第七章 纖維的熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)

第七章

纖維的熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)第一節(jié)纖維的熱學(xué)性質(zhì)一、比熱容1．比熱容的概念

單位質(zhì)量的纖維，溫度升高（或降低）1℃所需要吸收（或放出）的熱量，叫做纖維的比熱容，簡(jiǎn)稱比熱。單位J/(g·℃)，或cal/(g·℃).

比熱容的大小，直接反映纖維材料溫度變化的難易程度，影響著纖維的加工和使用性能。2．常見紡織纖維的比熱容纖維種類比熱值纖維種類比熱值纖維種類比熱值棉1.21～1.34粘膠纖維1.26～1.36羽絨羊毛1.36錦綸61.84芳香聚酰胺纖維1.21桑蠶絲1.38～1.39錦綸662.05醋酯纖維1.46亞麻1.34滌綸1.34玻璃纖維0.67大麻1.35腈綸1.51石棉1.05黃麻1.36丙綸(50℃)1.80木棉表7-1常見干燥紡織纖維的比熱表（測(cè)定溫度為20℃）單位：J/g·℃靜止干空氣：1.01；水：4.183．影響紡織纖維比熱容的主要因素圖7-1羊毛纖維比熱與回潮率和溫度的關(guān)系（1）水分的影響纖維的比熱容隨回潮率的增大而增大：（2）溫度的影響

回潮率一定時(shí)，溫度愈高，纖維的比熱容也愈大。圖7-2不同取向聚乙烯纖維的DSC圖譜圖7-3兩種滌綸絲的比熱隨溫度的變化規(guī)律（3）纖維結(jié)構(gòu)的影響

大分子的取向排列會(huì)導(dǎo)致其比熱容的增大；纖維的結(jié)晶形式和結(jié)晶度也對(duì)比熱容值產(chǎn)生影響。4．比熱容對(duì)纖維加工和使用的影響對(duì)纖維的使用性能和加工工藝有重要意義，如錦綸；對(duì)涉及到快速熱加工的紡織工藝，比熱容對(duì)制訂工藝參數(shù)有重要意義；具有較大比熱容值的纖維可用于那些需要抵御溫度驟變的場(chǎng)合。二、導(dǎo)熱圖7-4熱傳遞示意圖1、導(dǎo)熱與導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱主要通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式來實(shí)現(xiàn)。

導(dǎo)熱系數(shù)：當(dāng)材料的厚度為1m及兩端間的溫度差為1℃時(shí)，1秒鐘內(nèi)通過1m2纖維材料傳導(dǎo)的熱量焦耳數(shù)。單位：W/m·℃表7-2常見紡織纖維的導(dǎo)熱系數(shù)纖維制品λ(W/m·℃)λ∥λ⊥棉纖維0.071～0.0731.12590.1598羊毛纖維0.052～0.0550.47890.1610蠶絲纖維0.05～0.0550.83020.1557粘膠纖維0.055～0.0710.71800.1934醋酯纖維0.05羽絨0.024木棉0.032麻1.66240.2062滌綸0.0840.97450.1921腈綸0.0510.74270.2175錦綸0.244～0.3370.59340.2701丙綸0.221～0.302氯綸0.042靜止干空氣0.026——純水0.697——2．影響纖維導(dǎo)熱系數(shù)的因素（1）纖維的結(jié)晶與取向纖維的結(jié)晶度越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大；纖維取向度越高，沿纖維軸向的導(dǎo)熱系數(shù)越大；

（熱傳導(dǎo)的各向異性

∥≠

⊥）纖維集合體實(shí)際是纖維、空氣和水的混合物。（2）纖維集合體的密度纖維集合體的導(dǎo)熱系數(shù)取決于纖維中的孔隙量和孔隙中氣體的流動(dòng)性。圖7-5纖維層體積重量和導(dǎo)熱系數(shù)間的關(guān)系纖維層中夾持的空氣越多，則纖維層的絕熱性越好。

一旦夾持的空氣流動(dòng)，保暖性將大大降低。纖維層的體積重量在0.03-0.06g/cm3，λ最小，保暖性最好。

纖維填充密度一樣，導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙中氣體流動(dòng)性增大而增大填充密度變化時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)先減小再增大。7-6纖維排列方向角αf與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系（3）纖維排列方向纖維平行于熱輻射方向排列時(shí)，即纖維垂直于纖維層方向取向時(shí)，導(dǎo)熱能力較強(qiáng)；纖維垂直于熱輻射方向，即纖維平行于纖維層排列時(shí)，導(dǎo)熱能力較低。（4）纖維細(xì)度和中空度當(dāng)纖維排列特征相同時(shí)，纖維細(xì)度越細(xì)，纖維制品的熱輻射穿透能力越弱；在同樣密度下相對(duì)的間隙越小，靜止空氣的作用越強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)越?。焕w維中的空腔量越大，纖維集合體的導(dǎo)熱系數(shù)越小。表7-3溫度與纖維導(dǎo)熱系數(shù)間的關(guān)系纖維導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/m·℃)0℃30℃100℃棉0.0580.0630.069羊毛0.0350.0490.058亞麻0.0460.0530.062蠶絲0.0460.0520.059（5）環(huán)境溫、濕度T↑λ↑，

因?yàn)殡S溫度增加，分子的熱振動(dòng)頻率加大，使熱量能籍此得到更好的傳遞。水分越多，λ越大，保暖性越差.在同樣溫濕度條件下，吸濕能力比較好的纖維，導(dǎo)熱性比較好。3．導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)加工和使用的影響對(duì)纖維加工而言，導(dǎo)熱系數(shù)低、會(huì)影響熱作用的傳遞和熱處理的效果，造成處理對(duì)象的外熱內(nèi)冷和熱作用時(shí)間的外長(zhǎng)內(nèi)短現(xiàn)象，引起處理效果的不均勻；對(duì)纖維材料的使用，應(yīng)該充分利用高導(dǎo)熱系數(shù)的纖維來制作導(dǎo)熱、散熱性能良好的夏季織物，應(yīng)用采用低導(dǎo)熱系數(shù)的纖維或纖維集合體材料，來獲得高保暖和絕熱的材料。1.兩種轉(zhuǎn)變與三種力學(xué)狀態(tài)纖維受熱作用時(shí)，性狀會(huì)發(fā)生變化。在較高溫度時(shí)會(huì)發(fā)生軟化、熔融的纖維成為熱塑性纖維。

如滌綸、錦綸、丙綸、醋酯纖維等。在較高溫度時(shí)不出現(xiàn)熔融而直接發(fā)生分解、炭化的纖維成為非熱塑性纖維。如棉、麻和再生纖維素纖維，羊毛、蠶絲和再生蛋白質(zhì)纖維。三.熱作用下纖維的性狀對(duì)于熱塑性纖維，當(dāng)結(jié)晶度較低時(shí)，纖維的性質(zhì)具有非晶態(tài)高聚物所特有的力學(xué)三態(tài)及其轉(zhuǎn)變特征。纖維在不同溫度下，測(cè)量纖維的伸長(zhǎng)變形和彈性模量隨溫度的變化，可以得到變形-溫度曲線和模量-溫度曲線，也稱為熱機(jī)械曲線。典型的纖維熱機(jī)械曲線存在兩個(gè)斜率突變區(qū)（玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)和粘彈轉(zhuǎn)變區(qū)），在這兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)之間和兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)三種不同的力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)。形變溫度IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)Tg粘流態(tài)粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)Tf2.三態(tài)與兩種轉(zhuǎn)變的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理（1）玻璃態(tài)在低溫時(shí)，纖維的彈性模量很高，變形能力很小，具有胡克體行為，纖維堅(jiān)硬，類似玻璃，稱為玻璃態(tài)。

溫度低，由于分子熱運(yùn)動(dòng)能低、鏈段的熱運(yùn)動(dòng)不足以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘，鏈段處于“凍結(jié)”狀態(tài)，只有側(cè)基、鏈節(jié)和短小支鏈等小運(yùn)動(dòng)單元的局部振動(dòng)及鍵長(zhǎng)、鍵角的變化。

（2）玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)這是一個(gè)對(duì)溫度變化十分敏感的區(qū)域。在該轉(zhuǎn)變區(qū)，由于溫度升高，分子鏈段開始“解凍”，其熱運(yùn)動(dòng)能可以克服主鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘繞主鏈軸旋轉(zhuǎn)，使分子的構(gòu)象發(fā)生變化。該轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化溫度Tg

。（3）高彈態(tài)是指大分子鏈段可以運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，但沒有分子鏈的滑移。纖維呈現(xiàn)出較高的彈性，成為高彈態(tài)。

（4）粘彈轉(zhuǎn)變區(qū)

也是一個(gè)對(duì)溫度很敏感的區(qū)域。

由于溫度升高，鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，鏈段可以沿作用力方向協(xié)同運(yùn)動(dòng)。不僅使分子鏈的構(gòu)象發(fā)生變化，而且導(dǎo)致大分子鏈段在長(zhǎng)范圍內(nèi)甚至整體發(fā)生相對(duì)位移，纖維表現(xiàn)出流動(dòng)性，模量迅速下降，形變迅速增加。對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)成為流動(dòng)溫度Tf

。

（5）粘流態(tài)

當(dāng)溫度高于Tf后，纖維大分子鏈段運(yùn)動(dòng)劇烈，各大分子鏈件可以發(fā)生相對(duì)位移，從而產(chǎn)生不可逆變形，纖維呈現(xiàn)出粘性液體狀。大分子間存在化學(xué)鍵交聯(lián)的纖維，無粘彈轉(zhuǎn)變區(qū)和粘流態(tài)。常見紡織纖維的熱學(xué)性能纖維種類玻璃化溫度軟化點(diǎn)熔點(diǎn)分解點(diǎn)洗滌最高溫度棉------15090-100羊毛------13030-40桑蠶絲------15030-40粘膠纖維------150--醋酯纖維186195-205290-300----滌綸80,67,90235-240256--70-100錦綸647,65180215-220--80-85錦綸6685225253--80-85腈綸80-100,140-150190-240--280-30040-45維綸85干220-230水中110------丙綸-35145-150163-175----氯綸82水中110200--30-404、熱定形與變形熱定形：使纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或織物的形狀在熱作用

下固定并獲得一定的尺寸；變形：使纖維材料獲得卷曲和蓬松效果。（1）熱定形及其機(jī)理對(duì)于合成纖維：一般采用高于玻璃化溫度Tg

、低于晶體熔融溫度Tm的熱處理；對(duì)于高結(jié)晶的棉、麻類纖維：采用交聯(lián)或其它方法定形；對(duì)于羊毛類纖維：采用熱濕和張力作用打開部分二硫鍵，并在新的位置重建二硫鍵，達(dá)到分子間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；對(duì)于絲類纖維：可通過熱濕作用，或部分融化調(diào)整絲膠的包覆狀況，冷卻后得到定形。（2）熱定形效果的持久性暫時(shí)性熱定形：纖維或其織物在熱定形后的使用中，定形效果會(huì)較快消失；半永久性熱定形：是指在平時(shí)使用中能抵御一般作用的熱定形，但給以激烈的作用，其熱定形效果也會(huì)消失；永久性熱定形：是指纖維的Tg高于一般衣著使用溫度的熱定形處理。（3）熱定形的方法根據(jù)纖維發(fā)生收縮的程度分：張力定形和松弛定形；張力定形可形成有伸長(zhǎng)定形（1％）、無收縮定形、部分收縮定形；按照定形時(shí)所采用的熱媒介質(zhì)或加熱方式分：干熱空氣定形、接觸加熱定形、水蒸氣濕熱定形和浴液（水、甘油）定形等。（4）影響熱定形效果的主要因素

1）溫度溫度愈高，定型效果愈顯著，但T不能太高，否則會(huì)使織物手感粗糙，甚至引起纖維損傷。2）時(shí)間溫度高，定型時(shí)間可短些；溫度低，定型時(shí)間可長(zhǎng)些。定型時(shí)間必須保證熱在織物中的均勻擴(kuò)散及分子鏈段的重建。3）張力高張力定型適用于單絲襪子；弱張力定型用于多數(shù)的針織物和機(jī)織物；無張力定型在一般織物中用得較少。

4）冷卻速度

一般要求較快冷卻，可使新結(jié)構(gòu)快速固定，可獲得較好手感的織物。5）定型介質(zhì)

表7-5幾種纖維織物的常用熱定形溫度纖維品種熱定形溫度(℃)熱水定形蒸汽定形干熱定形滌綸120~130120~130190~210羊毛90~100100~120130~150錦綸66100~120110~120170~190腈綸125～135130～140丙綸100~120120~130130~140（5）熱變形加工通過熱作用的變形加工主要是針對(duì)熱塑性類纖維；熱變形加工的速度更快，變形的溫度偏高、張力較大四、纖維的耐熱性和熱穩(wěn)定性耐熱性：纖維經(jīng)加熱作用后力學(xué)性能的保持性；熱穩(wěn)定性：纖維在熱作用下的結(jié)構(gòu)形態(tài)和組成的穩(wěn)定性。一般規(guī)律是：T↑，斷裂強(qiáng)力↓；斷裂伸長(zhǎng)率↑；初始模量↓；纖維變得柔軟。圖7-8PBO纖維的力學(xué)性能保持率1纖維的耐熱性纖維受不同溫度但一定時(shí)間作用后，纖維力學(xué)性能的保持率；纖維隨溫度升高而強(qiáng)度降低的程度常用表達(dá)方法：常用纖維耐熱性：

天然纖維：棉>麻>蠶絲>羊毛

人造纖維：粘膠>棉

合成纖維：滌綸>腈綸>錦綸>維綸碳纖維、玻璃纖維相當(dāng)好。表7-6常見紡織纖維受熱后的剩余強(qiáng)度(%)纖維在20℃未加熱在100℃經(jīng)過20天在100℃經(jīng)過80天在130℃經(jīng)過20天在130℃經(jīng)過80天棉10092683810亞麻10070412412苧麻1006226126蠶絲1007339——粘膠10090624432錦綸10082432113滌綸100100969575腈綸1001001009155玻璃纖維1001001001001002．纖維的熱穩(wěn)定性圖7-９高強(qiáng)高模聚乙烯的熱重曲線（1）質(zhì)量與組成的穩(wěn)定性纖維在熱作用下會(huì)發(fā)生熱降解，而引起分子量的下降和組成變化，尤其是有氧條件下會(huì)發(fā)生氧化降解。表7-7Kevlar?纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)纖維樣品結(jié)晶度(%)雙折射值Kevlar129-未處理67.80.736Kevlar129-200°C67.60.734Kevlar129-300°C67.30.731Kevlar129-400°C67.20.729（2）結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性熱作用下纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，這是熱穩(wěn)定性中最主要的表達(dá)內(nèi)容，也是耐熱性高低的最主要機(jī)制；在熱作用下，纖維的結(jié)晶會(huì)解體，取向會(huì)下降。（3）形態(tài)的穩(wěn)定性

形態(tài)的穩(wěn)定性是指在溫度作用下纖維外觀形態(tài)的穩(wěn)定，主要指纖維的熱收縮性。1）定義：合成纖維受熱后發(fā)生不可逆的收縮現(xiàn)象稱之為熱收縮。2）指標(biāo)：

熱收縮率——加熱后纖維縮短的長(zhǎng)度占原來長(zhǎng)度的百分率。根據(jù)介質(zhì)不同有：

a.沸水收縮率：

一般指將纖維放在100°C的沸水中處理30min，晾干后的收所縮率；

b.熱空氣收縮率：

一般指用180°、190°C、210°C熱空氣為介質(zhì)處理一定時(shí)間（如15min）后的收縮率；

c.飽和蒸汽收縮率：

一般指用125-130°C飽和蒸汽為介質(zhì)處理一定時(shí)間（如3min）后的收縮率。3）產(chǎn)生原因：紡絲成形過程中，受到較大的抽伸作用，纖維殘留一定的內(nèi)應(yīng)力；

4）影響因素：溫度——T↑，熱收縮率↑介質(zhì)——水、空氣、蒸汽原來的熱處理?xiàng)l件5）利弊利用不同的纖維收縮率，混紡可改善紗線結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)絲或合纖紗熱收縮率不同，產(chǎn)生易吊經(jīng)、吊緯、裙子皺。使用時(shí)也要注意熱收縮問題。五、纖維的燃燒性質(zhì)極限氧指數(shù)LOI著火點(diǎn)溫度TI燃燒時(shí)間t火焰溫度TB描述纖維燃燒性的指標(biāo)：根據(jù)燃燒性能的不同，可將纖維分為四類：易燃可燃難燃不燃

可燃性和阻燃性易燃纖維：纖維素纖維、腈綸可燃纖維：羊毛、蠶絲、錦綸、滌綸、維綸難燃纖維：氯綸不燃纖維：玻璃纖維、碳纖維等1、極限氧指數(shù)

是指試樣在氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚庵?，維持完全燃燒狀態(tài)所需的最低氧氣體積分?jǐn)?shù)。表7-8主要紡織纖維的燃燒性比較纖維TI（℃）TB（℃）LOI(%)棉40086020.1粘膠42085019.7醋酯47596018.6三醋酯54088518.4羊毛60094125.2錦綸653087520.1錦綸66532—滌綸45069720.6腈綸56085518.2丙綸57083918.6阻燃棉37071026~30Nomex43027~30kynol430;576250029~30杜勒特35~38表7-9LOI對(duì)纖維燃燒性能的分類分類LOI(%)燃燒狀態(tài)纖維品種不燃≥35常態(tài)環(huán)境及火源作用后短時(shí)間不燃燒多數(shù)金屬纖維、碳纖維、石棉、硼纖維、玻璃纖維及PBO、PBI、PPS纖維難燃26~34接觸火焰燃燒，離火自熄芳綸、氟綸、氯綸、改性腈綸、改性滌綸、改性丙綸等可燃20~26可點(diǎn)燃，能續(xù)燃，但燃燒速度慢滌綸、錦綸、維綸、羊毛、蠶絲、醋酯纖維等易燃≤20易點(diǎn)燃，燃燒速度快丙綸、腈綸、棉、麻、粘膠纖維等2．點(diǎn)燃溫度和燃燒時(shí)間(1)點(diǎn)燃溫度TI

是指纖維產(chǎn)生燃燒所需的最低溫度，是燃燒的激發(fā)點(diǎn)溫度，也稱著火點(diǎn)溫度。

點(diǎn)燃溫度取決于纖維的熱降解溫度和裂解可燃?xì)怏w的點(diǎn)燃溫度，其值越高，纖維越不易被點(diǎn)燃。(2)燃燒時(shí)間t

是指纖維放入可燃環(huán)境（有氧、高溫）中，觀察纖維從放入到燃燒所需的時(shí)間。

當(dāng)纖維質(zhì)量趨于無窮小或可燃環(huán)境趨于無窮大時(shí)的燃燒時(shí)間，稱為本質(zhì)燃燒時(shí)間。

燃燒時(shí)間反應(yīng)纖維被點(diǎn)燃的快慢程度，取決于纖維的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱降解速率、點(diǎn)燃溫度。3．燃燒溫度TB

是指纖維燃燒時(shí)的火焰區(qū)中的最高溫度值，故又稱火焰最高溫度。

反應(yīng)了纖維材料在燃燒過程中的反應(yīng)速度及其熱能的釋放量。

取決于纖維的熱裂解速度以及氧化反應(yīng)速率、量和完善程度，并與燃燒時(shí)纖維質(zhì)量的損失率直接相關(guān)。4．纖維阻燃的途徑及形式（1）阻燃機(jī)理：纖維的阻燃，一般通過阻止或減少纖維熱分解、隔絕或稀釋氧氣和快速降溫使其終止燃燒等原理實(shí)現(xiàn)。將有阻燃功能的阻燃劑通過聚合、共混、共聚、負(fù)荷紡絲、接枝改性等方法加入到纖維中；用后整理方法將阻燃劑涂覆在纖維表面或浸漬于纖維內(nèi)，以此提高纖維的阻燃性。（2）阻燃途徑：（3）阻燃纖維的獲得主要分為兩類：在紡絲原液中加入阻燃劑，混合紡絲制成；由合成的難燃聚合物紡制而成。第二節(jié)纖維的光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)：纖維對(duì)光的反射、折射和透射性質(zhì)及光澤特征，以及纖維對(duì)光的吸收激發(fā)發(fā)光、降解和耐光性質(zhì)。圖7-1光與透明纖維及其纖維集合體的折射、反射和透射

1

1

、

2

2

入射主反射次反射主透射次透射介質(zhì)1(空氣或液體)介質(zhì)2(纖維)介質(zhì)1(空氣或液體)（a）光對(duì)纖維的折射、反射和透射（b）光與單纖維內(nèi)的作用（c）光與纖維集合體的作用

lPbb1b2irtt2t3tststts2t2s纖維一、光在纖維中的反射與折射現(xiàn)象二、

纖維的光澤

（1）纖維光澤的形成

（2）影響纖維光澤的因素：

a.層狀結(jié)構(gòu)

b.縱面形態(tài)

c.截面形狀

a．纖維層狀結(jié)構(gòu)對(duì)光澤的影響圖7-12層狀結(jié)構(gòu)纖維多層反射與折射示意圖在纖維體內(nèi)，材料密度由外及里連續(xù)或分層變化的結(jié)構(gòu)，稱為纖維的層狀結(jié)構(gòu)；層狀結(jié)構(gòu)使纖維體內(nèi)光的折射率產(chǎn)生差異；多層反射作用使到達(dá)纖維表面的反射光產(chǎn)生疊加，不同波長(zhǎng)光還會(huì)產(chǎn)生干涉作用，使纖維呈現(xiàn)出較強(qiáng)的光澤而不耀眼。（蠶絲的光澤）b．纖維縱向形態(tài)對(duì)光澤的影響纖維縱向表面光滑一致，則漫反射少，纖維光澤強(qiáng)?；瘜W(xué)纖維光澤強(qiáng)絲光棉纖維較未處理棉纖維光澤強(qiáng)粗羊毛光澤較強(qiáng)，細(xì)羊毛光澤柔和，鱗片受損傷的羊毛光澤暗淡半無光或消光化纖的原理是加入TiO2消光劑c．纖維橫截面形狀對(duì)光澤的影響圓形截面纖維：極光效應(yīng)三角形截面纖維：閃光效應(yīng)三、光的雙折射1.雙折射現(xiàn)象當(dāng)光沿著不同方向傳播時(shí)，由于在該物質(zhì)不同方向上的光密度不同，使光的傳播速度產(chǎn)生差異，即折射率的數(shù)值與光的傳播方向有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象，具有這種現(xiàn)象的物質(zhì)叫成為雙折射物質(zhì)。

雙折射率：△n=nmax-nmin對(duì)于纖維有：△n=n//-n

纖維折射率n‖n⊥n‖-n⊥棉1.573~1.5811.524~1.5340.041~0.051苧麻1.595~1.5991.527~1.5400.057