第二章 纤维的结构概述分析

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▪ 1．定义：构成纤维大分子的单基的数目， 或一个大分子中的单基重复的次数。
▪ 大分子的分子量＝单基的分子量×聚合度
▪ 2． 常用纤维的n： ▪ 棉、麻的聚合度很高 ，成千→上万； ▪ 羊毛 576； 蚕丝 400； ▪ 粘胶： 300-600； ▪ 一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具
有一定的分布→高聚物大分子的多分散性。
－(A)n－A〞
•
其中： A′、A〞——端基；n——
聚合度。
• 2．常用纺织纤维单基的化学组成：见下图
• 单基的化学结构、官能团的种类决定了纤 维的耐酸、耐碱、耐光、吸湿、染色性等， 单基中极性官能团的数量、极性强弱对纤 维的性质影响很大。 例：大分子亲水基团的多少和强弱—→ 吸湿性 ；分子极性的强弱—→电学性质
1) 碳链大分子：
纤维的大分子主链都是靠相同的碳原子以共 价键形式相联结的。
例：乙纶、丙纶、腈纶—— 可塑性比较好，容易成型加工，原料比较
简单，成本便宜。 但一般均不耐热，易
燃甚)杂链大分子：
❖ 大分子主链除碳原子以外，还有其它原子 如氮、氧等，它们都以共价键相联结，即 主链是由两种以上的原子所构成的。
• 柔顺性好的纤维，受外力易变形，伸长大，弹性
较好，结构不易堆砌的十分密集，但在外力作用 下，易被拉伸，易形成结晶。
• 单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的根源。对
于高聚物而言，其中的大分子链的内旋转除了受 分子内原子或基团相互影响外分子间作用力也有 很大影响。
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纤维种类的不同，构成纤维的大分子主链的 原子也有多种类型。从现有的主要纤维来看， 大致有三种类型 ：
第二章 纤维结构概述
第一节 纤维结构的概念 纺织材料的种类很多，性能各异，其根本 原因在于纤维内部结构的不同，性能是结 构的表现。 1.研究纤维结构的目的 2.纤维结构
下一节
• 了解结构与性能关系，以便我们正确选择 和使用纤维，更好地掌握生产条件，并提 通过各种途径改变纤维结构，有效地改变 性能，设计并生产具有指定性能的纤维和 纺织产品。
•
1> 主链上原子链弹性好，柔曲性↑；
•
2> 侧链较少，柔曲性↑；
•
3> 主链四周侧基分布对称，柔曲性↑；
•
4> 侧基间（大分子间）作用力较少，
柔曲性↑;
• 5> 温度↑，内旋转加剧，大分子链柔
曲性↑ ;
• 大分子柔曲性是判断高聚物弹性的主要条件之一，
长链分子由于热运动而变成弯曲形状使高度柔曲 性，这就是高聚物产生弹性原因。
❖ 四种结合力的能量大小：真正化学键＞盐式 键＞氢键＞范德华力
❖ 四种结合力的作用距离：真正化学键＜盐式 键＜氢键＜范德华力
❖ 产生原因
名称
定
向
力
范 德 华 力
诱 导 力
色
散
力
氢键
盐式键 化学键
产生原因
产生于极性分子间，是由它们的永久 偶极矩作用而产生的
由相邻分子间的诱导电动势产生的， 产生于极性分子与非极性分子之间
▪ 3．聚合度与力学性质的关系：
▪
n→临界值，纤维开始具有强力；n↑，纤维强力↑
（∵n↑,大分子间的结合键↑结合能量变大）；但增加的速
率减小；n至一定程度，强力趋于不变。
▪ n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿强度也低些，脆 性明显些。
▪ n的分布：希望n的分布集中些，分散度小些，这对纤 维的强度，耐磨性、耐疲劳性、弹性都有好处。
▪ 内旋性—— 纤维大分子内的单基之间在键 长键角保持不变条件下，相邻单基可绕单 键旋转的特性。
▪ 构象—— 分子链由于围绕单键内旋转而产 生的原子在空间的不同排列形式。
• 2. 柔曲性
• （1） 定义：指纤维大分子在一定条件下，
通过内旋转或振动而形成各种形状的难易 程度的特性。
• （2） 纤维大分子结构与柔曲性的关系：
由相邻原子上的电子云旋转引起瞬时 的偶极矩而产生的。产生一切非极性 分子中。
大分子侧基（或部分主链上）极性基 团之间的静电吸引力（如－NH2，－ COOH，－OH，－CONH等） 在部分大分子侧基上，某些成对基团 之间接近时，产生能级跃迁的原子转 移，从而基团间形成相互结合的化学 键。
少数纤维的大分子之间存在着桥式侧 基。
▪
制造化纤时，要控制n的大小。
▪
n太小——强度不好；n太大——纺丝困难。
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▪ 1.大分子链的内旋性及其构象
▪ 先以低分子链的内旋性说起：以碳链分子为 例。如果分子内C-C之间是以单基相接，该单键 是由σ电子组成的σ键，其电子云分布是轴向对称 的。故C－C单键可以以键向为轴进行内旋转运动。 把三个相连的的C－C键，置于直角坐标中。键角 为θ，当保持键角不变时，若l1键位于Z方向上， 并以自身为轴旋转，则l2键就会在与C2相连的圆 锥面移动。同时若b2键也以自身为轴旋转，则l2 键在与C3相连的圆锥面上移动。
第三节 纺织纤维的超分子结构（聚集态结构）
❖ 一、大分子间作用力（次价键力） ❖ 纤维大分子间的作用力与大分子链间的相
对位置，链的形状、大分子排列的密度及链 的柔曲性等有关。这种作用力使纤维中的大 分子形成一种较稳定的相对位置，或较牢固 的结合，使纤维具有一定的物理机械性质。
❖ 次价键力：范德华力、氢键、盐式键、化学 键；
❖ 例：粘胶、蚕丝、涤纶、锦纶—— 强度较 大，服用性能较好。
❖ 3)梯形和双螺旋形大分子：
❖ 此类纤维的主链不是一条单链，而是像一个 “梯子”和“双股螺旋”的结构。例：碳纤 维，石墨纤维有较高的强力、耐高温因为主 链是双链形式。
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❖ 1.定义：指大分子由化学键所固定的空间排 列形态。
❖ 这种几何形态是稳定的，只有化学键断裂， 构型才能改变，即使是单基的化学组成相同， 但由于结构单元的空间异构，大分子可以有 不同的构型，从而影响到大分子的排列形态， 最终影响到纤维性质。
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• 纤维结构：是指组成纤维的纤维结构单元 相互作用达到平衡时在空间的几何排列。
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第二节 纺织纤维的大分子结构
一、单基（链节） 二、聚合度 n 三、纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性 四、链原子的类型与排列 五、大分子构型
• 1．定义：构成纤维大分子的基本化学结 构单元。
•
A′－A－A……A－A－A〞 或 A′