纺织材料学_纤维的细度..

• 2．直径测量法
•
直接指标直径的测量是发展较快的，主要为国 外的工作。基本方式还是传统的显微观测，只是 容入了试样自动移动、光电信号转换、图像处理 和计算机技术。
• （1）传统的显微镜观测法 • 此方法又称为显微镜投影测量法，多用于圆形
或近圆形纤维直径的测量，源于近圆形羊毛纤维 的测量。其原理是通过普通光学显微镜加投影棱 镜，使纤维形态放大投影在平面上。
• 三、纤维细度及分布的测量方法
• 1．称重与长度的测量
•
称重与长度结合的测量，简称称重法，主要解 决纤维的线密度指标测量。有纤维中段切断的称 重和长丝摇取定长的称重。 • 中段切断称重法是将纤维理成平行伸直，无 游离纤维A和长度短于切断长度LC的纤维B（图317）。然后将纤维切断称重G，并点数中段纤维根 数n。
• • （2）对化学纤维 • 化纤短纤维与天然纤维一样，甚至更糟，很少
表达细度不匀。因为一方面其被认为细度均匀性 比天然纤维好（一般CVd <10%）；另一方面已有 的表征方法大多由天然纤维引出，化纤成为附带。 但这种情况将随着人们对纤维细度不匀表征技术 的发展，会得到改善。 •
• 化纤长丝的粗细不匀是工业加工中的主控 参数，因为其关系到纺丝的连续性及可控 性（或称可纺性）和后处理加工的容易性， 以及成丝质量。一般CV控制在5%以内，故 有专门的测量，如UsterIII型。但大多为 长丝束和成品测量。
第二章 纺织纤维的形态及基本性质
本章知识点
1.纤维的细度、长度、长度分布、卷曲及拉伸强度指标 的定义 2.异形截面纤维的特征与指标。 3.纤维细度、长度指标与可纺性及纺织品性能的关系。 4.纤维的回潮率、公定回潮率以及吸湿机理，吸湿性对 性能的影响。
第一节 纤维的细度及其分布
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纤维细度是指纤维粗细的程度。
图3-18 OFDA100测量仪
• （3）激光纤维直径测量法 •
20世纪70年代，澳大利亚联邦科学工业研究 组织（CSIRO）羊毛技术研究所应用激光技术对羊 毛纤维直径进行了实用性、仪器化的测量，推出 了纤维细度分析仪。目前商品化的是SirolanLaserscan激光扫描纤维直径分析仪，为澳大利亚 羊毛检验局（AWTA）羊毛直径分析仪的专用仪器。 可用于纤维直径、变异系数、卷曲率、粗纤维含 量，以及直径分布图的测量。
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纤维的细度不匀主要包括二层含义，一是纤维 之间的粗细不匀，一是纤维本身沿长度方向上的 粗细不匀。
• 以往的表达，较多地关注纤维间的不匀，甚至更严格地说是纤维集合 体之间的不匀，因为习惯采用的指标是平均概念的“细度”。纤维如 此细小，几乎无人去一段段地切开、称重，完成细度的测量。
• 现代光电和图像分析测量方法提供了对单 根纤维间细度（直径）不匀的测量，如光 学纤维直径分析仪(OFDA)和激光纤维直径 分析仪(SiroLan- LaserScan)。甚至可以 测量单根纤维内的直径不匀，即纤维的轮 廓，如单纤维分析仪（SIFAN）。远非过去 切断称重、气流仪等的测量，只能给出纤 维平均细度，无法给出纤维的细度不匀。
• 基本原理如图3-13，是分散的纤维段在液体的带 动下，经过一毛细管时平行管轴移动，利用纤维 段对激光的遮挡量给出纤维的直径。可在2min内 测量“有效纤维”根数4000根以上，给出直径分 布图。尽管测量中由纤维交叠、或垂直影响测量 准确性，但通过剔除，即只测“有效纤维”来回 避，以大样本概率达到精准，故在羊毛中为IWTO 采纳的标准测量方法。由于使用异丙醇分散液， 对化纤测量可能存在溶解或溶胀，一般专用于毛 发类纤维。
Q
P0
(μ )
R
P Q
M, SS, K
L
Q
P１
图3-20 气流仪测量纤维细度原理示意图
• 流仪测量可采用定压差测流量（定压法）或定流 量测压差（定流法）来表达纤维集合体中纤维的 平均细度值，但不能表达单根纤维的粗细。常用 的方法是定压法，典型的代表Wira的纤维密度仪 和Micronaire仪，已有60年的历史，但仍为标准 方法，用于企业的棉、毛纤维细度的快速评价。 由其测定的原棉细度为马克隆尼值M，接近线密度 值（），这是HVI系统测细度和成熟度的原模型。 而气流仪法在纤维原料流通领域中已逐渐被HVI、 OFDA和LaserScan所取代。
• 1．细度不匀的概念
• （1）对天然纤维 • 天然纤维在生长过程中，因为自然环境和各方
面因素的影响，生长的纤维在粗细、形态上存在 很大的差异。同一棉包的棉纤维，因胞壁厚度、 生长部位的不同而粗细不同；同一根棉纤维还两 端细、中段粗并截面形态变化。 • 同一毛包的毛纤维，不仅纤维间因在羊体上 的生长部位不同而粗细不同（变异系数达 20~35%），而且单纤维因生长季节和营养的影响 也会有明显的粗细差异（粗细差异可达3~10）， 并且有截面形态的变化。 •
纤维 分散 容器 分光 激光 装置
纤维样品 异丙醇 测量 单元 测量 传感器 分束 器 信号 处理 电路 计算机
微孔 参考 传感器
二级过 滤器
过滤器 透镜
泵
纤维 光电识别器
图3-19 激光扫描纤维直径测量原理图
• 气流仪很早就用于棉纤维细度的测量，是一种快 速、简便、精确的测量方法。基本原理如图3-20 所示，是依据气流通过纤维塞时，两端的压力差， 或气流的流量Q与纤维塞的气阻R有关 。而气阻R 又与纤维塞的填充率δ和所填充纤维的粗细d有关， 即与纤维间的气流通道大小（纤维塞的空隙率ε） 和通道表面积S0有关。
•
Nm
通过光学显微镜或电子显微镜观测直径d和截面积A，常用 于羊毛及其他动物毛，圆形化学纤维的细度表达。由于纤 维很细，以微米为单位，近似圆形的计算为纤维直径d可 用于长丝线密度的计算。设纤维的密度为（g/cm3），则
A d 4
2
•
4 103 N D ND d 11.89 9 γ γ
• OFDA测量的基本原理与光学显微镜测量测 量一样，只是试样可自动分离散落、试样 台可自动x，y方向顺序移动和快速复位， 计算机配备专门软件、快速识别、分离和 测量纤维直径和卷曲，给出纤维直径分布 图及各指标。不仅快速（１min）、大样本 （>2000根）、准确、干扰因素少，而且适 合于几乎所有的纤维。是目前羊毛直径检 测中IWTO的标准方法。
• 1．分特数Ndt (dtex)
•
我国法定的线密度单位为特克斯（tex），简称 特，表示千米长的纤维或纱线在公定回潮率时的 质量克数。而为规范应用于纤维，采用更细的分 特（dtex）表达，即万米长的纤维所具有的质量 克数，为1/10特。特的计算为：
•
1000Gk Nt L
10000Gk Ndt L
• 2）OFDA法 • 1991年前，瑞士Peyer公司和澳大利亚新
南威尔士大学共同开发的“光学纤维直径 分析仪OFDA（Optical Fiber Diameter Analyser）”是当今此类产品的元祖。现 有OFDA 100型仪器，功能和性能都有提高。
• OFDA不仅可以测定羊毛及其它动物纤维的平均直 径及直径分布，还可测定髓腔纤维含量、纤维弯 曲度、纤维清洁度及纤维直径不匀等指标（图318）。 • 除了OFDA 100型仪器外，OFDA 2000和OFDA 4000型仪器也开始使用。 •
10G 1 Wk N dt nLC 1 Wa
•
•
• 式中，Wk和Wa分别为纤维的公定和实际回潮率。 通常在标准条件下测量，所以 10G • N
dt
nLC
• • 式中，g为所称重量，mg。
104 nLC Nm Ndt g
• 中段切断称重法一般适用于伸直性较好的纤维， 如棉、麻、丝、卷曲小的化纤等。其本身起源于 棉纤维的细度评定。由于棉纤维短绒（≤16mm或 ≤20mm）被梳去，且棉的中段偏粗，故实测细度 偏粗。测量重点是数纤维根数，纤维根数必须n >1500根，即1.5~2mg的试样，n小了，试样代表性 差， n大了点数的出错和花时要增加。尽管如此， 该方法却是其他间接指标测量方法的校验基础。
• •

4 106

1 11.28 Nm γ Nm γ
4 102 N dt ND 11.28 γ γ
• 可以看出纤维细度值相同时，其的直径可能不同， 即有纤维密度的影响。其间换算为
• • •
d1 d2
γ2 γ1
式中，下标1，2表示两种不同的纤维。
• 二、纤维细度不匀指标
• 蚕丝本身粗细差异在总长度上较为明显， 茧外层和内层的丝较细，中间主茧层的丝 相比较粗，由于缫丝的合并，均匀性较好。 • 麻纤维的粗细差异更大，不仅单纤维 的粗细差异大（变异系数达30~40%），而 且工艺纤维因分离的随机性粗细差异更大。
• 应该说对纤维粗细不匀的表征，只有毛做 得较好。可能是因为其直径和直径不匀太 为重要。棉、麻、丝都未有很好的测量分 析。
• 一、纤维的细度表征
•
纤维的细度指标有直接和间接两种。
• 直接指标是纤维粗细的指标，一般用纤维的直径 和截面积表示，适于圆形纤维。 • 间接指标是以纤维质量或长度确定，即所具有的 质量（定长制）或长度（定重制）表示，无截面 形态限制。定长制有纤度或称旦数(Den)和线密度 或称特数(tex)、分特数(dtex)；定重制有公制支 数。
• （2）纤维间细度不匀的分布 • 可以参照纤维长度分布的原理，表达纤
维的细度（直径）不匀，其典型分布曲线 为图3-16。纤维的平均直径，变异系数CVd 均可求得。
N(d)
n(d)
连续曲线
分组测量 直方图
O
图3-16 纤维直径分布直方图及分布曲线
d
• 纤维粗细的不匀会引起纱条不匀。粗纤维易产生 刺痒感；细纤维易弯曲缠绕和折钩影响纺纱加工。 而纤维内的直径偏细，则可能引起纤维的弱节。 所以分布测量就是关注偏粗、偏细纤维的含量， 尤其是细节纤维的含量。
• 2．细度不匀指标及分布
• （1）不匀率指标 • 根据细度的定义，细度不匀的指标合理的只能
是几何粗细的表达。线密度类指标（间接指标） 只能反映纤维集合体的细度总体差异，如气流仪 法、切断称重或摇取长度称重法，是纤维团间或 纤维段间的不匀。因此，直径不匀是纤维细度不 匀的最主要和有效的指标。其包括直径均方差及 变异系数CV，以及平均差及平均差系数，这在纱 线中使用。
• 由专用的标尺卡量纤维的直径，并计数根 数ni，满300根以上后，计算直径均方差不 匀率CVd。 • 而CCD摄像器和计算机相联的显微镜可 以方便地在电脑屏幕上进行人工测量和计 算机自动测量与计算，得到纤维直径的各 类指标，如、CVd、D、d等，以及直径分 布图。只是速度较慢，人工干预较多。光 学显微镜法尽管操作繁杂，改进后有所改 观，但其基本原理和方法是其他直接指标 测量的基础，并成为其他方法或计算机图 像处理结果的校准方法。
• 2．旦数ND
• • •
旦数即旦尼尔数（Denier），较多地用于丝和 化纤长丝中，又称纤度。是指9000m长的纤维在公 定回潮率时的质量克数，即
9000Gk 9 ND Ndt L 10
• 3．公制支数Nm
• 公制支数简称支数，是指在公定回潮率时1g纤维 或纱线所具有的长度米(m)数，即 • L 10000
B A
LC
LC
图3-17 中段切断称重法示意图
• LC的大小由纤维的平均长度粗略确定，一般棉LC=10或 20mm，毛麻一般LC为20或30mm，有专用的切刀，见图3-17 右图。LC太短测量精度会受影响；LC太长，纤维长度有限 制，且纤维在切刀中的伸直和平行难度增大。 • 由此计算纤维的线密度值
• 4．振动测量法
• 振动法测纤维细度也有历史了。主要适用于圆形， 长度较长（>30mm）的化学纤维。由于测量时必须 加张力，故能适合于高卷曲纤维细度的测量。其 原理如图3-21，就是一个琴弦结构。通过拨动被 测纤维这根弦，使其产生振动，其固有振动频率 与弦（纤维）的线密度nt以及弦长L和弦的绷紧张 力T符合一定关系。 • 由此，纤维的线密度可测得。如果与拉伸性能同 测，将能获得该纤维的确切应力值。但该法是假 设纤维为均匀粗细的圆形纤维，故纤维形态和粗 细变化将会影响测量结果。