1、第二章第二章 纖維的結構特征纖維的結構特征 22021-12-11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。32021-12-11n纖維纖維通常是指長徑比在通常是指長徑比在103數量級以上、粗細數量級以上、粗細為幾微米到上百微米的柔軟細長體，有連續長為幾微米到上百微米的柔軟細長體，有連續長絲和短纖之分。絲和短纖之分。n纖維纖維是由一種或多種大分子通過某種形式集聚是由一種或多種大分子通過某種形式集聚堆砌而成的。

2、堆砌而成的。n纖維的結構是纖維的結構是相當復雜相當復雜的，是由基本結構單元的，是由基本結構單元經若干層次的堆砌和混雜所組成，并決定纖維經若干層次的堆砌和混雜所組成，并決定纖維的性質。的性質。n纖維結構：纖維結構：組成纖維的組成纖維的結構單元結構單元相互作用達到平衡時在空相互作用達到平衡時在空間的幾何排列。間的幾何排列。n形態結構（形態結構（morphological structure ）：）：表觀形態表觀形態（纖維的長度、粗細、截面形狀和卷曲或轉曲等纖維的長度、粗細、截面形狀和卷曲或轉曲等 ）、表面表面結構、微細結構（結構、微細結構（原纖結構與排列原纖結構與排列 ）。）。n超分子結構（超分子

3、結構（supermolecular structure ）：晶態、）：晶態、非晶態、結晶度、晶粒大小、取向度等；非晶態、結晶度、晶粒大小、取向度等；n大分子結構：化學組成、單基結構、端基組成、聚大分子結構：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；合度及其分布、大分子構象、大分子鏈柔曲性等；一、纖維的形態結構一、纖維的形態結構微細結構微細結構( (原纖結構原纖結構) ) 纖維是柔軟細長物，其纖維是柔軟細長物，其微細結構的基本組成單元微細結構的基本組成單元大多為大多為細長纖維狀的物質細長纖維狀的物質-原纖原纖(fibril) 微細結構微細結構：纖維內部的有序區：

4、纖維內部的有序區(結晶或取向排列區結晶或取向排列區)和無和無序區序區(無定形或非結晶區無定形或非結晶區)的形態、尺寸和相互間的排列的形態、尺寸和相互間的排列與組合，及細胞構成與結合方式。與組合，及細胞構成與結合方式。 纖維的原纖按尺度大小和堆砌順序可分為：纖維的原纖按尺度大小和堆砌順序可分為： 基原纖基原纖微原纖微原纖原纖原纖巨原纖巨原纖細胞細胞 微原纖的堆砌形式示意圖微原纖的堆砌形式示意圖 基原纖基原纖( (proto-fibril)proto-fibril)：一般由幾根以至十幾根長鏈分子，：一般由幾根以至十幾根長鏈分子，互相平行或螺旋狀地按一定距離、相位穩定地結合在一起的互相平行或螺旋狀地

5、按一定距離、相位穩定地結合在一起的大分子束，直徑為大分子束，直徑為13nm(1030)，具有一定的柔曲性。具有一定的柔曲性。 微原纖微原纖( (micro-fibril)micro-fibril)：由若干根基原纖平行排列組合在由若干根基原纖平行排列組合在一起粗一點的，基本上屬結晶態的大分子束，直徑大約一起粗一點的，基本上屬結晶態的大分子束，直徑大約4 48 8nm(40nm(4080 80 ) )，個別高達個別高達100100nmnm。原纖原纖(fibril)：一統稱，有時可代表由若干基原纖或含若干根：一統稱，有時可代表由若干基原纖或含若干根微原纖，大致平行組合在一起的更為粗大的大分子束，直徑

6、微原纖，大致平行組合在一起的更為粗大的大分子束，直徑10103030nm nm ?？赡艽嬖谟行驊B較差的非晶態部分?？赡艽嬖谟行驊B較差的非晶態部分。巨原纖巨原纖(macro-fibril)：由多個微原纖或原纖堆砌而成的結構：由多個微原纖或原纖堆砌而成的結構體。橫向尺寸一般約為體。橫向尺寸一般約為0.10.10.60.6mm 。普通光學顯微鏡可見普通光學顯微鏡可見。細胞細胞(cell)：由巨原纖或微原纖直接堆砌而成的，有明顯的細：由巨原纖或微原纖直接堆砌而成的，有明顯的細胞邊界。胞邊界。微原纖之間依靠相鄰的微原纖之間依靠相鄰的分子結合力分子結合力和穿越的大分子主鏈聯結。和穿越的大分子主鏈聯結。名稱

7、名稱產生原因產生原因特點特點范德華力范德華力定向力定向力產生于極性分子間，是由它們的永久偶產生于極性分子間，是由它們的永久偶極矩作用而產生的極矩作用而產生的作用能量作用能量35千卡千卡/克分子；與溫度克分子；與溫度有關有關誘導力誘導力由相鄰分子間的誘導電動勢產生的，產由相鄰分子間的誘導電動勢產生的，產生于極性分子與非極性分子之間生于極性分子與非極性分子之間1.53千卡千卡/克分子，克分子，與溫度有關與溫度有關色散力色散力由相鄰原子上的電子云旋轉引起瞬時的由相鄰原子上的電子云旋轉引起瞬時的偶極矩而產生的，產生于一切非極性分偶極矩而產生的，產生于一切非極性分子中。子中。0.22千卡千卡/克分子，克

8、分子，與溫度無關與溫度無關氫鍵氫鍵大分子側基（或部分主鏈上）極性基團大分子側基（或部分主鏈上）極性基團之間的靜電吸引力（如之間的靜電吸引力（如NH2，-COOH，-OH，-CONH等）等）能力能力1.310.2千卡千卡/克分子，距離克分子，距離2.33.2埃；與溫埃；與溫度有關度有關鹽式鍵鹽式鍵在部分大分子側基上，某些成對基團之在部分大分子側基上，某些成對基團之間接近時，產生能級躍遷的原子轉移，間接近時，產生能級躍遷的原子轉移，從而基團間形成從而基團間形成絡合物類型、配價鍵性絡合物類型、配價鍵性質質的化學鍵的化學鍵化學鍵中作用力較化學鍵中作用力較弱，能量弱，能量3050千千卡卡/克分子克分子化

9、學鍵化學鍵少數纖維的大分子之間存在著橋式側基少數纖維的大分子之間存在著橋式側基能量能量50200千卡千卡/克分子克分子二、纖維的聚集態（二、纖維的聚集態（ state of aggregation ）結構）結構n纖維的聚集態結構纖維的聚集態結構指構成該纖維的大分子鏈之間指構成該纖維的大分子鏈之間的作用形式與堆砌方式。的作用形式與堆砌方式。n具體指纖維的結晶與非晶結構、取向與非取向結具體指纖維的結晶與非晶結構、取向與非取向結構，以及通過某些分子間共混方法形成的構，以及通過某些分子間共混方法形成的“織態織態結構結構”等。等。二、纖維的聚集態（二、纖維的聚集態（ state of aggregati

10、on ）結構）結構1、結晶、結晶（1）結晶態：纖維大分子有規律地整齊排列的狀態。）結晶態：纖維大分子有規律地整齊排列的狀態。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。晶區（晶區（crystalline zone ）特點：）特點：a. 大分子鏈段排列規整；大分子鏈段排列規整；b. 結構緊密，縫隙，孔洞較少；結構緊密，縫隙，孔洞較少；c. 相互間結合力強，互相接近的基團結合力飽和。相互間結合力強，互相接近的基團結合力飽和。 結晶度結晶度：纖維內部結晶區占整個纖維的百分率：纖維內部結晶區占整個纖維的百分率重量結晶度：纖維內部結晶區的重量占纖維總重量的百分率。

11、重量結晶度：纖維內部結晶區的重量占纖維總重量的百分率。體積結晶度：纖維內部結晶區的體積占纖維總體積的百分率。體積結晶度：纖維內部結晶區的體積占纖維總體積的百分率。結晶度對纖維結構與性能的影響結晶度對纖維結構與性能的影響 n結晶度結晶度纖維的拉伸強度、初始模量、硬度、尺纖維的拉伸強度、初始模量、硬度、尺寸穩定性、密度寸穩定性、密度；纖維的吸濕性、染料吸著性、；纖維的吸濕性、染料吸著性、潤脹性、柔軟性、化學活潑性潤脹性、柔軟性、化學活潑性。n結晶度結晶度纖維吸濕性纖維吸濕性，容易染色，拉伸強度降，容易染色，拉伸強度降低，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊，彈性有所低，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊，彈性有

12、所改善，密度較小，化學反應性比較活潑。改善，密度較小，化學反應性比較活潑。（2）非晶態：纖維大分子無規則聚集排列的狀態。）非晶態：纖維大分子無規則聚集排列的狀態。n非晶區（無定形區，非晶區（無定形區，amorphous region ）纖維大分子無規則聚集排列的區域。纖維大分子無規則聚集排列的區域。n非晶區特點：非晶區特點：a.大分子鏈段排列混亂，無規律；大分子鏈段排列混亂，無規律；b.結構松散，有較多的縫隙、孔洞；結構松散，有較多的縫隙、孔洞；c.相互間結合力小，互相接近的基團結合力沒飽和。相互間結合力小，互相接近的基團結合力沒飽和。n直接影響著纖維的吸濕、染色、熱定形、力學彈直接影響著纖維

13、的吸濕、染色、熱定形、力學彈性及伸長等性及伸長等 。取向和無序排列的纓狀微胞（取向和無序排列的纓狀微胞（fringed micelle ）結構）結構 “兩相結構兩相結構” 模型模型 ：纖維中存在明顯邊界的晶區與非晶區，：纖維中存在明顯邊界的晶區與非晶區，一些大分子的長度可以遠超過晶區或無定形區各自的長度一些大分子的長度可以遠超過晶區或無定形區各自的長度足夠把若干個晶區和無定形區串連起來形成網絡結構足夠把若干個晶區和無定形區串連起來形成網絡結構 。 纓狀纓狀：無序區中分子排列的狀態；：無序區中分子排列的狀態；微胞微胞：分子有序排列的結構塊：分子有序排列的結構塊 HearleHearle教授的纓狀

14、原纖結構教授的纓狀原纖結構模型模型取向和非取向折疊鏈片晶取向和非取向折疊鏈片晶（fringed lamellar crystal）結構模型結構模型 n 折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個晶區內折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個晶區內也可以穿過無定形區進入另一晶區折疊。也可以穿過無定形區進入另一晶區折疊。兩相結構兩相結構其基本概念是纖維中存在明顯邊界的晶區其基本概念是纖維中存在明顯邊界的晶區與非晶區，一些大分子的長度可以遠超過晶區或無定與非晶區，一些大分子的長度可以遠超過晶區或無定形區各自的長度足夠把若干個晶區和無定形區串連形區各自的長度足夠把若干個晶區和無定形區串連起來形成網絡結構

15、。起來形成網絡結構。粘膠纖維粘膠纖維屬于分散的晶相和連續的無定形相所組成的屬于分散的晶相和連續的無定形相所組成的例子。例子。棉及苧麻棉及苧麻等則屬于連續晶相和分散的無定形相等則屬于連續晶相和分散的無定形相的兩相結構。的兩相結構。 兩相結構的兩種模型：纓狀微胞模型中大分子可以穿兩相結構的兩種模型：纓狀微胞模型中大分子可以穿過若干晶區和無定形區而折疊鏈纓狀微胞模型中大過若干晶區和無定形區而折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個晶區內也可以穿過無定形區進分子可以折疊在一個晶區內也可以穿過無定形區進入另一晶區折疊。入另一晶區折疊。 2、取向度（、取向度（orientation degree）（1）定

16、義：）定義：大分子排列方向與纖維軸向吻合大分子排列方向與纖維軸向吻合的程度稱作的程度稱作取向度取向度 。（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：n取向度大取向度大大分子可能承受的軸向拉力也大，大分子可能承受的軸向拉力也大，拉伸強度較大，伸長較小，模量較高，光澤較拉伸強度較大，伸長較小，模量較高，光澤較好，各向異性明顯。好，各向異性明顯。n三、纖維的分子結構（三、纖維的分子結構（molecular structure ）大分子鏈原子的類型與排列大分子鏈原子的類型與排列（一）、單基（鏈節，（一）、單基（鏈節，chain unit ）1、定義：構成纖維大分子的基本化學結構單元。、定義

17、：構成纖維大分子的基本化學結構單元。A（A）nA”：2、常用紡織纖維單基的化學組成、常用紡織纖維單基的化學組成 n（二）聚合度（二）聚合度n（degree of polymerization ）1、定義：構成纖維大分子的單基的數目，或一個大分子、定義：構成纖維大分子的單基的數目，或一個大分子中的單基重復的次數中的單基重復的次數。2、常用纖維的、常用纖維的n：n棉、麻的聚合度高，成千上萬；羊毛棉、麻的聚合度高，成千上萬；羊毛576；蠶絲；蠶絲400；粘膠；粘膠300600；化學纖維聚合度不宜過高。；化學纖維聚合度不宜過高。n一根纖維中各個大分子的一根纖維中各個大分子的n不盡相同，具有一定的分布。

18、不盡相同，具有一定的分布。3、聚合度與力學性質的關系聚合度與力學性質的關系nn臨界值，纖維開始具有強力；臨界值，纖維開始具有強力；n，纖維強力，纖維強力；但增加的速；但增加的速率減小；率減??；n至一定程度，強力趨于不變。至一定程度，強力趨于不變。nn的分布：的分布：n分布集中，分散度小，對纖維的強度、耐磨性、耐分布集中，分散度小，對纖維的強度、耐磨性、耐疲勞性、彈性都有好處。疲勞性、彈性都有好處。（三）、纖維大分子鏈的內旋性、構象及柔曲性（三）、纖維大分子鏈的內旋性、構象及柔曲性1、內旋性內旋性（internal rotation ）：纖維大分子內的單纖維大分子內的單基之間在鍵長鍵角保持不變條

19、件下，相鄰單基可繞單基之間在鍵長鍵角保持不變條件下，相鄰單基可繞單鍵旋轉的特性。鍵旋轉的特性。 分子的內旋轉示意圖分子的內旋轉示意圖 2 2、構象構象（conformationconformation）：由于單鍵內旋轉而產生的分子）：由于單鍵內旋轉而產生的分子在空間的不同形態稱為構象在空間的不同形態稱為構象(或內旋轉異構體或內旋轉異構體) 構象與構型的根本區別構象與構型的根本區別在于，構象通過單鍵內旋轉可以改變，在于，構象通過單鍵內旋轉可以改變，而構型無法通過內旋轉改變。而構型無法通過內旋轉改變。 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 蛋白質的兩種二次結構（構象）蛋白質的兩種二

20、次結構（構象）3. 大分子大分子構型構型 定義：定義：指分子中鏈節內各原子和基團通過化學鍵固指分子中鏈節內各原子和基團通過化學鍵固定的空間排列。定的空間排列。要改變構型，必須經過化學鍵的斷要改變構型，必須經過化學鍵的斷裂和重組。裂和重組。聚丙烯纖維聚丙烯纖維( (PP)PP)，根據甲基在鏈上的排列位置不同，形根據甲基在鏈上的排列位置不同，形成不同的立體構型，分為等規，間規、和無規聚丙烯成不同的立體構型，分為等規，間規、和無規聚丙烯 3、柔曲性、柔曲性n（1）定義：指纖維大分子在一定條件下，通過內旋轉或）定義：指纖維大分子在一定條件下，通過內旋轉或振動而形成各種形狀的難易程度的特性。振動而形成各種形狀的難易程度的特性。n（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：主鏈彈性好，柔曲性主鏈彈性好，柔曲性側鏈較少，柔曲性側鏈較少，柔曲性主鏈四周側基分布對稱，柔曲性主鏈四周側基分布對