第六章纤维的表面性质

第六章纤维的表面性质材料体积比1m直径的圆柱体1mm直径的圆柱体纤维(1～100m)纳米材料(10～100nm)(4～6)×10-9(4～6)×10-6(4～6)×10-40.36～0.52表6-1不同尺度材料表面结构所占体积比纤维的表面性状与纤维集合体的加工和性能密切相关一、表面的基本概念1.纤维表面的定义纤维表面，是指纤维表层0.5-5nm内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的表面的结构和形态是不稳定的第一节纤维表面的内涵LALABLB界面层图6-2A/B物质的界面层示意图表层厚度表面轮廓粒子图6-1表面结构、形态及相互作用2.表面能（表面自由能）形成单位面积表面所消耗的功。AWlGEA(W=Fl)F肥皂液膜lL图6-3液体表面增大所作的功二、纤维表面涉及的内容纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法：表面结构是表面的基础与本质，决定表面性质；表面性质是表面结构的外在行为表现；表面表征方法是认识表面结构、性质及其相互关系的手段。1.纤维表面结构内涵图6-4AFM的表面原子像(1)表面厚度（2）表面形态（3）表面组成（4）表面结构（聚集态结构）2.纤维表面所涉及的基本物理性质裂口孔洞表面缺陷裂隙纤维AB(a)(b)(c)图6-6纤维表面缺陷导致的断裂（1）摩擦性能（2）浸润性能（3）热学性能（4）光学性能（5）电学性能（6）力学性能劣化3.纤维表面结构与性质的一般分析方法电子束电子中性粒子离子光子电子吸收二次电子发射区背散射电子区特征X射线产生区图6-7电子束激发的各类信息示意图（1）表面组成分析俄歇电子能谱（AES），二次离子质谱（SIMS），X射线光电子能谱（XPS），分析深度在表面2nm左右。（2）表面结构分析低能电子衍射（LEED),反射型高能电子衍射（RHEED），扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等等，其中首推LEED，AFM（适合于高聚物材料）和STM（适合于金属和无机材料）（3）表面形态分析SEM，TEM，AFM，STM等，主要是SEM和AFM（4）表面电子能态分析XPS,UPS。（5）表面性质分析表6-2常用表面分析方法名称及用途探针表面分析方法用途激发粒子能量或分析深度电子低能电子衍射LEED反射高能电子衍射RHEED俄歇电子谱AES扫描电子显微镜SEM透射电子显微镜TEM扫描隧道显微镜STM表面及吸附层结构表面结构表面组分，结合能表面形貌表面形貌表面轮廓、结构与成分能量E050-500eVE010-100keVE02-5keV全膜覆盖表面表面复制膜形态表面轮廓10nm光子紫外光电子能谱UPSX射线光电子能谱XPS电子束缚能，吸附态电子能态表面吸附深度1.0-5.0nm深度1.0-5.0nm离子二次离子质谱SIMS表面元素分析E0500eV“探针”原子力显微镜AFM表面结构、轮廓和成分10nm4.纤维表面改性纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的，是期望通过有效、方便的表面处理获得理想、实用、新型纤维的主要方法。第二节纤维的表面特征一、天然纤维的表面特征1.棉纤维图6-8棉纤维的表面形态棉纤维表面分布着微小的突起条纹（棱脊状条纹），是棉纤维交叉移动时轻微跳动和铮铮做响的主要原因，影响纤维的可纺性，特别是在动态滑移过程中，其作用尤为重要。微条纹产生的起皱表面结构，有利于纤维的点接触，而且是柔性点接触，使纤维耐疲劳和磨损，并不涩不沾。2.麻纤维苎麻纤维表面有许多微细沟槽和残余果胶，使苎麻表面变得粗糙，这是苎麻刺痒的另一原因。3.毛发类纤维图6-9羊毛纤维表面的鳞纹外表皮层（鳞片膜）次表皮层a次表皮层b内表皮层细胞间质CMC图6-10羊毛纤维表面的鳞片结构(1)羊毛纤维伪棱脊鳞纹鳞片外形轮廓以及鳞片的伪鳞脊是构成羊毛表面鳞片花纹的主要原因。通常羊毛的细度越细，其表面的鳞片度越高，鳞片重叠数越多、厚度越厚，鳞片的环状完整性也越高。（2）兔毛纤维(a)羊毛(b)兔毛图6-5羊毛和兔毛的鳞片像（SEM）兔毛纤维鳞片花纹与纤维轴夹角一般小于45o，而羊毛一般为80－90o。鳞片条纹平行排列且伸直程度高，呈直线条纹。且有表层粉状物质的介入，因而兔毛表面的差微摩擦效应极不明显。鳞片的伪鳞脊现象较多，羊毛为1/10，而兔毛约为1次。兔毛表面有极好的滑糯性，即其表面摩擦系数很小，主要原因在于兔毛表面存在着一种粉状物质，为兔毛提供了优良的使用性质，但也造成加工成网、成条、牵伸不良等困难。可以采用浸酸腐蚀法、上纺纱油剂法和等离子体刻蚀法等，改性纤维的可纺性。图6-11羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)（3）羽绒纤维羽绒纤维表层结构是排列规整的原纤，相互紧挨着绕纤维外层一圈，表面存在依稀可见的明亮的“膜层”，这种结构可能是很细的羽绒仍能挺直的原因。（4）蚕丝纤维蚕丝的表层结构和羽绒纤维相似，也是表层一排原纤紧密排列一周。但蚕丝在表层呈层状结构，因此提供了很好的光反射、折射和投射效果。蚕丝的表面还有丝胶及微细沟槽，以及一些毛丝，使纤维具有纵向滑爽、横向略糙的特性，纤维在交叉移动时，有丝鸣现象。二、化学纤维的表面特征1.再生纤维普通粘胶纤维有皮芯结构Lyocell纤维由于溶剂析出和拉伸取向的作用，表面具有较多的原纤化结构，且原纤间的作用力弱，容易形成劈裂而产生原纤化的毛茸，使纤维表面变得毛绒化。图6-12不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM）2.普通合成纤维涤纶：在微观尺度上如同微微波动的水面，呈无规状，时而出现微小裂纹与孔洞；锦纶：因大分子的柔性，表面结构不均匀，波动比涤纶更明显，且波动纹与纤维轴基本垂直；腈纶：表面也是片状晶体结构，而且表层结晶结构会因热定形处理而发生改变；丙纶：表面较为粗糙，有轻微细密的纵向条纹和一定量的头端翘起的毛丝。合成纤维中熔体纺丝纤维：通常被认为是表面光滑、结构均匀的圆柱体或异形截面杆状物；合成纤维的干法或湿法纺丝表面都具有皮层。干法纺丝表面的微孔和缝隙较多；湿法纺丝的皮层较厚，且先于凝固，多带有宏观收缩下凹沟槽。图6-13腈纶纤维的表面形态与结构（SEM）三、表面改性和高性能纤维的表面特征1.纤维粗糙化改性图6-14羊毛的等离子体刻蚀处理表面（SEM）2.纤维表面柔软化改性柔软剂，表面涂覆改性：改善纤维表面摩擦性能3.合成纤维的丝光改性图6-15涤纶的丝光处理表面（SEM）4.高性能纤维的表面特征图6-16芳纶纤维的表面形貌（SEM）第三节纤维的摩擦性质一、纤维摩擦中的基本现象纤维的摩擦性质是指纤维与纤维、纤维与其他物质表面接触并发生相对运动时的行为。1.摩擦系数NF表6-3纤维的动、静摩擦系数（μS，μD）纤维μSμD粘胶与粘胶0.350.26锦纶与锦纶0.470.40羊毛与羊毛顺鳞片方向逆鳞片方向同纤维方向0.130.610.210.110.380.15羊毛与粘胶顺鳞片方向0.110.09逆鳞片方向0.390.35羊毛与锦纶顺鳞片方向0.260.21逆鳞片方向0.430.35（1）相对滑移速度的影响DsvOSD流体润滑边界润滑大多测试段图6-17滑动速度v与摩擦系数μ的关系sD在高速摩擦时会发生：（2）表观接触面积的影响ANF（3）正压力的影响cnbNNFNF或（4）表面粗粗度的影响表观实际AAr（5）表面硬度的影响（6）纤维外观形态及表面附着物的影响(纤维截面形状与卷曲)（抱合力）（7）环境温湿度的影响粗糙度r摩擦系数O硬体软体图6-18摩擦系数μ与粗糙度r的关系2.粘－滑现象FSFFDxO(FS,FD)v下移动板上滑动块F弹簧(a)(b)图6-19粘－滑过程及摩擦力曲线纤维间相对低速滑移时，会发生时而保持不动（粘），纤维产生变形或同向移动；时而又相对快速滑移（滑），这种现象称为粘－滑现象。产生粘－滑现象的本质原因是纤维的静、动摩擦力或静、动摩擦系数的差异所致。是纤维产生“丝鸣”的根本原因。粘－滑现象受相对移动速度的影响，当相对移动速度大于0.1m/min时消失。T=75gT=50gT=25g80100604020010-410-310-210-1100101102滑移速度(m/min)摩擦力(g)图6-20纤维摩擦中的粘－滑现象3.摩擦的对称性及方向性纤维接触点动纤维定纤维T小，T大T大，T小(a)对称摩擦(b)非对称摩擦图6-21纤维的对称和非对称摩擦示意图（1）对称与非对称摩擦梢(T)逆鳞片顺鳞片根(R)逆顺=T=R弱作用，＝0强作用，且大逆顺逆顺逆顺AA'A''拉伸拉伸回缩F顺小F逆大移动量图6-22羊毛差微摩擦效应图6-23羊毛毡缩过程示意图（2）不同方向的摩擦差微摩擦效应：羊毛纤维特有的现象，即顺鳞片摩擦的摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数；（摩擦的各向异性）根本原因是羊毛鳞片的棘齿形态。这也是导致羊毛具有毡缩性的必要条件。毡化（毡缩性）：羊毛纤维在热、湿、机械综合作用下，向根部方向移动，纤维相互穿插、纠缠并越收越紧，最终形成毡制品。羊毛集合体的毡化就是由差微摩擦效应，加上羊毛的高弹性伸长率和促进羊毛弹性伸长与回复的热、湿、机械综合作用完成的。二、摩擦机理与测量1.纤维的摩擦机理摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象；从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用，在切向外力作用下产生剪切和分离的过程；从宏观形态看，是两接触物体间的碰撞、挤压和错位；实际纤维间的摩擦，是宏观和微观作用的综合。2.纤维摩擦性质的测量FT1T0mm(a)绞盘法机构(b)绞盘法原理T0T1dSdTT+dTR图6-24绞盘法测量原理示意图（1）绞盘法F0f(Ff)NNL(a)dlF微粘结点单纤维F=dl=Fdl剪应力(b)图6-25纤维抽拔法实验原理（2）抽拔法①刮杆②刀片③纤维架WW可调①,②,③可以互换移动v力传感器图6-26刮动法测量装置原理图（3）刮动法第四节纤维的浸润与芯吸浸润和芯吸都是讨论纤维与液体的相互作用。浸润：表达单纤维或纤维集合体表面（或表观）与水的相互作用；芯吸：表达纤维集合体内（纤维间）或单纤维内（孔洞）对液体的毛细作用。一、纤维浸润现象（wetting）纤维的浸润，是指纤维与液体发生接触时的相互作用过程。1.平衡与非平衡浸润固体液体xyθabSVLVSL气体图6-27平衡浸润模型(1)平衡浸润纤维与液体接触时可以达到平衡不变的液体形状的浸润。cosLVSLSV表6-4平衡浸润的几种形式θ可否浸润cosθ状态θ＝0°完全浸润1或称铺展0θ90可浸润0正浸润θ=90无浸润0零浸润90θ180不可浸润0负浸润θ=180完全不浸润1随遇稳态LVSLSVcos接触角：气-液切面与固-液界面间含液体的夹角。(2)非平衡浸润纤维与液体接触时液体形态一直发生变化（铺展）的浸润。非平衡浸润的特征是液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固－气界面消失，而留下两层固－液和气－液界面。2.浸润的滞后性是指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在差异，且第一次浸润角θ1恒大于第二次浸润角θ2。以此推广：1ii滞后角，反应纤维浸润的滞后性：21ba＝3.伪浸润现象BB’AA’AA’B’BA滴B滴B’AB图6-28粗糙表面浸润模型图BBBAAAAB图6-29不同组份表面的浸润模型是指由于纤维的表面形态与真实形态存在差异，或材料表面不同组分的组合，使液滴的三相交汇点落在某一位置或某一组分中而引起的表观接触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象。前者称形态伪浸润，后者称组分伪浸润。（1）形态的影响（2）组分的影响二、纤维浸润性测量1.接触角θ测量纤维纤维转动液体图6-30插入转动法示意图(b)纤维(a)LHD液滴图6-31悬滴法计算示意和实物图ab注入吸出图6-32浸润的前进角和后退角的测量示意①插入转动法；②悬滴法；③注入法2.浸润力的测量FL纤维GfF