纺织材料学-课件

《纺织材料学》第3版姚穆主编绪论1.纺织材料的概念2.纺织材料的分类3.纺织产业在国民经济中的地位1.纺织材料的概念与范畴纺织材料：包括纺织加工用的各种纤维原料和以纺织纤维加工成的各种产品。服用纺织品：衣服、鞋、帽、纱巾家用纺织品：被、床单、桌布、坐垫产业用纺织品：绳索、缆绳、帐篷、炮衣复合材料：轮胎、飞机壳体、风力发电设备的桨叶、土工布、防弹衣、火箭整流罩和喷火喉管、海水淡化滤材2.纺织材料的分类（1）纺织纤维textilefibers概念：截面呈圆形或各种异形的、横向尺寸较细、长度比细度大许多倍的、具有一定强度和韧性的（可挠曲的）细长物体。按材料类别分为：有机、无机纤维按材料来源分为：天然纤维和化学纤维天然纤维：自然界生长或形成的，适用于纺织用的纤维。化学纤维：是指用天然的或合成的高聚物为原料，经过化学和机械方法加工制造出来的纤维。化学纤维又可分为再生纤维、合成纤维、无机纤维。再生纤维：以天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械加工而再生制成的纤维。合成纤维：由低分子物质经化学合成的高分子聚合物，再经纺丝加工而成的纤维。纺织纤维化学纤维按加工过程：初生丝、未拉伸丝、预取向丝、拉伸丝、全取向丝按纤维截面形态：圆形、异形按纤维成分：单一成分、多成分（混抽、复合纤维（皮芯、海岛、多层等））高性能纤维、功能纤维：纺织纤维中具有某些特殊应用性能（如超高强度、超高模量、耐高温、耐烧蚀）或某些特殊功能（如防紫外线、抑菌、防臭、防蚊虫）的纤维。（2）纱线及其半成品纱线概念：由纺织纤维平行伸直（或基本平行伸直）排列利用加捻或其他方法使纤维抱合缠结形成连续的具有一定强度、韧性和可挠曲性的细长体。纱、线、绳（缆）纱的半成品：粗纱、条、卷按原料：纯纺纱线、混纺纱线、混并纱线按纤维长度：短纤维纱线、长丝纱线、复合纱线纱线环锭纺纱线转杯纺纱线喷气纺纱线赛络纺纱线平行纺纱线花式纱线短纤维纱线加工形成方法长丝纱变形加工方法加弹长丝纱空气变形长丝纱网络长丝纱复合长丝纱（3）织物fabrics概念：由纺织纤维和纱线用一定方法穿插、交编形成的厚度较薄、长及宽度很大、基本以二维为主的物体。机织物针织物编织物非织造织物复合织物织物结构及其形成方式棉织物麻织物毛织物丝织物化纤织物混纺织物交织织物平纹织物斜纹织物缎纹织物平针织物罗纹织物双反面织物双罗纹织物经平组织织物经缎组织3.纺织产业的发展纺织材料---上万年历史近200年，纺织总加工量增长了近45倍；天然纤维由100%降到37.81%，化纤从零增加到57.59%；纺织工业是我国经济中的重要产业之一；趋势：石油化工资源可再生、可降解、可循环的生物资源HomeworkP5:1、2、3、4题习题集：第一章纤维结构基础知识第一节纤维大分子结构第二节纤维的凝聚态结构第三节纤维结构测试分析方法结构与性能关系：纺织材料的种类很多，性能各异，其根本原因在于纤维内部结构的不同，纤维的大分子组成、结构及其聚集结构状态和纤维中各种组成成分的含量比例、分布状态构成了纤维的内在性能，性能是结构的表现。了解结构与性能关系，以便我们正确选择和使用纤维，更好地掌握生产条件，并提通过各种途径改变纤维结构，有效地改变性能，设计并生产具有指定性能的纤维和纺织产品。研究纤维结构的目的纤维结构：是指组成纤维的纤维结构单元相互作用达到平衡时在空间的几何排列。纤维结构大分子链结构（大分子结构）凝聚态结构（超分子结构）形态结构：大分子的化学组成大分子链的构型大分子分子量及其分布大分子链的统计构象晶态非晶态取向原纤液晶多相织态晶体晶胞类型结晶形态纵横向几何形态、径向结构、表面结构、孔洞结构第一节纤维大分子结构纤维大分子结构内容包括主链的化学组成及连接方式侧基和端基的结构大分子链的形态相对分子质量及其分布A′－A－A……A－A－A〞或A′－(A)n－A〞其中：A′、A〞——端基；n——聚合度。一、主链的化学组成及连接方式主链定义：由某个结构单元以化学键的方式重复连接而成的线型长链分子。纤维种类的不同，构成纤维的大分子主链的原子也有多种类型。从现有的主要纤维来看，大致有三种类型：1)均链大分子（碳链大分子）：纤维的大分子主链都是靠相同的碳原子以共价键形式相联结的。例：乙纶、丙纶、腈纶可塑性比较好，容易成型加工，原料比较简单，成本便宜。但一般均不耐热，易燃甚至易熔。∴服用纤维有一定缺点。2)杂链高分子：大分子主链除碳原子以外，还有其它原子如氮、氧等，它们都以共价键相联结，即主链是由两种以上的原子所构成的。例：粘胶、蚕丝、涤纶、锦纶——大分子链刚性较大，力学性能和耐热性较好，服用性能较好。但由于主链含有极性基团，易产生水解、醇解、酸解。3)元素有机高分子大分子主链上含有硼、铝、硅、钛等元素，并在其侧链上含有有机基团。例：碳化硅纤维、氧化铝纤维----具有无机物的较高强力、耐高温，具有有机物的弹性和塑性，高性能纤维。单基：构成纤维大分子主链的结构单元。A′－A－A……A－A－A〞或A′－(A)n－A〞其中：A-——单基；A′、A〞——端基；n——聚合度。均聚物纤维：大分子链由一种结构单元组成，单基完全相同或基本相同。构型：构造同分异构体、立体同分异构体。共聚物纤维：大分子链由两种及两种以上的结构单元组成二、侧基与端基侧基：分布在大分子主链两侧并通过化学键与大分子主链连接的化学基团。侧基的性能、体积、极性等对大分子的柔顺性和凝聚态结构具有影响，也影响到纤维的热学性质、力学性质、耐化学性质等。主链接枝特性侧基基团，使纤维功能化。端基：大分子两端的结构单元，且与主链“单基”结构有很大差别。影响纤维的光、热稳定性。纤维改性、研究大分子的相对分子量。三、大分子链的柔性定义：指其能够改变构象的性质，也就是大分子链可以呈现出各种形态的性质。1主链上原子链弹性好，柔曲性↑；2侧链较少，柔曲性↑；3主链四周侧基分布对称，柔曲性↑；4侧基间（大分子间）作用力较少，柔曲性↑;5温度↑，内旋转加剧，大分子链柔曲性↑;大分子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。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。四、相对分子质量聚合度n：大分子链中单基的重复个数。大分子的分子量＝单基的分子量×聚合度常用纤维的聚合度n：棉、麻的聚合度很高，成千→上万；羊毛576；蚕丝400；粘胶：300-600；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。纤维大分子相对质量的大小，对纤维的拉伸、弯曲、冲击强度和模量、热学及热稳定性能、光学性能、透通性能、耐化学药品性能等具有较大影响，对纤维的加工性能具有很大影响。第二节纤维的聚集态结构（超分子结构）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。次价键力：范德华力、氢键、盐式键、化学键；四种结合力的能量大小：真正化学键＞盐式键＞氢键＞范德华力四种结合力的作用距离：真正化学键＜盐式键＜氢键＜范德华力产生原因名称产生原因特点范德华力定向力产生于极性分子间，是由它们的永久偶极矩作用而产生的作用能量3～5千卡/克分子；与温度有关诱导力由相邻分子间的诱导电动势产生的，产生于极性分子与非极性分子之间1.5～3千卡/克分子；与温度有关色散力由相邻原子上的电子云旋转引起瞬时的偶极矩而产生的。产生一切非极性分子中。0.2～2千卡/克分子；与温度无关氢键大分子侧基（或部分主链上）极性基团之间的静电吸引力（如－NH2，－COOH，－OH，－CONH等）能量1.3～10.2千卡/克分子距离2.3～3.2A；与温度有关盐式键在部分大分子侧基上，某些成对基团之间接近时，产生能级跃迁的原子转移，从而基团间形成相互结合的化学键。是化学键中作用力较弱的一种，能量30～50千卡/克分子化学键少数纤维的大分子之间存在着桥式侧基。能量50～200千卡/克分子分子间力的大小取决于：1.单基化学组成（原子团多少、极性基团数目、极性强弱）2.聚合度3.分子间距离二、聚集态结构对于纤维聚集态的形式，20世纪40年代出现了“两相结构”模型，即认为纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，大分子可以穿越几个晶区与非晶区，晶区的尺寸很小，为10nm数量级，分子链在晶区规则排列，在非晶区完全无序堆砌。这种模型成为缨状微胞模型。从晶区到非晶区是否存在逐步转化的过渡区，尚有不同解释。Hearle教授提出的缨状原纤结构模型，对此作了很好的解释，并与纤维的原纤结构形成很好的对应。Kellel等人提出了著名的折叠链片晶假说，并认为，线性高分子链可达几百到几千纳米，具很大表面能，极易在一定条件下自发折叠，形成片状晶体。依照片晶理论及事实，人们认为片晶就如同缨状微胞结构中的微胞，伸出的分子就像缨状分子，再进入其他片晶的为“缚结分子”，是纤维产生强度的主机制。1、结晶态结构（1）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。晶区特点：a.大分子链段排列规整；b.结构紧密，缝隙，孔洞较少；c.相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和。（2）结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率。重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率。结晶度对纤维结构与性能的影响：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↓。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、非晶态结构非晶态：纤维大分子无规律地乱排列的状态。非晶区：纤维大分子无规律地乱排列的区域。非晶区特点：a.大分子链段排列混乱，无规律；b.结构松散，有较多的缝隙、孔洞；c.相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。3、取向结构取向度定义：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。取向度与纤维性能间的关系：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，光泽较好，各向异性明显。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。4.原纤结构基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞→纤维并非所有纤维都具有上述每一个结构层次。5.液晶结构液晶态及液晶：部分具有刚性结构的大分子材料，在满足一定条件（热熔或溶解）时，宏观形态处于液态状态，但大分子排列处于晶态，这种兼具晶体和液态部分性质的过渡状态称为液晶态，处于液晶态的物质叫液晶。6.织态结构某些分子间共混方法形成“织态结构”。第三节纤维结构测试分析方法一、显微分析技术法采用透镜光学放大原理或探针等方式，直接观察纤维形态结构的方法：1.光学显微镜，放大倍数1000倍左右，分辨距离约0.2μm。2.电子显微镜，放大倍数100万倍左右，分辨距离0.1--0.2nm。3.扫描隧道显微镜，分辨距离横向可达0.1nm，纵向可优于0.01nm。影片介绍4.原子力显微镜，分辨距离横向可达0.2nm，纵向可优于0.1nm。二、X射线衍射法根据衍射方向和衍射强度确定纤维晶胞的晶系、晶粒的尺寸和完整性、结晶度、晶粒的取向度。XRD三、红外光谱分析法高聚物纤维大分子的原子或基团会在其平衡位置产生周期性的振动，采用连续不同频率的红外线照射样品，当某一频率的红外线与分子中键的振动频率相同时，将会产生共振而被吸收的现象，从而获得红外吸收光谱。