分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维。种子纤维：棉植物纤维 韧皮纤维：苎麻、黄麻等叶纤维：剑麻 等 天然纤维 果纤维：椰子纤维动物纤维 毛 发：羊毛、兔毛等分泌液：蚕丝矿物纤维 石棉,化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制造出来的纺织纤维。按原料、加工方法和组成成分的不同，又分为再生纤维、醋酯纤维、合成纤维和无机纤维四类。再生纤维醋酯纤维化学纤维 合成纤维无机纤维,二醋酯纤维 三醋酯纤维,粘胶纤维 铜氨纤维,涤、锦、腈、维、氯、丙、氨纶,玻璃纤维、金属纤维、 陶瓷纤维、碳纤维,再生纤维素纤维 再生蛋白质纤维,特种纤维,纺织纤维的大分子结构,纺织纤维除了无机纤维
5、（玻纤、石棉纤维、金属纤维）等外，绝大多数都是高分子化合物（即高聚物）,分子量很大。,一、单基（链节） 1、定义：构成纤维大分子的基本化学结构单元。 AAAAAA或 A(A)nAA 单基；A、A端基； n 聚合度；,2、常用纺织纤维单基的化学组成：,常用纤维的单基,纤维素纤维：-葡萄糖剩基 蛋白质纤维：-氨基酸剩基 涤纶：对苯二甲酸乙二酯 锦纶：己内酰胺 丙纶：丙烯 腈纶：丙烯腈,单基的化学结构、官能团的种类决定了纤维的耐酸、耐碱、耐光、吸湿、染色性等，单基中极性官能团的数量、极性强弱对纤维的性质影响很大。,二.聚合度,1)定义：构成纤维大分子的单基的数目，或一个 大分子中的单基重复的次数（n
6、）。 大分子的分子量单基的分子量聚合度,常用纤维的n：,棉麻的聚合度很高 ，成千上万； 羊毛 n576； 蚕丝 n400 再生纤维素纤维 300-600 涤纶 130 晴纶 10001500 维纶 n1700 丙纶 n310-430 一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有 一定的分布 高聚物大分子的多分散性。,2)聚合度与力学性质的关系：,nn临，纤维开始具有强力； n，纤维强力（n；大分子间的结合键结合能量变大）； 但n增加至一定程度，强力趋于不变。 n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿强度也低些，脆性明显些。,三、纤维大分子链的支化、构型,纤维大分子的形状由于单基的键接方式的不同，可以分为
7、三种构造形式：线型linear 枝型branched 网型network(crosslinked),四、纤维大分子链的内旋性、构象,大分子链中的单键能绕着它相邻的键按一定键角旋转，称为键的内旋转。分子链由于围绕单键内旋转而产生的原子在空间的不同排列形式称为构象。纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。,五、纤维大分子链的柔曲性,1) 定义：指纤维大分子在一定条件下，通过内旋转或振动而形成各种形状的难易程度的特性。单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的根源。对于高聚物而言，其中的大分子链的内旋转除了受分子内原子或基团相互影响外分子间作用力也有很大影响。,2) 纤维大分子结构与柔曲性的关系,主链上原子链弹
8、性好，链节易绕主轴旋转， 柔曲性； 侧链较少，链节易绕主轴旋转，柔曲性 主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋转，柔曲性； 侧基间（大分子间）作用力较少，链节易 绕主轴旋转，柔曲性； 温度，内旋转加剧，大分子链柔曲性。,大分子的柔曲性是判断高聚物弹性的主要条件之一，长链分子由于热运动而变成弯曲形状使高度柔曲性，这就是高聚物产生弹性的原因。柔顺性好的纤维，受外力易变形，伸长大，弹性较好，结构不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成结晶。,小结： 纤维大分子是由许多个单基通过共价键连接而成的线型大分子。纤维大分子分子量大，分子链长。纤维大分子的主链一般都具有一定的内旋转自由度，使大分子链
9、具有一定的柔曲性。由于热运动，在不同条件下，纤维大分子的构象可以不断改变。,纺织纤维的聚集态结构,一、大分子间作用力（次价键力）纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位置，链的形状、大分子排列的密度及链的柔曲性等有关。这种作用力使纤维中的大分子形成一种较稳定的相对位置，或较牢固的结合，使纤维具有一定的物理机械性质。,纤维大分子的次价键力包括范得华力、氢键、盐式键、化学键、其产生的原因及特点如下,四种结合力的能量大小： 化学键盐式键氢键范得华力 四种结合力的作用距离： 化学键盐式键氢键范得华力,总结： 纤维大分子链间的作用力,范德华力存在于一切分子之间的一种吸引力。包括定向力、诱导力、色散力。作
10、用范围小于1纳米，作用能比化学键小1-2个数量级。,氢键极性很强的X-H键上的氢原子，与另一个键上电负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引而形成的一种键（XHY)。发生在分子极性基团之间的作用力。键能与范德华力的数量级相同,纺织纤维中常见的氢键：OHO NH ONH N CH N,盐式键存在于部分纤维大分子间。如羊毛、蚕丝大分子侧基上的羧基（COOH）和氨基（NH 2 ）可形成盐式键 COO + H 3 N盐式键键能大于氢键，小于化学键,化学键网状构造的大分子可由化学键构成交联。部分纤维，如羊毛和蚕丝的桥式侧基中存在二硫键和（SS）酯键（CO）,O,纤维大分子主要是通过范德华力和氢键聚集在一起。
11、 分子间力的大小取决于：1.单基化学组成（原子团多少、极性集团数目、极性强弱）2.聚合度3.分子间距离,二、聚集态结构超分子结构（聚集态结构）：具有一定构象的大分子链通过分子链间的作用力而相互排列、堆砌而成的结构。纤维的超分子结构是在天然纤维的生长过程或化学纤维的纺丝成形及后加工过程中形成的。,高聚物的基本性质取决于大分子结构，而实际高聚物材料或制品的使用性能则直接取决于在加工过程中形成的超分子结构（聚集态结构）。,1、结晶 Crystallinity （1）结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。（2）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。（3）结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率
12、。（4）非晶态：纤维大分子无规律地乱排列的状态。（5）非晶区：纤维大分子无规律地乱排列的区域。 Crystalline regions: adjacent polymers are packed with spatial order Amorphous regions: no spatial order,晶区特点,1)大分子链段排列规整 2)结构紧密，缝隙，孔洞较少 3)相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和结晶度 纤维的拉伸强度、初始模量、 硬度、尺寸稳定性、密度，纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、柔软性、化学活泼性。,非晶区特点：,1)大分子链段排列混乱，无规律； 2)结构松散，有较多的
13、缝隙，孔洞； 3)相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。结晶度纤维吸湿性；容易染色；拉伸强度较小，变形较大，纤维较柔软，耐冲击性，弹性有所改善，密度较小，化学反应性比较活泼 。,2、取向度Orientation,1)定义：指大分子或链段等各种不同结构单元包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。 Highly oriented: large proportion of polymer chains are aligned with the fiber axis 结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定取向度高，取向应包括微晶体的取向。除了卷绕丝，一般说来，结晶度高，取向度也高。,2)取向度与纤维性能间
14、的关系： 纤维的取向度大，大分子可能承受的轴向拉力也大，拉伸强度较大，伸长较小，模量较高，光泽教好，各向异性明显 。,纤维的形态结构,微形态结构：用电子显微镜能观测到的结构。如微纤，微孔，裂缝等宏形态结构：用光学显微镜能观测到的结构。如皮芯结构，表面形态等。,研究纤维形态结构的意义,形态结构与纤维性质密切相关抱合力、可纺性、摩擦性能、粘合性、光泽、手感、保暖性、吸湿性,纺织纤维的结构层次,大分子（由各种单基组成的不同聚合度的线型大分子）,基原纤（由几根线型大分子平行稳定结合），直径1-3nm,微原纤（若干根基原纤平行排列的大分子束） 4-8nm,原纤（若干根微原纤平行排列的更粗的大分子束）10
15、-30nm,巨原纤（原纤平行堆砌形成）,纤维（巨原原纤堆砌，更大的缝隙）,原子团,一个大分子中单基重复的次数,天然纤维的聚合度较高， 成千上万，再生纤维300600， 合成纤维1001000,从大分子到纤维，人为划分,纺织材料的线密度指标,纺织纤维和纱线的重要指标，反映的是纤维的粗细程度，线密度越小，纤维越细，可纺纱线的强度越高，可织制织物越柔软，光泽越柔和。,线密度表示方法,1.直接指标 直径（m，羊毛适用）、宽度和截面积,2.间接指标（定长制和定重制）,由于历史的原因，形成了许多指标，我国目前规定细度法定计量单位为特克斯。,特克斯(tex)：单位长度（1000米）纤维在公定回潮率时的质量数（克）。 分特克斯dtex:单位长度（10000米）纤维在公定回潮率时的质量数（克）。1dtex=1/10tex,（特克斯）,旦尼尔：,(旦 ),特克斯(tex)：单位长度（1000米）纤维在公定回潮率时的质量数（克）。 分特克斯dtex:单位长度（10000米）纤维在公定回潮率时的质量数（克）。1dtex=1/10tex,定长制,公制支数(s)：每克纤维或纱线所具有的长度米数。,定重制,公制支数：,3.线密度指标间的换算关系 P10,
