纖維的物理性質(zhì)課件

1、第四章 纖維的物理性質(zhì)Back第一節(jié) 纖維的熱性能 一、纖維的比熱 纖維的比熱，也稱比熱容，是指單位質(zhì)量的纖維，在溫度變化1時(shí)所吸收或放出的熱量，即： 式中：Co干纖維的比熱（J/gK），M干纖維的質(zhì)量， T溫度的變化，q纖維吸收或放出的熱量。 對(duì)含有水份的纖維，溫度變化1時(shí)所吸收或放出的熱量，除纖維外，還有纖維中的水份，濕纖維的比熱為： 式中：C濕纖維的比熱（J/gK），Co干纖維的比熱（J/gK），Cw水的比熱（J/gK），M纖維含水率。 纖維的比熱值隨溫度的升高而增大，但各種纖維比熱增大幅度不同。 二、纖維的導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱性：在有溫差的情況下，熱量從高溫向低溫傳遞的性質(zhì)。保暖性：抵抗這種傳

2、遞的能力。導(dǎo)熱系數(shù)：當(dāng)纖維材料的厚度為1m且兩側(cè)表面之間的溫度差為1時(shí)，1h內(nèi)從1m2的纖維面積中通過(guò)的熱量（KJ）。 單位：k J（mkh） 熱傳導(dǎo)率k：在纖維材料的厚度為a的時(shí)候，通過(guò)該材料厚度的熱量。 單位：kJ（m2kh） 式中：Q通過(guò)制品的熱量（KJ），a制品的厚度（m），F(xiàn)制品的面積（m2），T溫差（），t時(shí)間（h）。 影響纖維導(dǎo)熱性的因素：（1）纖維集合體的體積質(zhì)量有資料表明：纖維層的體積質(zhì)量在0.030.06gm3范圍時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最小。（2）纖維回潮率：隨著纖維回潮率的增高，纖維的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)增大，而保暖性下降。（3）溫度：溫度高時(shí)，纖維的導(dǎo)熱系數(shù)稍有增大。 三、纖維的熱裂解與纖維

3、的三態(tài)轉(zhuǎn)變 （一）加熱過(guò)程中的物相變化纖維受熱后，物理狀態(tài)的變化有兩種類型：（1）先隨溫度升高脫去水份，然后氧化降解，直接由固態(tài)裂解為氣體和碳素殘?jiān)Ｈ缭S多天然纖維素纖維、天然蛋白質(zhì)纖維、再生纖維。（2）先隨溫度升高脫去水分，隨后纖維開(kāi)始由固態(tài)（玻璃態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈咝巫兡芰Φ母邚棏B(tài)，或者從近似于玻璃態(tài)的低高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，再繼續(xù)升高溫度，纖維成為流動(dòng)態(tài)的熔體（粘流態(tài)），再升高溫度便開(kāi)始熱裂解。如滌綸、錦綸等合成纖維。 （二）熱塑性纖維的三態(tài)轉(zhuǎn)變熱塑性纖維：物理狀態(tài)隨溫度變化發(fā)生“三態(tài)轉(zhuǎn)變”的纖維。1三態(tài)轉(zhuǎn)變的基本特征玻璃態(tài)：在溫度比較低時(shí)，纖維表現(xiàn)出有類似于剛體的性能。高彈態(tài)：溫度升到相當(dāng)高以

4、后，纖維表現(xiàn)為有類似于橡膠那樣的性能。粘流態(tài)：再升高溫度，纖維表現(xiàn)為有類似于液體的流動(dòng)狀態(tài)。 2三態(tài)轉(zhuǎn)變的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理（1）玻璃態(tài)玻璃態(tài)時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的能量很低，無(wú)法克服阻礙主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)的勢(shì)能，對(duì)外表現(xiàn)就是僅有普彈形變的變形特性。（2）高彈態(tài)高彈態(tài)時(shí)，分子因升溫而獲得的運(yùn)動(dòng)能量已足以克服阻礙內(nèi)旋轉(zhuǎn)的能壘障礙，分子構(gòu)象可改變。這個(gè)過(guò)程發(fā)生的形變值很大，且能夠回復(fù)。（3）粘流態(tài)粘流態(tài)時(shí)，不僅鏈段能運(yùn)動(dòng)，且整個(gè)分子鏈也能運(yùn)動(dòng)，這時(shí)若加以外力，就會(huì)出現(xiàn)“粘性流動(dòng)”，即整個(gè)分子間的相對(duì)移動(dòng)。形變不可逆。3三態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（1）玻璃化溫度（Tg）指由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)時(shí)的溫度。（2）流動(dòng)溫度（熔點(diǎn)）（Tf）指高

5、彈態(tài)與粘流態(tài)的分界溫度。（3）其它特征溫度在玻璃化溫度以下，鄰近高彈態(tài)處就還可再分出一段所謂“強(qiáng)迫高彈態(tài)”的區(qū)域，并把這一區(qū)域與典型玻璃態(tài)之間的分界點(diǎn)定義為脆化溫度。 四、纖維的耐熱性與難燃性 （一）纖維的耐熱性纖維的耐熱性：指纖維在高溫下保持自身物理機(jī)械性能的能力。纖維的熱穩(wěn)定性：指纖維對(duì)熱裂解的穩(wěn)定程度。受熱溫度超過(guò)500時(shí)，纖維的熱穩(wěn)定性叫耐高溫性。裂解：是指高分子主鏈的斷裂，通常有熱裂解和化學(xué)裂解（氧化、水解等），且同時(shí)發(fā)生。（二）纖維的燃燒性易燃的：纖維素纖維、腈綸可燃的：羊毛、蠶絲、錦綸、滌綸、維綸難燃的：氯綸、聚乙烯醇-氯乙烯共聚纖維（維氯綸）不燃的：石棉、玻璃纖維等極限氧指數(shù)L

6、OI（Limit Oxygen Index）：材料點(diǎn)燃后在氧-氮大氣里維持燃燒所需最低含氧量的體積百分?jǐn)?shù)。提高纖維阻燃性的方法：（1）在成纖高聚物的聚合階段，加入反應(yīng)型阻燃劑作為共聚單體進(jìn)行共聚阻燃改性。（2）在紡絲熔體或原液中添加阻燃劑，對(duì)纖維進(jìn)行共混阻燃改性。（3）復(fù)合紡絲阻燃改性，即采用復(fù)合紡絲法制備具有芯鞘結(jié)構(gòu)的阻燃纖維，芯層為普通纖維，鞘層為共聚型或添加型阻燃纖維。（4）在普通纖維上與反應(yīng)性阻燃劑進(jìn)行接枝共聚，或通過(guò)阻燃整理而賦予纖維以阻燃性，即阻燃改性的表面處理法。 五、纖維的熱定形 熱定型：指籍助熱處理使纖維已獲得的變形被適當(dāng)固定，固定可以是永久性的，也可以是暫時(shí)性的。纖維的熱定

7、型機(jī)理： （一）非熱塑纖維的熱定型機(jī)理時(shí)溫等效原理。松馳時(shí)間和熱定型溫度之間的時(shí)溫等效轉(zhuǎn)換方程（阿累尼烏斯方程）： 式中的E為纖維分子鏈上運(yùn)動(dòng)單元以某種方式運(yùn)動(dòng)時(shí)需要的能量；T為絕對(duì)溫度；R為氣體常數(shù)；為松弛時(shí)間；o為初始常數(shù)。 上式表明：溫度增加，松弛時(shí)間減少，過(guò)程加快。 （二）熱塑性纖維的熱定型機(jī)理利用三態(tài)轉(zhuǎn)變溫度：升溫到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，將纖維變形，然后保持變形并降溫使纖維回復(fù)到玻璃態(tài)環(huán)境中，纖維變形即可被“定型”下來(lái)。這一機(jī)理適用于大多數(shù)合成纖維，如滌綸、錦綸纖維等。六、纖維的熱膨脹與熱收縮 （1）纖維的熱膨脹：遵循固體材料在熱的作用下輕微膨脹的一般規(guī)律。（2）纖維的熱收縮：一些具有

8、三態(tài)轉(zhuǎn)變并通過(guò)熱抽伸成形的熱塑性纖維，受熱以后反而收縮，膨脹系數(shù)表現(xiàn)為負(fù)值。熱收縮程度的量度：熱收縮率：加熱處理前后的長(zhǎng)度變化與原長(zhǎng)的比值。常用加熱方式：沸水收縮、熱空氣收縮和飽和蒸汽收縮。第二節(jié) 纖維的電性能 纖維的電性能：指纖維在外加電壓或電場(chǎng)作用下的行為及其表現(xiàn)出的各種物理現(xiàn)象，包括在變化電場(chǎng)中的介電性質(zhì)、在弱電場(chǎng)中的導(dǎo)電性質(zhì)、在強(qiáng)電場(chǎng)中的擊穿現(xiàn)象以及發(fā)生在纖維表面的靜電現(xiàn)象。 一、纖維的電阻 纖維的導(dǎo)電性能用電阻率（或?qū)щ娐剩﹣?lái)表示。體積比電阻v：直流電流通過(guò)截面積為lcm2和厚度為lcm纖維材料的電阻（cm）。 S測(cè)量電極的面積（cm2），d纖維材料厚度（cm） 表面比電阻s：直流電

9、流通過(guò)長(zhǎng)lcm、寬lcm纖維材料的電阻（）。 L電極長(zhǎng)度（cm），b平行電極間距離（cm） 質(zhì)量比電阻m：其數(shù)值等于長(zhǎng)1 cm、質(zhì)量為1g的纖維的電阻值，單位g cm2。 影響纖維電阻的因素 ：（1）水份對(duì)纖維電阻的影響： （2）溫度對(duì)纖維電阻的影響：纖維的比電阻隨溫度升高而下降。 （3）結(jié)構(gòu)對(duì)纖維電阻的影響：纖維的結(jié)晶度增大，電阻變大；取向度增加，電阻下降。（4）雜質(zhì)對(duì)纖維電阻的影響 ：在合成纖維制造過(guò)程中，可以通過(guò)將導(dǎo)電粒子（如金屬粉末、碳黑、金屬氧化物等）與基質(zhì)聚合物共混或復(fù)合紡絲制成導(dǎo)電纖維?；蛘邔?dǎo)電成分涂敷在非導(dǎo)電主體聚合物纖維的表面，得到具有低比電阻的導(dǎo)電纖維。 起電現(xiàn)象：在一定

10、的外界條件下，物體間可以發(fā)生電子的轉(zhuǎn)換，接受電子的物體由于電子過(guò)剩而顯負(fù)電，失去電子的物體則顯正電，這就是起電現(xiàn)象。 纖維在紡織加工中要受到各種機(jī)件的作用，由于纖維與機(jī)械以及纖維與纖維間的摩擦，必會(huì)聚集起許多電荷，這就是靜電。 二、纖維的靜電 減少合成纖維靜電的方法：（1）在紡絲時(shí)，在大分子鏈上引入某些極性基團(tuán)，以減少纖維的表面比電阻；（2）使用表面活性劑，使它在纖維表面形成一層薄膜，降低纖維的摩擦系數(shù)，增強(qiáng)纖維表面的吸濕性并降低纖維的表面比電阻；（3）增加環(huán)境相對(duì)濕度，使纖維回潮率增大，所帶電荷減少；（4）將碳粉、金屬粉的微粒嵌入合成纖維，來(lái)發(fā)揮抗靜電作用。 電介質(zhì)是電的絕緣體。介電性質(zhì)：指

11、電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由于極化而引發(fā)的對(duì)靜電能的儲(chǔ)蓄以及在交變電場(chǎng)中的損耗等性質(zhì)。介電性質(zhì)的表達(dá)：（1）介電系數(shù)，（2）介電損耗 三、纖維的介電性質(zhì)（一）介電系數(shù) 式中的C0和C1分別是以真空為介質(zhì)和以纖維為介質(zhì)時(shí)，平板電容器的容量，在電壓為V時(shí)，此時(shí)電容器上聚集的電荷量分別為Q1和Q0 ，Q稱為感應(yīng)電荷量 影響纖維介電系數(shù)的因素：1纖維內(nèi)部因素主要包括相對(duì)分子質(zhì)量、密度與極化率。2外界因素的影響（1）溫度（2）頻率（3）回潮率及堆砌的緊密程度（二）介電損耗介質(zhì)損耗：纖維中的極性水分子，在交變電場(chǎng)作用下，會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，分子部分地沿著電場(chǎng)方向定向排列，并隨著電場(chǎng)方向的變換不斷地作交變?nèi)∠蜻\(yùn)動(dòng)，使

12、分子間不斷發(fā)生碰撞和摩擦。要克服摩擦，就要消耗能量，介質(zhì)可以吸收一部分并把它轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使介質(zhì)發(fā)熱。介質(zhì)因發(fā)熱而消耗的能量，叫介質(zhì)損耗。3 光學(xué)性質(zhì) 一、纖維的光澤 （一）纖維光澤的形成 （二）纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)與光澤的關(guān)系 1纖維表面狀態(tài)對(duì)光澤的影響 （1）纖維表面狀態(tài)對(duì)表面反射光的影響平整光滑的表面，可形成正反射光；表面不平整光滑，則反射方向分散。（2）纖維的表面結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部反射光的影響 纖維表面的原纖結(jié)構(gòu)能夠決定入射光線在表面反射和進(jìn)入纖維內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)部反射的比例。2纖維的層狀構(gòu)造對(duì)光澤的影響當(dāng)具有層狀構(gòu)造的纖維受到光線照射時(shí)，在纖維表面發(fā)生第一次、第二次、第三次光的反射與折射，不僅會(huì)使纖維表面的

13、反射光量增加，光澤增強(qiáng)，且光澤柔和均勻，有層次，不刺目。3纖維的截面形狀對(duì)光澤的影響三角形截面的纖維不僅光澤較強(qiáng)，而且還有“閃光”效果。 （三）表征纖維光澤的方法與指標(biāo) 1以變角光度法為基礎(chǔ)的表征方法 （1）鏡面光澤度 （2）對(duì)比光澤度 2以杰弗里斯迴轉(zhuǎn)光度法為基礎(chǔ)的表征方法 3以偏光光澤度法為基礎(chǔ)的表征方法 二、纖維的雙折射 光線投射到紡織纖維上時(shí)，在界面上除了產(chǎn)生反射光以外，進(jìn)人纖維的光線將分解成兩條折射光，叫雙折射。兩條折射光都是偏振光，振動(dòng)面相互垂直。nn叫雙折射差度或雙折射率。 三、纖維的耐光性 纖維在貯存和穿用過(guò)程中，因受各種大氣因素的綜合作用，性能會(huì)逐漸惡化，如變色、變硬、變脆、

14、發(fā)粘、透明度下降、失去光澤、強(qiáng)度下降、破裂等，直到喪失使用價(jià)值。這種現(xiàn)象叫“老化” 。 常見(jiàn)纖維耐光性的大致順序是：腈綸羊毛麻棉粘膠滌綸錦綸蠶絲。 第四節(jié) 纖維的吸濕性能 吸濕性：纖維從氣態(tài)環(huán)境中吸著水分的能力。浸潤(rùn)性或潤(rùn)濕性：纖維從水溶液中吸著水分的能力。 一、纖維的吸濕指標(biāo) （一）回潮率和含水率 式中：G試樣原始重量，簡(jiǎn)稱濕重； G。試樣干燥重量，簡(jiǎn)稱干重。 ； （二）標(biāo)準(zhǔn)回潮率 在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（溫度=203，相對(duì)濕度=653）下，經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間（ 24h ）以后測(cè)得的回潮率。（三）公定回潮率 為了在商業(yè)上對(duì)原料計(jì)重、估價(jià)的方便，各國(guó)依據(jù)各自的具體條件，對(duì)各種纖維材料規(guī)定的特定回潮率標(biāo)準(zhǔn)。

15、（四）公定重量 混纖絲或混紡紗的公定回潮率W（%）： 式中：G1甲纖維干重（g），G2乙纖維干重（g），W1甲纖維的公定回潮率（%），W2乙纖維的公定回潮率，（%）。 二、纖維的吸濕機(jī)理 （一）水分子在纖維大分子和原纖結(jié)構(gòu)中的存在形式直接吸收水：由親水基團(tuán)直接吸收的水分子。間接吸收水：重疊在已被吸收的水分子上或由纖維中其他物質(zhì)的親水基團(tuán)所吸引的水分子。 三、纖維的吸濕性能 （一）吸濕平衡與吸濕滯后性平衡回潮率：將具有一定回潮率的纖維放到一個(gè)新的大氣條件下，它會(huì)立刻放濕或吸濕，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，單位時(shí)間內(nèi)被纖維吸收的水分子數(shù)等于脫離纖維返回大氣的水分子數(shù)時(shí)，纖維的回潮率逐漸趨向一個(gè)穩(wěn)定值。這種狀態(tài)

16、稱為吸濕相對(duì)平衡狀態(tài)，處在平衡狀態(tài)時(shí)的纖維回潮率稱為平衡回潮率。纖維材料經(jīng)68h或稍長(zhǎng)時(shí)間的放置，回潮率的變化已很微小，這種狀態(tài)可稱為條件平衡狀態(tài)，這時(shí)回潮率稱為條件平衡回潮率。 吸濕滯后性（吸濕保守現(xiàn)象）：同樣的纖維在一定的大氣溫濕度條件下，從放濕達(dá)到的平衡和從吸濕達(dá)到平衡的平衡回潮率是不相等的，前者大于后者，這種現(xiàn)象叫做吸濕滯后性。對(duì)吸濕保守性成因的解釋：（1）材料盡力保持結(jié)構(gòu)不變的傾向。（2）干-濕結(jié)構(gòu)。 （二）吸濕等溫線 吸濕等溫線：在一定溫度條件下，纖維因吸濕達(dá)到的平衡回潮率和大氣相對(duì)濕度的關(guān)系曲線。放濕等溫線：由放濕達(dá)到的平衡回潮率和大氣相對(duì)濕度的關(guān)系曲線。不同纖維的吸濕等溫線不一

17、致，但曲線的形狀都呈反S形。（三）吸濕等濕線吸濕等濕線：在一定的大氣壓力下，相對(duì)濕度一定時(shí)，纖維平衡回潮率隨溫度而變化的曲線。溫度對(duì)平衡回潮率的影響較小，其一般規(guī)律是溫度越高平衡回潮率越低。但在高溫高濕的條件下，由于熱膨脹等原因，纖維的平衡回潮率反略有增加。 四、纖維吸濕的影響因素 一、纖維內(nèi)在因素 （一）親水基團(tuán)的作用：多，吸濕好如：1纖維素纖維；2蛋白質(zhì)纖維；3合成纖維 （二）結(jié)晶度：低，吸濕好如：棉、粘膠（三）伴生物和雜質(zhì)的影響如：生絲-熟絲 ；脫脂棉-原棉；羊毛-洗凈毛 （四）比表面積：大，吸濕好如：超細(xì)纖維-普通纖維二、外界因素 （一）相對(duì)濕度 在一定溫度條件下，相對(duì)濕度愈高、空氣中水蒸氣的壓力愈大，也即是在單位體