1、第二章第二章 纖維結構概述纖維結構概述 研究纖維結構的目的：研究纖維結構的目的：n了解纖維結構與性能關系，正確選擇和了解纖維結構與性能關系，正確選擇和 使用纖維；使用纖維；n通過各種途徑改變纖維結構，有效地改通過各種途徑改變纖維結構，有效地改 變纖維性能。變纖維性能。 材料的結構決定材料的性質纖維結構纖維結構 v大分子結構大分子結構：化學組成、單基結構、端基組成、聚合：化學組成、單基結構、端基組成、聚合度及其分布、大分子構象、大分子鏈柔曲性等度及其分布、大分子構象、大分子鏈柔曲性等v聚集態結構聚集態結構：晶態、非晶態、結晶度、晶粒大小、取：晶態、非晶態、結晶度、晶粒大小、取向度、側序分布等向度

2、、側序分布等v形態結構形態結構：縱橫向幾何形態、徑向結構、表面結構、：縱橫向幾何形態、徑向結構、表面結構、孔洞結構等孔洞結構等v前兩者為微觀結構，后者為宏觀結構前兩者為微觀結構，后者為宏觀結構纖維結構層次示意圖纖維結構層次示意圖微觀形態結構宏觀形態結構纖維的結構層次纖維的形態結構（三級結構）第一節第一節 紡織纖維的大分子結構（一紡織纖維的大分子結構（一級結構）級結構） 紡織纖維除了無機纖維（玻纖、石棉纖維、紡織纖維除了無機纖維（玻纖、石棉纖維、金屬纖維）等外，絕大多數都是金屬纖維）等外，絕大多數都是高分子化高分子化合物合物（即高聚物）（即高聚物）, ,分子量很大。分子量很大。一、鏈結構n近程結

3、構（一級結構）：研究纖維的近程結構（一級結構）：研究纖維的化學組成化學組成（構造和構型構造和構型）1.構造：構造：即骨架，分子中的原子和鍵的序列。即骨架，分子中的原子和鍵的序列。 1）鏈節：）鏈節： 結構單元的化學組成結構單元的化學組成由什么元素組成由什么元素組成 結構單元的鍵接方式結構單元的鍵接方式單雙鍵單雙鍵 2）主鏈：指纖維大分子共聚物的）主鏈：指纖維大分子共聚物的序列序列結構、結構、支化支化形態形態 和和交聯交聯。對高分子的性能有影響。對高分子的性能有影響。 3）官能團：端基和側基）官能團：端基和側基結構單元結構單元主鏈主鏈側鏈基團側鏈基團 或或 取代基取代基e.g. Polyviny

4、l Chloride - PVCH2CCHCln聚合度聚合度單基的化學結構、官能團的種類決定了纖維的耐酸、單基的化學結構、官能團的種類決定了纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸濕、染色性等，單基中極性官能團的耐堿、耐光、吸濕、染色性等，單基中極性官能團的數量、極性強弱對纖維的性質影響很大。數量、極性強弱對纖維的性質影響很大。常用纖維的單基常用纖維的單基n纖維素纖維：纖維素纖維： -葡萄糖剩基葡萄糖剩基n蛋白質纖維：蛋白質纖維： -氨基酸剩基氨基酸剩基n滌綸：對苯二甲酸乙二酯滌綸：對苯二甲酸乙二酯n錦綸：己內酰胺錦綸：己內酰胺n丙綸：丙烯丙綸：丙烯n腈綸：丙烯腈腈綸：丙烯腈近程結構（一級結構）2.構型：構

5、型：通過通過化學鍵化學鍵固定的固定的原子空間排列原子空間排列。 1）立體異構（旋光異構）立體異構（旋光異構） 空間立構空間立構若正四面體的中心若正四面體的中心原子上四個取代基是不對稱的原子上四個取代基是不對稱的（即（即四個基團不相同四個基團不相同）。此原子）。此原子稱為不對稱稱為不對稱C原子，這種原子，這種不對稱不對稱C原子原子的存在會引起異構現象，其的存在會引起異構現象，其異構體互為鏡影對稱，各自表現異構體互為鏡影對稱，各自表現不同的旋光性，故稱為不同的旋光性，故稱為旋光異構旋光異構。兩者互為旋光異構體H2CCH2XHHXCH2H2CCC三種類型Isotactic 全同立構全同立構Atact

6、ic 無規立構無規立構Syndiotactic 間同立構間同立構高分子全部由一高分子全部由一種旋光異構單元種旋光異構單元鍵接而成。分子鍵接而成。分子鏈結構規整，鏈結構規整，可可結晶。結晶。兩種旋光異構單兩種旋光異構單元交替鍵接而成。元交替鍵接而成。分子鏈結構規整，分子鏈結構規整，可結晶可結晶。兩種旋光異構單兩種旋光異構單元無規鍵接而成。元無規鍵接而成。分子鏈結構不規分子鏈結構不規整，不能結晶。整，不能結晶。n立體異構不同材料性能不同立體異構不同材料性能不同 全同聚苯乙烯：結構規整，能結晶，熔點全同聚苯乙烯：結構規整，能結晶，熔點240。 無規聚苯乙烯：不能結晶，熔點無規聚苯乙烯：不能結晶，熔點

7、80。 全同或間同聚丙烯：結構規整易結晶，可全同或間同聚丙烯：結構規整易結晶，可紡絲成纖。紡絲成纖。 無規同聚丙烯：不能結晶，是膠狀粘彈體。無規同聚丙烯：不能結晶，是膠狀粘彈體。2）幾何異構（順反異構）n幾何異構幾何異構內雙鍵上的基團在雙鍵兩側內雙鍵上的基團在雙鍵兩側排列方式不同而引起的異構（因為排列方式不同而引起的異構（因為內雙鍵內雙鍵中鍵是不能旋轉的中鍵是不能旋轉的）。）。Cis-順式順式Trans-反式反式n幾何異構對材料的性能有影響幾何異構對材料的性能有影響 順丁橡膠順丁橡膠分子鏈間距大，結晶性差，分子鏈間距大，結晶性差，低溫性低溫性能好能好 (Tg= -110 ，Tm=2 ）彈性大，

8、滯后）彈性大，滯后生熱低、壓縮變形小、耐磨性能優良、老化性生熱低、壓縮變形小、耐磨性能優良、老化性能好；但能好；但 拉伸應力、硬度、拉伸強度、撕裂拉伸應力、硬度、拉伸強度、撕裂強度較差。強度較差。 反式聚丁二烯反式聚丁二烯由于結構對稱，極易結晶由于結構對稱，極易結晶(Tg= -80, Tm=148 ） ，為堅硬塑料。，為堅硬塑料。 遠程結構（一級結構）n主要研究：主要研究：分子的分子量、分子量分布、構象分子的分子量、分子量分布、構象及柔順性及柔順性 1.1.聚合度聚合度定義：構成纖維大分子的單基的數目，或一定義：構成纖維大分子的單基的數目，或一個個 大分子中的單基重復的次數（大分子中的單基重復

9、的次數（n n）。）。 大分子的分子量單基的分子量大分子的分子量單基的分子量聚聚合度合度常用纖維常用纖維的的n n：棉麻的聚合度很高棉麻的聚合度很高 ，成千，成千上萬；上萬；羊毛羊毛 n n576576； 蠶絲蠶絲 n n400400再生纖維素纖維再生纖維素纖維 300-600300-600滌綸滌綸 130 130 晴綸晴綸 100010001500 1500 維綸維綸 n n1700 1700 丙綸丙綸 n n310-430 310-430 一根纖維中各個大分子的一根纖維中各個大分子的n n不盡相同，具有不盡相同，具有一定的分布一定的分布 高聚物大分子的高聚物大分子的多分散性多分散性。Mol

10、ecular weight distribution2.平均分子量的定義平均分子量的定義假設一個高聚物總共有假設一個高聚物總共有 n個分子個分子 質量為質量為w其中分子量大小不同的有其中分子量大小不同的有nimmmmm321對應分子量為對應分子量為 的分子數有的分子數有iMninnnnn321分子量為分子量為 的質量是的質量是iMniwwwww321分子量為分子量為 的分子的質量占總質量的分數為的分子的質量占總質量的分數為iMWwWwWwWwWwni321分子量為分子量為 的分子數占總分子數的分數為的分子數占總分子數的分數為iMNnNnNnNnNnni321則這些量之間存在下列關系：則這些量之

11、間存在下列關系：nniiwwiiiiNnniiWww1iiNiiW1iiiMnw 常用的統計平均分子量有以下幾種：常用的統計平均分子量有以下幾種：（1）數均分子量）數均分子量 ：以數量為統計權重的平均分子量。：以數量為統計權重的平均分子量。iiiiiiiinMNnMnnwMnM（1-1）（2）重均分子量）重均分子量 ：以重量為統計權重的平均分子量。：以重量為統計權重的平均分子量。wMiiiiiiiiiiiiiiwMWwMwMnMnM2（3）z均分子量均分子量 ：以：以z值為統計權重的平均分子量。值為統計權重的平均分子量。zM232iiiiiiiiiziiiiiiiiz MwMn MMzwMn

12、M（4）粘均分子量）粘均分子量 ：用稀溶液粘度法測得的平均分子量。：用稀溶液粘度法測得的平均分子量。M1/111aiiiiiiiiiiiMn MMn MMn Mn M（1-2）（1-4）（1-3）iiiZwM定義 這里的這里的a是指特性粘數分子量關系式是指特性粘數分子量關系式 中的指數。中的指數。 aKM定義1iiin M一般情況下有：一般情況下有：zwnMMMM分子量的分布（聚合度的分布）分子量的分布（聚合度的分布）n平均分子量是分子量大小的平均水平，不能反平均分子量是分子量大小的平均水平，不能反應分子量的分布情況。應分子量的分布情況。N MW Mn的分布：希望的分布：希望n的分布集中些，分

13、散度小些，這對的分布集中些，分散度小些，這對纖維的強度，耐磨性、耐疲勞性、彈性都有好處。纖維的強度，耐磨性、耐疲勞性、彈性都有好處。聚合度與力學性質的關系聚合度與力學性質的關系：nn n低時，一般來說，纖維的強度低些。低時，一般來說，纖維的強度低些。nnnnn臨臨，纖維開始具有強力；，纖維開始具有強力；nnn，纖維強力，纖維強力（nn；大分子間的結合；大分子間的結合鍵鍵結合能量變大）；結合能量變大）；n但但n n增加至一定程度，強力趨于不變。增加至一定程度，強力趨于不變。聚合度/分子量強力臨界聚合度/分子量3 3、纖維大分子鏈的內旋性、構象、纖維大分子鏈的內旋性、構象n大分子鏈中的單鍵能繞著它

14、相鄰的鍵按一大分子鏈中的單鍵能繞著它相鄰的鍵按一定鍵角旋轉，稱為定鍵角旋轉，稱為鍵的內旋轉鍵的內旋轉。n分子鏈由于圍繞單鍵內旋轉而產生的原子分子鏈由于圍繞單鍵內旋轉而產生的原子在空間的不同排列形式稱為在空間的不同排列形式稱為構象構象。 分子的內旋轉示意圖分子的內旋轉示意圖 纖維大分子的典型構象示意圖纖維大分子的典型構象示意圖 4 4、纖維大分子鏈的柔曲性、纖維大分子鏈的柔曲性 1) 1) 定義：指纖維大分子在一定條件下，定義：指纖維大分子在一定條件下，通過通過內旋轉內旋轉或振動而形成各種形狀（或振動而形成各種形狀（改變改變構象構象）的難易程度。）的難易程度。 單鍵的內旋轉單鍵的內旋轉是大分子鏈

15、產生柔曲性的根是大分子鏈產生柔曲性的根源。對于高聚物而言，其中的大分子鏈的源。對于高聚物而言，其中的大分子鏈的內旋轉除了受分子內原子或基團相互影響內旋轉除了受分子內原子或基團相互影響外分子間作用力及環境溫度也有很大影響。外分子間作用力及環境溫度也有很大影響。2) 2) 纖維大分子結構與柔曲性的關系纖維大分子結構與柔曲性的關系n主鏈上原子鏈彈性好，鏈節易繞主軸旋轉，主鏈上原子鏈彈性好，鏈節易繞主軸旋轉， 柔曲性柔曲性；n側鏈較少，鏈節易繞主軸旋轉，側鏈較少，鏈節易繞主軸旋轉，柔曲性柔曲性n主鏈四周側基分布對稱，鏈節易繞主軸旋主鏈四周側基分布對稱，鏈節易繞主軸旋 轉，轉，柔曲性柔曲性；n側基間（大

16、分子間）作用力較少，鏈節易側基間（大分子間）作用力較少，鏈節易 繞主軸旋轉，繞主軸旋轉，柔曲性柔曲性；n溫度溫度，內旋轉加劇，大分子鏈柔曲性，內旋轉加劇，大分子鏈柔曲性。n大分子的柔曲性是判斷高聚物彈性的主要大分子的柔曲性是判斷高聚物彈性的主要條件之一，長鏈分子由于熱運動而變成彎條件之一，長鏈分子由于熱運動而變成彎曲形狀使高度柔曲性，這就是高聚物產生曲形狀使高度柔曲性，這就是高聚物產生彈性的原因。彈性的原因。n柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長大，柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長大，彈性較好，結構不易堆砌的十分密集，但彈性較好，結構不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成結晶在外

17、力作用下，易被拉伸，易形成結晶。大分子柔性對纖維性能的關系大分子柔性對纖維性能的關系 小結：小結：n纖維大分子是由許多個纖維大分子是由許多個單基單基通過通過共價鍵共價鍵連接而成的連接而成的線型大分子線型大分子。n纖維大分子分子量大，分子鏈長。纖維大分子分子量大，分子鏈長。n 纖維大分子的主鏈一般都具有一定的纖維大分子的主鏈一般都具有一定的內旋轉內旋轉自由度，自由度，使大分子鏈具有一定的使大分子鏈具有一定的柔曲性柔曲性。n由于熱運動，在不同條件下，纖維大分子的由于熱運動，在不同條件下，纖維大分子的構象構象可可以不斷改變。以不斷改變。 第二節第二節 紡織纖維的聚集態結構紡織纖維的聚集態結構一、大分

18、子間作用力（次價鍵力）一、大分子間作用力（次價鍵力）高分子鏈的形成主要靠主價力（化學鍵），高分子鏈聚集成高分子鏈的形成主要靠主價力（化學鍵），高分子鏈聚集成高聚物主要靠次價鍵力（分子間的力）。高聚物主要靠次價鍵力（分子間的力）。 纖維大分子間的作用力使纖維中的大分子形成纖維大分子間的作用力使纖維中的大分子形成 一種較穩定的相對位置，或較牢固的結合，使一種較穩定的相對位置，或較牢固的結合，使 纖維具有一定的物理機械性質。纖維具有一定的物理機械性質。分子間力的形式：化學鍵、鹽式鍵、氫鍵、范得華力分子間力的形式：化學鍵、鹽式鍵、氫鍵、范得華力n范德華力范德華力 存在于一切分子之間的一種吸引力。存在于

19、一切分子之間的一種吸引力。 包括定向力、誘導力、色散力。包括定向力、誘導力、色散力。 作用范圍小于作用范圍小于1 1納米，作用能比化學鍵小納米，作用能比化學鍵小1-21-2個數量個數量級。級。 n 氫鍵氫鍵 極性很強的極性很強的X-HX-H鍵上的氫原子，與另一個鍵鍵上的氫原子，與另一個鍵上電負性很大的原子上電負性很大的原子Y Y上的孤對電子相互吸引上的孤對電子相互吸引而形成的一種鍵（而形成的一種鍵（X XH HY)Y)。 發生在分子極性基團之間的作用力。發生在分子極性基團之間的作用力。 鍵能與范德華力的數量級相同鍵能與范德華力的數量級相同 紡織纖維中常見的氫鍵：紡織纖維中常見的氫鍵： OHO

20、NH O NH N CH N n鹽式鍵鹽式鍵 存在于部分纖維大分子間。存在于部分纖維大分子間。 如羊毛、蠶絲大分子側基上的羧基（如羊毛、蠶絲大分子側基上的羧基（COOHCOOH）和氨基（）和氨基（NHNH 2 2 ）可形成鹽式）可形成鹽式鍵鍵 COO COO + + H H 3 3 N N 鹽式鍵鍵能大于氫鍵，小于化學鍵鹽式鍵鍵能大于氫鍵，小于化學鍵 n 化學鍵化學鍵 網狀構造的大分子可由化學鍵構成交聯。網狀構造的大分子可由化學鍵構成交聯。 部分纖維，如羊毛和蠶絲的橋式側基中部分纖維，如羊毛和蠶絲的橋式側基中存在二硫鍵（存在二硫鍵（S SS S）n四種結合力的能量大小：四種結合力的能量大小：q

21、化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力n四種結合力的作用距離：四種結合力的作用距離：q化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力化學鍵鹽式鍵氫鍵范得華力纖維大分子主要是通過纖維大分子主要是通過范德華力范德華力和和氫鍵氫鍵聚聚集在一起。集在一起。分子間力的大小取決于：分子間力的大小取決于： 1.1.單基化學組成（原子團多少、極性集單基化學組成（原子團多少、極性集 團數目、極性強弱）團數目、極性強弱） 2.2.聚合度聚合度 3. 3.分子間距離分子間距離 二、二、聚集態結構聚集態結構 超分子結構（聚集態結構）超分子結構（聚集態結構）：具有一定構象：具有一定構象的大分子鏈通過的大分子鏈通過分子鏈間的作用力分

22、子鏈間的作用力而相互排列、而相互排列、堆砌而成的結構。堆砌而成的結構。 纖維的超分子結構是在天然纖維的纖維的超分子結構是在天然纖維的生長過程生長過程或或化學纖維的紡絲成形及化學纖維的紡絲成形及后加工過程后加工過程中形成的。中形成的。 n高聚物的基本性質取決于大分子結構，而實際高聚物材料或制品的使用性能則直接取決于在加工過程中形成的超分子結構（聚集態結構）。 1 1、結晶、結晶 Crystalline regions 與非晶與非晶Amorphous regions （1 1）結晶區：纖維大分子有規律地整齊排列的區域。）結晶區：纖維大分子有規律地整齊排列的區域。（2 2）結晶態：纖維大分子有規律地

23、整齊排列的狀態。）結晶態：纖維大分子有規律地整齊排列的狀態。（3 3）結晶度：纖維內部結晶區占整個纖維的百分率。）結晶度：纖維內部結晶區占整個纖維的百分率。（4 4）非晶態：纖維大分子無規律地亂排列的狀態。）非晶態：纖維大分子無規律地亂排列的狀態。（5 5）非晶區：纖維大分子無規律地亂排列的區域。）非晶區：纖維大分子無規律地亂排列的區域。 晶區特點晶區特點 1) 1)大分子鏈段排列規整大分子鏈段排列規整 2)2)結構緊密，縫隙，孔洞較少結構緊密，縫隙，孔洞較少 3)3)相互間結合力強，互相接近的基團結合力相互間結合力強，互相接近的基團結合力飽和飽和 結晶度結晶度 纖維的拉伸強度、初始模量、纖維

24、的拉伸強度、初始模量、 硬度、尺寸穩定性、密度硬度、尺寸穩定性、密度，纖維的吸濕性、，纖維的吸濕性、染料吸著性、潤脹性、柔軟性、化學活潑性染料吸著性、潤脹性、柔軟性、化學活潑性。非晶區特點：非晶區特點： 1) 1)大分子鏈段排列混亂，無規律；大分子鏈段排列混亂，無規律；2)2)結構松散，有較多的縫隙，孔洞；結構松散，有較多的縫隙，孔洞；3)3)相互間結合力小，互相接近的基團結合力沒相互間結合力小，互相接近的基團結合力沒 飽和。飽和。 結晶度結晶度纖維吸濕性纖維吸濕性；容易染色；拉伸強；容易染色；拉伸強度較小，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊性，度較小，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊性，彈性有所改善，

25、密度較小，化學反應性比較活彈性有所改善，密度較小，化學反應性比較活潑潑 。對纖維甚至原纖來說，很少存在完善的結晶區，對纖維甚至原纖來說，很少存在完善的結晶區，往往是結晶與非晶區的混合體。往往是結晶與非晶區的混合體。 2.結晶度n結晶度結晶度是指纖維中結晶部分占纖維整體的比率，是指纖維中結晶部分占纖維整體的比率，不涉及晶體的形式及分布。不涉及晶體的形式及分布。在理論上，可分為在理論上，可分為體積結晶度體積結晶度XV和質量結晶度和質量結晶度XW 。 n重量結晶度：纖維內結晶區的重量占纖維總重重量結晶度：纖維內結晶區的重量占纖維總重量的百分率。量的百分率。n體積結晶度：纖維內結晶區的體積占纖維總體體

26、積結晶度：纖維內結晶區的體積占纖維總體積的百分率。積的百分率。 accvaVVXcaacw/1/1/1/1WWX結晶度的測量n1.密度法密度法n測定原理：測定原理：利用部分結晶高聚物中結晶部分和無定形部分利用部分結晶高聚物中結晶部分和無定形部分對對x-射線衍射強度的貢獻不同，利用衍射儀得到衍射強度射線衍射強度的貢獻不同，利用衍射儀得到衍射強度與衍射角的關系曲線，再將衍射圖上的衍射峰分解為結晶與衍射角的關系曲線，再將衍射圖上的衍射峰分解為結晶與非晶部分，則結晶度為結晶峰面積與總峰面積之比。與非晶部分，則結晶度為結晶峰面積與總峰面積之比。2.x-射線衍射法(x-ray diffraction me

27、asurement) IaxccxIKIXIc和和Ia分別為一定角度范圍分別為一定角度范圍內晶區與非晶區的散射積分內晶區與非晶區的散射積分強度；強度；Kx為修正常數為修正常數 n布拉格方程： n=2dsin （補充）X-射線衍射晶體分析原理3.差示掃描量熱法（DSC）3.纖維的結晶結構n纓狀微胞結構模型纓狀微胞結構模型 n纖維中存在明顯邊界的晶區與非晶區，大分子可以穿越幾纖維中存在明顯邊界的晶區與非晶區，大分子可以穿越幾個晶區與非晶區，晶區的尺寸很小，為個晶區與非晶區，晶區的尺寸很小，為10nm數量級，分數量級，分子鏈在晶區是有規則排列的，在非晶區則是完全無序堆砌。子鏈在晶區是有規則排列的，在

28、非晶區則是完全無序堆砌。 纓狀纓狀是指無序區中分子排列的狀態；是指無序區中分子排列的狀態；微胞微胞是指分子有序排的結構塊。是指分子有序排的結構塊。從晶區到非晶區是否存在逐步轉化的過渡區，尚有不同從晶區到非晶區是否存在逐步轉化的過渡區，尚有不同解釋。解釋。 n纓狀原纖結構模型纓狀原纖結構模型n結晶區結晶區認為是連續的纓狀原纖（認為是連續的纓狀原纖（細長細長），由許多），由許多長鏈分子組成。這些分子沿著本身的長度方向，長鏈分子組成。這些分子沿著本身的長度方向，在在原纖的不同位置上分裂出來原纖的不同位置上分裂出來，有的進入無定形，有的進入無定形區，有的重新進入其他的原纖組織中。區，有的重新進入其他的

29、原纖組織中。與纓狀微胞理論的區別是放棄了微胞是非常短的觀點，與纓狀微胞理論的區別是放棄了微胞是非常短的觀點，認為原纖是由認為原纖是由長的長的但并但并不完善不完善的結晶區所組成。的結晶區所組成。n1957年，年，Keller首次發現，首次發現，0.01%PE稀溶液極緩慢冷卻稀溶液極緩慢冷卻時可生成單晶。時可生成單晶。n不同高聚物單晶雖然外形不同，但晶片厚度幾乎都在不同高聚物單晶雖然外形不同，但晶片厚度幾乎都在10 nm左右，且左右，且晶片厚度與分子量無關晶片厚度與分子量無關，僅隨結晶溫度，僅隨結晶溫度和熱處理條件變化而變化，電子衍射數據表明：和熱處理條件變化而變化，電子衍射數據表明：晶片晶片中的

30、分子鏈垂直于晶面。中的分子鏈垂直于晶面。聚乙烯單晶（菱形）折疊鏈片晶結構模型折疊鏈片晶結構模型聚乙烯單晶電子衍射圖n纓狀折疊鏈片晶模型纓狀折疊鏈片晶模型n在化學纖維的成形加工過程中，高分子熔體或溶在化學纖維的成形加工過程中，高分子熔體或溶液中的液中的分子分子，經噴絲孔噴出和導向，經噴絲孔噴出和導向牽伸后牽伸后，存在，存在折疊狀態的分子鏈。折疊狀態的分子鏈。4.4.取向度取向度Orientation 1) 1)定義：指定義：指大分子大分子或鏈段等各種不同結構單或鏈段等各種不同結構單元，包括元，包括微晶體微晶體沿纖維軸規則排列程度。沿纖維軸規則排列程度。 在化學纖維生產過程中，通過對初生纖維進行機

31、在化學纖維生產過程中，通過對初生纖維進行機械拉伸，可以使纖維的取向度提高，取向結構增械拉伸，可以使纖維的取向度提高，取向結構增加，如對晶態聚合物的取向加工如圖加，如對晶態聚合物的取向加工如圖2)2)取向度與纖維性能間的關系：取向度與纖維性能間的關系： 纖維的取向度大，纖維的取向度大，致使材料在不同方向上致使材料在不同方向上力學、熱學和光學性能發生顯著差異，力學、熱學和光學性能發生顯著差異，各各向異性向異性明顯明顯 。Tensile behavior of natural fibers取向結構的表達231sin2f 為分子鏈主軸與纖維軸的夾角。為分子鏈主軸與纖維軸的夾角。 是所有分子鏈節相對纖維

32、軸夾角余弦平方的統計平均值。是所有分子鏈節相對纖維軸夾角余弦平方的統計平均值。f=1，完全取向；，完全取向； f=0，完全無取向；，完全無取向；f=0.5，分子鏈垂直于，分子鏈垂直于纖維軸纖維軸Hermans取向因子：取向因子：2cos取向度的測試方法nX衍射法：衍射法：晶區分子和晶體取向度晶區分子和晶體取向度fxn將探測器固定在具有最強衍射峰（將探測器固定在具有最強衍射峰（2 ）的位置上，試樣架）的位置上，試樣架沿方位角沿方位角作作360 勻速轉動，測試此衍射弧的譜圖勻速轉動，測試此衍射弧的譜圖 ，計，計算得：算得： xHfH為為X射線衍射強度曲線得半高寬射線衍射強度曲線得半高寬 衍射弧越窄

33、，取向度越高 取向度的測試方法n聲速法：聲速法：無序區大分子取向度無序區大分子取向度fs EEvvfaa2s1)(1va 和和Ea分別為無定形纖維的聲傳播的速度和模量；分別為無定形纖維的聲傳播的速度和模量；v和和E為實測纖維的聲速和模量。為實測纖維的聲速和模量。 此法較多考慮無序區分子的作用此法較多考慮無序區分子的作用 取向度的測試方法n偏振紅外二色性法：偏振紅外二色性法：分子極性基團取向度分子極性基團取向度fIR 00/AAAAfIRA和和A分別為實測纖維平行和垂直于紅外偏振光偏振面的吸光度值；分別為實測纖維平行和垂直于紅外偏振光偏振面的吸光度值； 和和 分別為完全取向同種纖維平行和垂直于紅

34、外偏振光偏振面的吸分別為完全取向同種纖維平行和垂直于紅外偏振光偏振面的吸光度值光度值 。0/A0A磁場磁場電場電場dipole電場電場時間時間+無偶極矩變化無偶極矩變化無紅外吸收無紅外吸收紅外光譜涉及分子的振動問題，振動引起偶極矩變紅外光譜涉及分子的振動問題，振動引起偶極矩變化時，分子吸收光子能量，從低振動能級躍遷到高化時，分子吸收光子能量，從低振動能級躍遷到高振動能級，在光譜中形成一條紅外吸收帶。振動能級，在光譜中形成一條紅外吸收帶。紅外光譜產生的原理紅外光譜產生的原理取向度的測試方法n染色法顯微鏡觀察：染色法顯微鏡觀察：形狀或界面取向形狀或界面取向度度fi n基于兩相結構的纖維取向度應該是

35、基于兩相結構的纖維取向度應該是 iacffXXff)1 (X為結晶度；為結晶度；fc 和和fa 分別為晶區和無定形區分子和取向度；分別為晶區和無定形區分子和取向度；fi 為形狀取向度為形狀取向度 第三節第三節 纖維的形態結構纖維的形態結構n定義：是指纖維在光學顯微鏡或電子顯微鏡，定義：是指纖維在光學顯微鏡或電子顯微鏡，乃至原子力顯微鏡乃至原子力顯微鏡(AFM)下能被直接觀察到的下能被直接觀察到的結構。結構。微形態結構：用電子顯微鏡能觀測到的結構。微形態結構：用電子顯微鏡能觀測到的結構。如原纖（亞微米級），微孔，裂縫等如原纖（亞微米級），微孔，裂縫等宏形態結構：用光學顯微鏡能觀測到的結構。宏形態

36、結構：用光學顯微鏡能觀測到的結構。如皮芯結構，表面形態等如皮芯結構，表面形態等。紡織纖維內部結構層次單分子單分子基原纖基原纖微原纖微原纖 原纖原纖巨原纖巨原纖纖維纖維 10 10 10 -30 10 -30 40-100 40-100 100-300100-300 0.1-0.5u 0.1-0.5u10-100u10-100u從微結構從微結構宏結構宏結構一、纖維的原纖結構（微形態結構一、纖維的原纖結構（微形態結構 ）n纖維是柔軟細長物，其微細結構的基本組成單元纖維是柔軟細長物，其微細結構的基本組成單元大多為細長纖維狀的物質，統稱為原纖大多為細長纖維狀的物質，統稱為原纖(fibril)(fibr

37、il)n原纖結構普遍存在與天然纖維和生物體和化學纖原纖結構普遍存在與天然纖維和生物體和化學纖維內部。維內部。 n纖維中的原纖纖維中的原纖(fibril)(fibril)是大分子有序排列的結構，是大分子有序排列的結構，或稱或稱結晶結構結晶結構。嚴格意義上是帶有缺陷并為多層。嚴格意義上是帶有缺陷并為多層次堆砌的結構。次堆砌的結構。n原纖在纖維中的排列大多為同向平行排列，提原纖在纖維中的排列大多為同向平行排列，提供供給纖維良好的力學性質和彎曲能力給纖維良好的力學性質和彎曲能力。 n纖維的原纖按其尺度大小和堆砌順序可分為基原纖維的原纖按其尺度大小和堆砌順序可分為基原纖纖微原纖微原纖原纖原纖巨原纖巨原纖

38、細胞細胞 天然纖維的原纖化結構明顯。天然纖維的原纖化結構明顯。n化學纖維由于結晶機理和生長方向不同，會產化學纖維由于結晶機理和生長方向不同，會產生片晶生片晶(lamella)，如折疊鏈片晶，如折疊鏈片晶(fold-chain lamella)和伸展鏈片晶和伸展鏈片晶(extended chain lamella)，導致纖維原纖結構的淡化或模糊化，導致纖維原纖結構的淡化或模糊化 .n高強高模化學纖維，絕大多數為原纖化結構。高強高模化學纖維，絕大多數為原纖化結構。 棉纖維縱、橫截面棉纖維縱、橫截面二、纖維的宏觀結構（纖維縱、橫截二、纖維的宏觀結構（纖維縱、橫截面結構）面結構）綿羊毛縱、橫截面綿羊毛

39、縱、橫截面大麻纖維縱、橫截面大麻纖維縱、橫截面粘膠纖維縱、橫截面粘膠纖維縱、橫截面四孔中空纖維橫截面四孔中空纖維橫截面第四節第四節 纖維素纖維的內部結構纖維素纖維的內部結構一、纖維素纖維的大分子結構一、纖維素纖維的大分子結構 纖維素大分子的基本鏈結是纖維素大分子的基本鏈結是 - -葡萄糖剩基。葡萄糖剩基。棉纖維大分子的聚合度為棉纖維大分子的聚合度為600060001500015000，分子，分子量為量為1 12.432.43百萬。百萬。 纖維素纖維大分子中纖維素二糖由相鄰纖維素纖維大分子中纖維素二糖由相鄰2 2個葡萄糖剩基反向對稱、一正一反連接而個葡萄糖剩基反向對稱、一正一反連接而成，它的空間

40、結構屬于椅式結構：成，它的空間結構屬于椅式結構：二、纖維素大分子的超分子結構二、纖維素大分子的超分子結構n結晶結構的最小單元（晶結晶結構的最小單元（晶胞）是由五個平行排列的胞）是由五個平行排列的纖維素大分子在兩個氧六纖維素大分子在兩個氧六環的一段上組成。環的一段上組成。n纖維中約纖維中約2/32/3為結晶部分，為結晶部分，結晶晶格是單斜晶系，結晶晶格是單斜晶系，大大分子取向度較高。分子取向度較高。 三、纖維素纖維的形態結構三、纖維素纖維的形態結構1 1、棉纖維的形態結構、棉纖維的形態結構 棉纖維由外向內是由初生層、次生層和中棉纖維由外向內是由初生層、次生層和中腔三個部分組成腔三個部分組成：n次

41、生層次生層原纖排列原纖排列的螺旋角的螺旋角在在(20(20- -3030) )的影響，故的影響，故纖維強度較麻纖維纖維強度較麻纖維低。低。（1 1）初生層）初生層 其外皮（表皮層）是一層極薄的其外皮（表皮層）是一層極薄的蠟質與果蠟質與果膠膠的淀積層，外層之內是纖維的的淀積層，外層之內是纖維的初生胞壁初生胞壁。一般認為初生胞壁由原纖呈一般認為初生胞壁由原纖呈網狀結構網狀結構組成，組成，與纖維軸呈與纖維軸呈70709090傾角傾角 ，形成對纖維，形成對纖維整體的形態約束和保護整體的形態約束和保護 。初生層很薄，僅。初生層很薄，僅為為0.2m m，重量占纖維重量的，重量占纖維重量的

42、2.5%2.5%2.7%2.7%，纖維素含量不多纖維素含量不多。是纖維吸濕膨脹。是纖維吸濕膨脹復圓后，直徑或周長不變的主機制。復圓后，直徑或周長不變的主機制。（2 2）次生層）次生層 次生胞壁占棉纖維總質量的次生胞壁占棉纖維總質量的90%90%以上。它纖維素在棉纖以上。它纖維素在棉纖維生長期間由外向內逐漸分層沉淀，形成日輪。次生維生長期間由外向內逐漸分層沉淀，形成日輪。次生胞壁也分為三層：外層胞壁也分為三層：外層S1S1，中層，中層S2S2，內層，內層S3S3。次生胞壁次生胞壁S1S1，厚度小于，厚度小于0.1 0.1 m m ，由平行排列的原纖組成，原纖，由平行排列的原纖組成，原纖與纖維軸呈

43、與纖維軸呈20203535螺旋狀排列，較為致密。螺旋狀排列，較為致密。次生層次生層S2S2，厚約，厚約1 1 4 4m m ，是棉纖維主體，全部為纖維素，原，是棉纖維主體，全部為纖維素，原纖與纖維軸的螺旋角約為纖與纖維軸的螺旋角約為2525，螺旋的方向周期性地換向，在一，螺旋的方向周期性地換向，在一根纖維中換向可達根纖維中換向可達5050次以上。次以上。 S2S2層由原纖呈平行螺旋狀相互堆層由原纖呈平行螺旋狀相互堆砌而成，微原纖間形成空隙，使棉纖維具有多孔性。砌而成，微原纖間形成空隙，使棉纖維具有多孔性。次生胞壁次生胞壁S3S3，厚度小于，厚度小于0.10.1m m 。u次生層有明顯的次生層有

44、明顯的“日輪日輪”結構結構，共有，共有25-4025-40層，每層層，每層厚厚0.1-0.1-0.40.4m m 。相鄰的。相鄰的S1S1、S2S2、S3S3層間的螺旋方向往層間的螺旋方向往往是相反的。往是相反的。u棉纖維的棉纖維的天然轉曲天然轉曲是由于次生層是由于次生層S2S2中的原纖螺旋排列中的原纖螺旋排列所致。原纖螺旋方向大多與轉曲方向一致。所致。原纖螺旋方向大多與轉曲方向一致。 （3 3）中腔）中腔 棉纖維的中空部分，其內留有少數原生質和細棉纖維的中空部分，其內留有少數原生質和細胞核殘余，為蛋白質、礦物鹽和色素等。它對胞核殘余，為蛋白質、礦物鹽和色素等。它對棉纖維棉纖維顏色顏色有影響。

45、胞腔的復圓截面積約為棉有影響。胞腔的復圓截面積約為棉纖維截面積的纖維截面積的1/101/10。 棉纖維成熟后截面呈腰圓形，次生胞壁各棉纖維成熟后截面呈腰圓形，次生胞壁各個位置上的密度發生變化，微原纖的集積個位置上的密度發生變化，微原纖的集積方式也要隨之改變，因此原纖的膨化能力方式也要隨之改變，因此原纖的膨化能力和試可及性都不一樣和試可及性都不一樣。2 2、麻纖維的形態結構、麻纖維的形態結構n麻纖維成束聚集生長在植物的韌皮部或葉中。麻纖維成束聚集生長在植物的韌皮部或葉中。單纖維是管狀的植物細胞，兩端封閉。纖維之單纖維是管狀的植物細胞，兩端封閉。纖維之間用果膠相粘接，經脫膠后纖維分離。間用果膠相粘

46、接，經脫膠后纖維分離。n麻纖維具有初生層，次生層和第三層，其內纖麻纖維具有初生層，次生層和第三層，其內纖維素分層沉積，纖維素大分子也將集成原纖結維素分層沉積，纖維素大分子也將集成原纖結構構。第五節第五節 蛋白質纖維的內部結構蛋白質纖維的內部結構一、蛋白質纖維的大分子結構一、蛋白質纖維的大分子結構 蛋白質大分子的基本鏈節是蛋白質大分子的基本鏈節是-氨基酸剩基依氨基酸剩基依靠肽鍵連結而成，其化學結構是如下圖。靠肽鍵連結而成，其化學結構是如下圖。nR R基團不同形成的基團不同形成的-氨基酸也不同，有酸性，堿氨基酸也不同，有酸性，堿性和中性的。性和中性的。羊毛有20多種氨基酸，主要為：谷氨酸Glu 12.3-16%半胱氨酸Cys 10.84-12.28%精氨酸Arg 7.9-12.1%蠶絲也有多種氨基酸，主要為：甘氨酸Gly