第1章纖維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)(紡織材料學(xué))

第一章纖維構(gòu)造根底知識(shí)一、纖維大分子鏈的化學(xué)組成及銜接方式二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造三．線(xiàn)型非晶態(tài)高聚物的物理形狀1.纖維大分子構(gòu)造一、纖維大分子鏈的化學(xué)組成及銜接方式纖維大分子是由許多構(gòu)造一樣或相近的構(gòu)造單元〔單基〕以化學(xué)健的方式銜接而成的線(xiàn)型長(zhǎng)鏈分子。由于纖維資料的分子量很大，約在一萬(wàn)以上，因此被稱(chēng)為“大分子〞或“高分子〞。網(wǎng)狀型(b)枝杈型(c)直線(xiàn)型圖2-1纖維的長(zhǎng)鏈分子2.纖維大分子鏈的支化、構(gòu)型：一、纖維大分子鏈的化學(xué)組成及銜接方式3.鏈原子的類(lèi)型與陳列〔1〕碳鏈高分子：主鏈?zhǔn)且蕴荚拥墓矁r(jià)鍵(C-C健)方式組成大分子鏈；〔2〕雜鏈高分子：主鏈?zhǔn)怯蓛煞N以上的原子〔如C-O、C-N、C-S等〕以共價(jià)鍵相銜接而成；〔3〕元素有機(jī)高分子：大分子主鏈上含有磷、硼、呂、硅、鈦等元素，并在其側(cè)鏈上含有有機(jī)集團(tuán)。按構(gòu)成主鏈的化學(xué)組成不同，纖維大分子可以分為以下三類(lèi)：4.纖維大分子的單體、鏈節(jié)、聚合度：高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量雖然很大，但其化學(xué)組成普通卻比較簡(jiǎn)單。例聚氯乙烯的分子是由許多氯乙烯結(jié)合而成：?jiǎn)误w聚合物聚合度鏈節(jié)*平均聚合度n×鏈節(jié)的式量=高聚物的平均相對(duì)分子質(zhì)量簡(jiǎn)寫(xiě)：鏈節(jié)單體——聚合成高分子化合物的低分子化合物鏈節(jié)——組成高分子鏈的反復(fù)構(gòu)造單元聚合度——高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目那么纖維大分子的通式可簡(jiǎn)約表達(dá)為：5.纖維大分子鏈的單基、側(cè)基、端基及聚合度：錦綸分子式：滌綸分子式：RRRRRR

A/—A—A—A—…—A—A—A—A//假設(shè)纖維大分子的通式可簡(jiǎn)約表達(dá)為：那么式中A為單基,那么A/、A//為分子的端基，R為側(cè)基。5.纖維大分子鏈的單基、側(cè)基、端基：?jiǎn)位亩x：構(gòu)成纖維大分子主鏈的根本構(gòu)造單元稱(chēng)為“單基〞。側(cè)基的定義：分布在大分子主鏈兩側(cè)并經(jīng)過(guò)化學(xué)鍵與主鏈銜接的化學(xué)基團(tuán)。端基的定義：指大分子主鏈兩端的構(gòu)造單元，且與主鏈單基構(gòu)造有很大差別的基團(tuán)。RRRRRR

A/—A—A—A—…—A—A—A—A//單基的化學(xué)構(gòu)造、官能團(tuán)的種類(lèi)決議了該資料的最根本的物質(zhì)屬性，即耐酸、耐堿、耐光以及染色等化學(xué)性能。側(cè)基的構(gòu)造、性能對(duì)于大分子的柔順性、凝聚態(tài)和功能化都具有重要影響。端基對(duì)于纖維的熱、光學(xué)的穩(wěn)定能等性能具有重要影響。聚合度對(duì)于聚合物的加工型、最終纖維的性能等都具有較大的影響，棉、麻的聚合度高，成千上萬(wàn)；羊毛576；蠶絲400；粘膠300－600；化學(xué)纖維聚合度不宜過(guò)高。同時(shí)一根纖維中各個(gè)大分子的n不盡一樣，具有一定的分布。6.常用纖維的單基纖維素纖維：-葡萄糖?；鞍踪|(zhì)纖維：-氨基酸?；鶞炀]：對(duì)苯二甲酸乙二酯錦綸：己內(nèi)酰胺丙綸：丙烯腈綸：丙烯腈常用纖維的單基構(gòu)造式7.纖維大分子鏈的內(nèi)旋性、構(gòu)象及柔曲性分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)表示圖1、內(nèi)旋性：纖維大分子內(nèi)的單基之間在鍵長(zhǎng)鍵角堅(jiān)持不變條件下，相鄰單基可繞單鍵旋轉(zhuǎn)的特性。2、構(gòu)象：由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形狀稱(chēng)為構(gòu)象(或內(nèi)旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體)構(gòu)象與構(gòu)型的根本區(qū)別在于，構(gòu)象經(jīng)過(guò)單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以改動(dòng)，而構(gòu)型無(wú)法經(jīng)過(guò)內(nèi)旋轉(zhuǎn)改動(dòng)。8.纖維大分子鏈的內(nèi)旋性、構(gòu)象及柔曲性蛋白質(zhì)的兩種二次構(gòu)造〔構(gòu)象〕8.纖維大分子鏈的內(nèi)旋性、構(gòu)象及柔性3、柔性：指纖維大分子在一定條件下，經(jīng)過(guò)內(nèi)旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)而構(gòu)成各種外形的難易程度的特性。二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造

1.分子間的相互作用

★作用力的類(lèi)型 共價(jià)鍵 主價(jià)力〔又稱(chēng)化學(xué)鍵〕配位鍵作用力的類(lèi)型 離子鍵

次價(jià)力〔又稱(chēng)分子間力，包括：范德華力、氫鍵〕高分子鏈的構(gòu)成主要靠主價(jià)力〔化學(xué)鍵〕高分子鏈聚集成高聚物主要靠次價(jià)力〔分子間的力〕。二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造

★范德華力范德華力類(lèi)型定義特點(diǎn)本質(zhì)取向力極性分子永久偶極之間的靜電相互作用產(chǎn)生的吸引力分子極性越大，取向力越大；溫度高、距離大，取向力越小。范圍：4.2×104～2.1×104J/mol靜電引力誘導(dǎo)力極性分子與非極性分子、極性分子作用產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極之間的吸引力與極性分子偶極距的平方成正比，與被誘導(dǎo)分子的變形性成正比；距離大，誘導(dǎo)力?。慌c溫度無(wú)關(guān)。范圍：0.6×104～1.2×104J/mol靜電引力色散力各種分子之間的瞬間偶極距相互作用的吸引力具有普遍性、加和性，與溫度無(wú)關(guān)。分子變形大、電離程度大，色散力大；距離大，色散力小范圍：0.8×103～8.4×103J/mol靜電引力取向非取向二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造〔1〕取向與取向度分子取向：纖維大分子的分子鏈段在分子間相互作用力或外力作用下相互平行陳列，稱(chēng)之為大分子取向。取向度：大分子陳列方向與纖維軸向的吻合度，稱(chēng)為取向度。2.纖維的凝聚態(tài)構(gòu)造高分子的聚集態(tài)構(gòu)造是指纖維內(nèi)部大分子的取向與結(jié)晶構(gòu)造，也稱(chēng)為纖維資料的超分子構(gòu)造。晶區(qū)非晶區(qū)晶態(tài)聚合物：線(xiàn)型聚合物固化時(shí)可以結(jié)晶，但由于分子鏈運(yùn)動(dòng)較困難，不能夠完全結(jié)晶。所以晶態(tài)聚合物實(shí)踐為晶區(qū)〔分子有規(guī)律陳列〕和非晶區(qū)〔分子無(wú)規(guī)律陳列〕兩相構(gòu)造，普通結(jié)晶度〔晶區(qū)所占有的分量百分比〕只需50%～85%，特殊情況可到達(dá)98%。在結(jié)晶聚合物中，晶區(qū)與非晶區(qū)相互交叉，嚴(yán)密相連，一個(gè)大分子鏈可以同時(shí)穿過(guò)許多晶區(qū)和非晶區(qū)。非晶態(tài)聚合物：聚合物凝固時(shí)，分子不能規(guī)那么陳列，呈長(zhǎng)程無(wú)序、近程有序形狀。非晶態(tài)聚合物分子鏈的活動(dòng)才干大，彈性和塑性較好。由于其聚集態(tài)構(gòu)造態(tài)是均相的，因此資料各個(gè)方向的性能是一樣的。二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造高分子的聚集態(tài)構(gòu)造是指纖維內(nèi)部大分子的取向與結(jié)晶構(gòu)造，也稱(chēng)為纖維資料的超分子構(gòu)造?！?〕結(jié)晶與結(jié)晶度取向和無(wú)序陳列的纓狀微胞〔fringedmicelle〕構(gòu)造“兩相構(gòu)造〞模型：纖維中存在明顯邊境的晶區(qū)與非晶區(qū)，一些大分子的長(zhǎng)度可以遠(yuǎn)超越晶區(qū)或無(wú)定形區(qū)各自的長(zhǎng)度﹐足夠把假設(shè)干個(gè)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)串連起來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。纓狀：無(wú)序區(qū)中分子陳列的形狀；微胞：分子有序陳列的構(gòu)造塊二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造Hearle教授的纓狀原纖構(gòu)造模型二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造取向和非取向折疊鏈片晶〔fringedlamellarcrystal〕構(gòu)造模型折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個(gè)晶區(qū)內(nèi)﹐也可以穿過(guò)無(wú)定形區(qū)進(jìn)入另一晶區(qū)折疊二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造〔3〕結(jié)晶態(tài)與非晶態(tài)：結(jié)晶態(tài)：非晶態(tài)：纖維大分子有規(guī)律地整齊陳列的形狀；纖維大分子無(wú)規(guī)那么聚集陳列的形狀?！?〕結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)非結(jié)晶區(qū)纖維大分子有規(guī)律地整齊陳列的區(qū)域；纖維大分子無(wú)規(guī)那么聚集陳列的區(qū)域。結(jié)晶區(qū)的特點(diǎn)：非晶區(qū)特點(diǎn)：大分子鏈段陳列規(guī)整；a.大分子鏈段陳列混亂，無(wú)規(guī)律；b.構(gòu)造嚴(yán)密，縫隙，孔洞較少；b.構(gòu)造松散，有較多的縫隙、孔洞；c.相互間結(jié)合力強(qiáng)，相互接近的基團(tuán)c.相互間結(jié)合力小，相互接近的基結(jié)合力飽和。團(tuán)結(jié)合力不飽和?！?〕結(jié)晶度：纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)占整個(gè)纖維的百分率分量結(jié)晶度：纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)的分量占纖維總分量的百分率。體積結(jié)晶度：纖維內(nèi)部結(jié)晶區(qū)的體積占纖維總體積的百分率。二、纖維高分子資料的聚集態(tài)構(gòu)造不同晶系及晶格參數(shù)表七大晶系晶格軸長(zhǎng)及夾角關(guān)系三斜triclinica≠b≠c；α≠β≠γ單斜monoclinica≠b≠c；α=γ=90o≠β正交rthorhombica≠b≠c；α=β=γ=90o四方tetragonala=b≠c；α=β=γ=90o三方trigonala=b=c；α=β=γ≠90o<120o六方hexagonala=b≠c；α=β=90o；γ=120o立方cubica=b=c；α=β=γ=90o從點(diǎn)陣中取出一個(gè)仍能堅(jiān)持點(diǎn)陣特征的最根本單元叫晶胞。將陣點(diǎn)用一系列平行直線(xiàn)銜接起來(lái)，構(gòu)成一空間格架叫晶格。纖維高分子的晶胞構(gòu)造玻璃態(tài)：分子鏈節(jié)或整個(gè)分子鏈無(wú)法產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài)。例如常溫下的塑料。高彈態(tài)：鏈節(jié)可以較自在地旋轉(zhuǎn)，但整個(gè)分子鏈不能挪動(dòng)。例如常溫下的橡膠。高彈態(tài)是高聚物所獨(dú)有的稀有的一種物理形狀，能產(chǎn)生很大形變，除去外力后能可逆恢復(fù)原狀。粘流態(tài)：高聚物分子鏈節(jié)可以自在地旋轉(zhuǎn)，整個(gè)分子鏈也能自在挪動(dòng)，從而成為能流動(dòng)的粘液，比液態(tài)低分子化合物的粘度要大得多，又稱(chēng)為塑性態(tài)。例如膠粘劑或涂料。三．線(xiàn)型非晶態(tài)高聚物的物理形狀線(xiàn)性非晶態(tài)聚合物的物理形狀與溫度的關(guān)系高聚物的各種特征溫度與測(cè)定●常見(jiàn)的高聚物特征溫度玻璃化溫度●定義高聚物分子鏈開(kāi)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)或凍結(jié)的溫度?！癫ＡЩ瘻囟鹊倪\(yùn)用價(jià)值玻璃溫度是非晶態(tài)高聚物作為塑料運(yùn)用的最高溫度；是作為橡膠運(yùn)用的最低溫度。●影響玻璃化溫度的要素

高聚物特征溫度Tg-玻璃化溫度〔glass-transitiontemperature〕Tm-熔點(diǎn)〔meltingpoint〕Tf-黏流溫度〔viscousflowtemperature〕Ts-軟化溫度〔softeningtemperature〕Td-熱分解溫度〔thermaldestructiontemperature〕Tb-脆化溫度〔brittlensstemperature〕玻璃化溫度：由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度，用Tg表示。粘流化溫度：由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度，用Tf表示。塑料與纖維:要求Tg高，Tf低〔較耐熱，加工成型溫度不高〕橡膠：要求Tg低，Tf高〔耐寒又耐熱〕一些非晶態(tài)高聚物的Tg和Tf值：聚氯乙烯 Tg=81℃ Tf=175℃聚苯乙烯 Tg=100℃ Tf=℃聚丁二烯(順丁橡膠) Tg=-108℃ 天然橡膠 Tg=-73℃ Tf=122℃第二節(jié)纖維的構(gòu)造特征與丈量典型天然纖維的構(gòu)造與特征棉纖維麻纖維羊毛蠶絲典型再生纖維素纖維的構(gòu)造特征典型合成纖維的構(gòu)造常規(guī)合成纖維差別化纖維纖維構(gòu)造特征的丈量三、纖維構(gòu)造的測(cè)試方法光學(xué)顯微鏡掃描電子顯微鏡纖維化學(xué)構(gòu)造的丈量質(zhì)譜分析經(jīng)過(guò)對(duì)纖維樣品的氣相離子的質(zhì)量電荷比，對(duì)纖維的組成和鏈構(gòu)造進(jìn)展定量化的表征紅外吸收光譜可對(duì)高聚物或混合物的極性基團(tuán)及其含量的吸收帶強(qiáng)度進(jìn)展識(shí)別和定量分析紫外與可見(jiàn)光譜可測(cè)定在10～400nm紫外吸收光譜范圍及400～800nm可見(jiàn)光范圍具有不飽和鏈及不對(duì)稱(chēng)電子的分子。核磁共振光譜可測(cè)定在外部磁場(chǎng)作用下，分子內(nèi)部發(fā)生化學(xué)位移的核群及吸收帶，以及相鄰核的信息，計(jì)算出各吸收強(qiáng)度與各核群的比例?？捎糜诖蠓肿拥臉?gòu)型及構(gòu)象和分子量的分析。纖維種類(lèi)制樣方法主要吸收譜帶及其特性頻率,cm-1棉麻纖維壓片法3450～3200,1640,1160,1064～980,893,671～667,610毛纖維壓片法3450～3300,1658,1534,1163,1124,926絲纖維壓片法3450～3300,1650,1520,1220,1163～149,1064,993,970,550粘膠纖維壓片法3450～3250,1650,1430～0,1060～970,890醋酯纖維薄膜法1745,6,1237,1075～1042,900,602滌綸熱壓成膜3040,2358,2208,2079,1957,1724,1242,1124,1090,870,725錦綸6甲酸成膜3300,3050,1639,1540,1475,1263,1200,687錦綸66甲酸成膜3300,1635,1535,1467,1237,1190,936,689腈綸壓片法2242,1449,1250,