2嘉兴学院纺织导论第二章纺织纤维及其形态结构特征(薛

１第二章纺织纤维及其形态结构特征纤维是一种细长而柔软的材料，在自然界中具有这种特定形态的素材无处不在。例如，动物身上的毛纤维、桑蚕吐出的蚕丝、蜘蛛编网的蜘蛛丝、棉花苞中的棉纤维等材料都具有这种特征。细长而柔软的纤维与纤维会自然地集合、纠缠在一起，也会在外力或人工的作用下堆积、排列、取向，构成不同的纤维集合体，如纤维团、纤维网、纱线、绳索、织物、服装、包装袋、传送带等形形色色的纺织品。纤维也可以与其他类型的物质材料一起构成具有两相结构的复合材料。在生物体中也有大量的纤维存在，如蔬菜、木材中的纤维素，人体中的基因、神经，光导纤维在构筑Internet网络世界中也发挥了重要的作用。在本章中我们重点介绍能够用于纺织加工的纤维材料。第一节纤维的定义及分类一、纤维的定义纤维是一种细长而且柔软的材料，它的直径较细，为几微米或几纳米，长度则为几毫米、几十毫米甚至上千米，细而长是纤维材料的主要几何形状特征。纤维还必须具有一定的模量、断裂强度、断裂伸长等力学性能。纤维同时还是一种柔软的材料。根据上述分析，纤维可以简单地定义为细长且具一定力学性能的柔性材料。从广义的角度来看，纤维作为具有特定形状特征的材料普遍地出现在食品、生物材料、复合材料等各类材料中。从纺织工业（狭义）的角度来看，纤维材料主要是指能在纺织工业体系中加工并用于纺织产品生产的纤维，也称为纺织纤维材料，或简称为纺织材料。在本书中，“纤维材料”的含义与“纺织纤维材料”“纺织材料”意义基本等同，主要是指可进行纺织加工、用于制作纺织品的纤维材料，一般须满足以下条件：①满足纺织产品使用功能的要求；②具有某些特定的物理和化学性能，可以进行物理和化学的加工；③生产成本较低，产量较大，能以较低的价格大量地供应纺织工业生产。本章知识要点1、了解纺织纤维的概念及其分类；2、了解纤维结构与性能的关系；3、掌握天然纤维和化学纤维的种类、结构、性能以及新型纤维、差别化纤维、功能性纤维的概念及其特点；4、掌握纺织纤维的形态结构特征及其鉴别方法。２二、纤维的分类纤维的种类很多，也有多种不同的分类方法。如果根据纤维的使用范围和场所来分类，可以分为服用纤维、家用（装饰用）纤维和产业用纤维。如果根据纤维的性能和功能来分类，可以分为常用纤维、高性能纤维和功能纤维。如果根据纤维的来源分类，可以分为天然纤维和化学纤维两大类。如果根据纤维的长度来分类，可以分为长丝纤维和短纤维。三、天然纤维与化学纤维的分类根据纤维来源分类，可分为天然纤维和化学纤维。天然纤维又可以细分为来自生物质的天然纤维和来自矿物质的天然纤维。生物质天然纤维可从自然界中的植物、动物上获取，如棉纤维、毛纤维、蚕丝纤维等。矿物质天然纤维可从自然界中的矿物质提取，如天然石棉矿石纤维等。化学纤维也可以细分为再生纤维和合成纤维。再生纤维主要以天然高聚物、无机材料、金属材料为原料经工业化生产加工成纤维材料，如粘胶纤维、醋酯纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、钢丝、铜丝等。再生纤维生产过程中并未改变原有材料的分子组成与结构，故称为再生纤维。合成纤维是以石油化工的低聚物原料出发，经过聚合反应将低聚物合成为高聚物，然后将其加工成纤维材料，如涤纶、锦纶、腈纶、氨纶等。纤维的分类如表2-1所示。表2-1纤维的分类纺织纤维天然纤维植物纤维种子纤维：棉、木棉等叶纤维：剑麻、蕉麻等韧皮纤维：苎麻、亚麻、大麻、黄麻、罗布麻等动物纤维动物毛发：绵羊毛、山羊毛、牦牛毛、兔毛等腺分泌物：桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝等矿物纤维石棉化学纤维再生纤维再生纤维素纤维：粘胶纤维、天丝纤维竹纤维、醋酯纤维等再生蛋白质纤维：牛奶纤维等无机纤维：玻璃纤维、陶瓷纤维、铜丝纤维等金属纤维：铜丝纤维、不锈钢纤维等合成纤维涤纶、锦纶、腈纶、丙纶维纶、氯纶、氨纶等３（一）天然纤维的分类天然纤维可分为植物纤维和动物纤维和矿物纤维三大类。1、植物纤维：植物纤维是指从自然界生长的植物中提取的纤维，其中有从种子壳内采收的棉纤维，有从植物茎杆上剥取韧皮制得的韧皮纤维，也有用植物的叶制取的叶纤维。苎麻、亚麻、黄麻、大麻、罗布麻就是从相应植物的茎杆上剥取韧皮制得的韧皮纤维，剑麻、蕉麻等就是利用相应植物的叶子制得的叶纤维。2、动物纤维：动物纤维是利用动物的动物毛发或腺分泌物经过初步加工而制取的纤维，也称为动物蛋白纤维。羊毛是直接从羊体剪取而得的动物毛发。桑蚕丝是从茧子上抽丝而得到的。茧子是蚕宝宝由体内绢丝腺分泌作成的，人们抽取其丝而获得品质极高、性能优良的桑蚕丝。3、矿物纤维：矿物纤维是从纤维状结构的矿物岩石中获得的纤维，如石棉等。（二）化学纤维的分类化学纤维可分为再生纤维和合成纤维两大类。1、再生纤维：再生纤维是用天然原料经过适当的化学处理经纺丝而得到的纤维，也称之为人造纤维。这类纤维是由天然物质加工制成，纺丝加工过程中化学组成和化学结构不变，所以称为再生纤维。2、合成纤维：合成纤维是以人工合成的高分子化合物为原料，经纺丝成形而得到的纤维。人们在研究天然有机化合物(蛋白质、淀粉和纤维素等)的结构和性质时，建立了聚合物科学，将有机合成和纺织科学相结合，出现了合成纤维。合成纤维种类很多，常用的有涤纶、锦纶、腈纶、丙纶及氨纶等。第二节纤维的形成及其基本结构一、纤维的形成纤维是一种细长且具有一定强度和柔韧性的材料，一般可从下列结构特点来理解纤维的形成：⑴细长而柔软的纤维材料是一种高分子化合物，它是由成千上万个结构相同的单体分子以化学健或极性分子间作用力结合形成的长链状分子组成。一般，每根纤维都由多根长链分子组成，这些由首尾相连的单体组成的长链状分子以有序或无序的方式堆砌、集合、排列构成了一根纤维。⑵在纤维材料内部，以化学健或分子极性作用结合形成的分子链，可具有多种链状４结构，如2-1所示，组成纤维的长链分子可以是直线型、枝杈型和网状型等不同形态。(a)网状型(b)枝杈型(c)直线型图2-1纤维的长链分子⑶高分子化合物中含有单基的数目称为聚合度。天然纤维的聚合度，取决于纤维的生长条件和基因种类。化学纤维的聚合度则可以通过化合物的聚合工艺进行调节。普通化合物的相对分子量较小，一般在1000以下，而高分子化合物的分子量很大，大都在10000以上。二、纤维材料的结构及其结构层次纤维材料的性能与其结构存在着对应关系，随着科学的发展和观测手段的进步，人们可以从不同的层面（如宏观、细观和微观）来认识材料的结构，并从不同的结构层面来揭示材料的结构与性能的关系。在纺织科学与工程中，可以从纤维的形态结构、纤维的超分子结构、纤维的大分子结构等层面来认识纤维材料的结构以及结构与性能的关系，为科学、理性地进行纺织品的设计和加工，提供科学依据。(一)纤维的形态结构纤维的形态结构是指通过肉眼或放大镜、显微镜等仪器观察到的纤维材料外在的几何轮廓结构。它可以用纤维的长短、粗细、横截面形态、表面形态、三维空间形态以及纤维纵向的卷曲或转曲状态等特征来表达。目前观察纤维材料形态结构的方法主要有光学显微镜法和电子显微镜法。由于测试手段的不断进步，能观察到的纤维形态结构的特征尺寸也越来越小。随着专业学习的深入和拓展，可以了解到，纤维的形态结构对纤维及其构成纺织品的光泽、手感、吸湿性、染色性、保暖性和力学性能等都有直接或间接的影响。例如纤维中有缝隙和孔洞时，纤维的强度较低，吸湿性较好。截面为三角形或多角形的异形纤维，一般会具有特殊的光泽和不易起毛起球的特点。中空纤维的保暖性５较好。卷曲度高的纤维蓬松性、弹性较好。羊毛纤维由于表面有鳞片而光泽柔和。不同品种的纤维，在纵向形态、横截面形态、表面形态方面存在一定差异，尤其是各类天然纤维都各自具有独特的形貌特征。通过显微放大观察，就可获得各种纤维的微细结构特征，以此可以作为判别不同纤维并进行纤维鉴别的信息。如图2-2所示，分别为麻纤维、棉纤维、蚕丝纤维、羊毛纤维、羊绒纤维、涤纶纤维的外观形态照片。图2-2各种纤维的纵向形态纤维的形态特征主要包括以下几个方面：⑴纤维的形尺度：指纤维的长度、细度；⑵纤维的纵向形态：纤维纵向呈自然伸直状态还是具有自然的卷曲、转曲等形态；⑶纤维的表面形态：纤维表面是光滑的还是有凹凸不平的微坑、沟槽、鳞片等形态；⑷纤维的截面形状：纤维截面是圆形截面、异形截面及其他不规则截面形状等；⑸纤维的截面结构：如纤维的皮芯结构、复合结构、羊毛的双侧结构、棉纤维的日轮等；⑹纤维的三维空间分布结构：如纤维中的缝隙和孔洞等。(二)纤维的超分子结构纤维的超分子结构又称为纤维材料的聚集态结构，或凝聚态结构。它是指高分子材料中大分子堆砌和排列的状态，主要包括大分子间的作用、凝聚状态和大分子的取向。(1)分子间的作用力：纤维大分子的分子之间距离在一定范围时，相互之间表现出来的主要是吸引力。这种吸引力能使相邻的大分子保持稳定的相对位置和较牢固地结合。纺织纤维大分子之间是依靠范德华力和氢键结合的，此外还有盐式键和化学键。①范德华力：是存在于分子之间的一种力，其作用距离约为0.3～0.5nm，作用能量在2.1～23J/mol之间，范德华力随分子之间距离的增加而迅速地减少。②氢键：它是大分子侧基上或部分链段上极性基团之间的静电引力，在一定条件下能使相邻分子较稳定地结合。其作用距离约为0.23～0.32nm，作用能量在5.4～６42.7J/mol之间。其结合力较强，它的键能略大于范德华力。③盐式键：部分纤维的侧基在某些成对的基团之间产生能级跃迁原子转移，形成络合物类型的配价键。如羊毛、蚕丝大分子侧基上的-COOH和-NH2成对接近时，可以形成盐式键(-C00-……+H3N-)。盐式键的键能大干氢键。④化学键：少数纤维大分子之间含有的桥侧基，如羊毛纤维中的二硫键将两个大分子主链用化学键连接起来。其作用距离约为0.09～0.19nm，作用能量在209.3～837.36J/mol之间。化学键的键能大于盐式键。(2)纤维大分子的聚集态：纺织纤维大分子的凝聚态有着复杂结构，通常将其简单地分为两类，即结晶态和非结晶态。我们把纺织纤维中大分子排列整齐有规律的状态称为结晶态，呈现结晶态的区域叫做结晶区。反之，纺织纤维中大分子排列呈杂乱无章的状态称为非结晶态，呈现非结晶态的区域叫做非结晶区。结晶区中的大分子排列比较整齐密实，缝隙孔洞较少，水分子和染料分子难以进入结晶区。而非结晶区中的大分子排列比较紊乱，堆砌的比较疏松，密度较低，有较多的缝隙和孔洞，水分子和染料易于进入非结晶区。纺织纤维中结晶区部分的质量占整个纤维质量的百分比称为纤维的结晶度。结晶度越高，纤维的模量或断裂强度就越高。(3)纤维大分子的取向与取向度：在拉伸力作用下，纤维内大分子有沿纤维轴向平行排列的趋势，我们把这种现象称为纤维大分子的取向。大分子主轴方向与纤维轴向的平行程度称为纤维大分子排列的取向度。当取向度较高时，纤维的拉伸断裂强度就比较高。天然纤维的取向度与纤维的品种、生长条件有关。化学纤维的取向度主要取决于纺丝——拉伸过程中纤维的拉伸倍数，拉伸倍数大时，纤维的取向度就较高。如图2-3所示为具有不同取向度和结晶度的纤维超分子结构。(a)取向度和结晶度(b)取向度和结晶度(c)大分子折叠结较低纤维结构较高纤维结构晶纤维结构图2-3纤维的超分子结构７(三)纤维的大分子结构高聚物大分子都是由许多相同或相近的单基经过化学健或极性分子间的作用力结合而形成的长链分子。由于纤维材料的分子量很大，约在一万以上，因而被称为“大分子”或“高分子”。在大分子的长链中反复出现的单体被称为大分子的基本链节(或称为单基或基本单元)。纺织纤维的单基随纤维品种不同而不同，如：纤维素纤维的单基是β—葡萄糖剩基；蛋白质纤维大分子的单基是α—氨基酸剩基；涤纶的单基是对苯二甲酸乙二酯；丙纶的单基是丙烯；维纶的单基是乙烯醇缩甲醛。纤维大分子的通式可简约表达为：A/—A—A—A—…—A—A—A—A//，式中A/、A//为分子的端基，A为单基。如锦纶分子式为：单基的化学结构、官能团的种类决定了纤维的耐酸、耐碱、耐光以及染色等化学性能。例如：腈纶的单基中含有氰基，所以它的耐光性好。大分子上亲水基团的多少和强弱，影响着纤维的吸湿性，如羊毛纤维分子结构中含