03-第2章 纤维的结构特征
第2章 纤维结构特征
1） 主链上原子键旋转性好 ，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）作用力较小，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，
• 柔曲性好的纤维，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。
正皮质细胞：胱氨酸含量少，结构松散，吸湿性 强，化学试剂易侵入，强度弱。
偏皮质细胞：胱氨酸含量多，结构紧密，吸湿 低，化学试剂不易侵入，
髓质层：
由结构松散和充满空气的胞壁细胞组成。 它的存在影响纤维强力、弹性和卷曲，细 羊毛中几乎没有髓质层。
三、合成纤维结构特征
1、涤纶 大分子结构 单体：对苯二甲酸乙二酯
3、微原纤：若干基原纤平行排列结合在一起形成较粗的 基本结晶态的大分子束。
4、原纤：若干微原纤基本平行排列结合在一起形成更粗 的 大分子束。存在一定的缝隙孔洞。
5、巨原纤：原纤基本平行堆砌的更粗大的大分子束。存 在更大的缝隙、孔洞。
6、纤维：由巨原纤堆砌而成。
良好的纤维大分子应具备的条件
大分子主链有一定的长度，能够在分子 链间产生足够多的侧吸引力，侧向直链 短，侧基不过大，使分子链段能平行排 列。
聚合度与纤维的力学性质关系： n↑，纤维强力↑（但增加的速率减小；n至一定程度，
强力趋于不变。）
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。
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。
纤维大分子的构型
定义：由于化学键而引起的原子在空间的排列 形式称大分子的构型。
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
第二章纤维的结构特征
• (2) 锦纶纤维 (PA) • 锦纶或聚酰胺纤维或尼龙主要特征是大分 子链由酰胺键(－CONH－)连接，主要品种 锦纶6和锦纶66，化学结构式如下： • 锦纶66
H N
H
H (CH2)6 N
O (CH2)5 C
n
O C (CH2)4
O C
n
• 锦纶6
N
• (3) 腈纶纤维 (PAN) • (4) 丙纶纤维(PP) (5) 维纶纤维 (PVA) (6) 氯纶纤维(PVC) P57-59
第二章 纤维的结构特征
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。
研究纤维结构的目的: • 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。
• (3) 羊毛的鳞片 • 鳞片为角质化细胞，在成形后失去了细胞 核和原生质，形成为死细胞组织的角质薄 片。
• (4) 羊毛的皮质细胞 • 由于正、副皮质的结构差异，导致一刚一 柔，一伸一缩，使羊毛的整体外观形态呈 弯曲状。正皮质位于弯曲的外侧；副皮质 位于弯曲的内侧。
正皮质
副皮质
• （5）细胞间质 (CMC)
结晶度(%) 30～35 45～50
聚合度 250～300 500左右
强力粘胶
Modal Tencel® 浆粕
50～55
42～46 48～52 55～65
300～350
350～450 500～550 >600
• 2. Lyocell纤维 • Lyocell纤维是可回收溶剂法制备的再生纤维素 纤维。
大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、 聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性 等 聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、 取向度等 形态结构：纵横向几何形态、径向结构、表面结 构、孔洞结构等
第二章纤维的结构特征
第二章纤维的结构特征纤维是一种由有机或无机物所组成的细长物质，具有高强度、高模量和高延伸性等特点，广泛应用于纺织、建筑、医疗和航空等领域。
纤维的结构特征对其力学性能、吸湿性能和耐久性能等方面都有重要影响。
本章将介绍纤维的结构特征，包括纤维的形态结构、化学结构和晶体结构等方面。
1.纤维的形态结构纤维的形态结构主要包括纤维的形状、尺寸和表面特征等方面。
纤维的形状可以分为长纤维和短纤维两种。
长纤维一般指长度大于10mm的纤维，如天然纤维中的棉纤维和麻纤维等；短纤维一般指长度小于10mm的纤维，如化学纤维中的涤纶和尼龙等。
纤维的尺寸一般通过直径和长度来描述，直径一般在0.001-0.06mm之间，长度则根据纤维的用途而有所不同。
纤维的表面特征可以分为光滑、粗糙和多孔等类型，不同的表面特征对纤维的力学性能和吸湿性能有重要影响。
2.纤维的化学结构纤维的化学结构主要由纤维素、蛋白质、聚合物和无机物等组成。
纤维素是主要存在于植物纤维中的一种天然高分子化合物，由葡萄糖分子通过β-1,4-吡喃糖苷键结合而成，具有良好的机械强度和吸湿性能。
蛋白质是主要存在于动物纤维中的一种生物大分子化合物，由氨基酸通过肽键结合而成，具有较好的延展性和柔软性。
聚合物是由合成纤维中的单体分子通过化学反应而形成的聚合体，如涤纶和尼龙等。
无机物是指存在于纤维中的无机成分，如金属离子和无机盐等，对纤维的颜色和耐久性有重要影响。
3.纤维的晶体结构纤维的晶体结构主要由无序区和有序区两部分组成。
无序区指纤维结构中没有明显规则排列的部分，包括无规则卷曲和断裂等；有序区指纤维结构中存在明显规则排列的部分，包括晶核、晶体和晶须等。
纤维的晶体结构对其力学性能、吸湿性能和耐久性能等方面都有影响。
晶体结构的形成和稳定性主要受到纤维的化学组成、加工方式和纤维之间的相互作用等因素的影响。
总之，纤维的结构特征对其功能性能和应用性能具有重要影响。
了解纤维的形态结构、化学结构和晶体结构等方面，可以为纤维的设计和应用提供科学依据，有助于提高纤维的性能和功能。
《纺织物理讲义》word版
第一章纤维的结构概述1．纤维结构：纤维的固有特征和本质属性，决定纤维性质；涵盖微观到分子组成，宏观到纤维形貌；结构多样性与结构层次有多种划分。
2．结构层次的模糊，纤维的微细结构（fine structure）：可以追溯到19世纪。
但卓有成效的研究和结构理论的提出与验证是在20世纪的上半叶，近五十年又在许多纤维结构理论和分析方法上有新的突破。
3．纤维微细结构的研究，通常采用的研究方法有：※光学显微术（optical microscopy）和电子显微术（electron microscopy）：扫描电子显微镜SEM 和透射电子显微镜TEM※X 射线和电子衍射法（X－ray ＆Electron diffraction）※红外（infra-red）、紫外（ultraviolet）、荧光（fluorescence）和喇曼光谱法（Raman spectrum）※核磁共振法（nuclear magnetic resonance）※表面分析法（surface analysis）※原子力显微镜AFM（atomic force microscope）或扫描隧道显微镜STM（scanning tunneling microscope）等方法※热分析法（thermal analysis）※动态和断裂力学法※质谱分析法（mass spectrometry）4.纤维结构的研究和发展、问题、未知性和不确定：※基本形式：对纤维微细结构作文字或简单模型图来描述。
※基本原因：结构的复杂和多样性、表征方法的局限性、人们的认识。
第一节纤维结构理论一、缨状微胞理论1．历史Nägeli理论；Meyer和Mark的微胞学；Spearkman模型。
30年代的争论：※纤维素及其他聚合物分子的长度的问题。
※关于纤维究竟是由分离的晶体所组成，还是由连续的均匀的分子所组成的问题。
Meyer认为分子是相当短的，其聚合度约为200。
而Staudinger则认为，在天然纤维素中，聚合度在2000以上。
纺织材料学第2章纤维结构特征
呈平面锯齿形。纤维弹性好。
超分子结构：
? 分子间有范德华力、氢键力； ? 结晶度比涤纶略低 。
3、腈纶
大分子结构：
单体：
第一单体：丙烯腈（超过85%），纯丙烯腈纤维脆
第二单体：丙烯酸甲酯、甲醛丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯 等，改善弹性和手感。
S
：与S
3
结构相似。含有非纤维物质。
1
中腔：棉纤维生长停止后遗留下的内部空隙。有少数原
生质和细胞核残余物质。
二、蛋白质纤维结构特征
1、大分子结构 图 基本链节 ：α-氨基酸剩基
R侧基—羊毛：多、复杂，约25种氨基酸； 蚕丝：少、简单，约18种氨基酸。
大分子链空间构型 ： 羊毛：α螺旋卷曲型长链分子
如羊毛纤维大分子间的—S—S—。
? 四种结合力的能量大小： 共价键＞盐式键＞氢键＞范德华力
209.3~837.36J/mol 126~209.3J/mol 5.4 ～ 42.3J/mol 2.1～23j/mol；
? 四种结合力的作用距离： 共价键＜盐式键＜氢键＜范德华力
分子间力的大小取决于： 1.单基化学组成 2.聚合度 3.分子间距离
非晶区：纤维大分子无规律地紊乱排列的区域。 非晶区特点：
a.大分子链段排列混乱，无规律； b.结构松散，有较多的缝隙、孔洞； c.相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。
结晶度—结晶部分占整根纤维的百分比。
重量结晶度：纤维内结晶区的重量占纤维总重量的百分率。 体积结晶度：纤维内结晶区的体积占纤维总体积的百分率。
? 正、偏皮质细胞分布形式有“ 双边结构”和 “皮芯结构”。
? 双边结构：细羊毛的正副皮质细胞（结构与 性能不同）分布于纤维的两侧，并在长度方 向上不断转换位置，正皮质一般在纤维卷曲 处的外侧，而副皮质处于卷曲的内侧，使羊 毛具有天然卷曲。 图
纤维的结构特征
第二章纤维的结构特征固态物质的结构有简单、有复杂，如均匀简单结构的玻璃、金属、塑料等，多为人工作为的结果；而天然纤维、生物体乃至人工作为的化学纤维、微米或纳米结构的微机械系统（MEMS 、NEMS）结构极为复杂。
其中纤维的结构是相当复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆砌和混杂所组成的，并决定纤维的性质。
本章介绍纤维的基本结构及典型纤维的结构特征。
第一节纤维的基本结构和构成尽管纤维结构复杂，但人们对其认识一般分为三个方面，最为直观的纤维形态结构，较为间接的纤维聚集态结构和更为微观的纤维分子结构。
分别涉及形态学、物理学和化学。
特别是现有的形态观察已逼近微观的分子尺度，即化学家们讨论的对象。
一、纤维的形态结构1、基本内容纤维的形态结构，是指纤维在光学显微镜或电子显微镜乃至原子力显微镜（AFM ）下能被直接观察到的结构。
诸如纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在纤维中的各种裂隙和孔洞。
一般将形态结构按尺度和部位分为表观形态、表面结构和微细结构三类。
表观形态，主要讨论纤维的外观的宏伟形状和尺寸，包括纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等。
表面结构，主要涉及纤维表面的形态及表层的构造，是微观形态和尺度的问题，微细结构，是指纤维内部的有序区（结晶或趋向排列区）和无序区（无定形或非结晶区）的形态、尺寸和相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。
由于显微观察术的发展，微细结构的尺度已覆盖了纤维晶区的的一般尺寸（20~200nm ），并可达到1nm 尺度，甚至0.1nm（A 0级）。
因此，聚集态结构和分子结构的内容，已可或将可在以观察学为基础的纤维微细结构中讨论。
纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状物质，统称为原纤（fibril），故纤维微细结构的主题内容是纤维的原纤结构与排列。
2、纤维的原纤结构（1）原纤的结构特征纤维中的原纤是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。
第二章 纤维的结构特征
高聚物的基本性质取决于大分子结构， 而实际高聚物材料或制品的使用性能则 直接取决于在加工过程中形成的超分子 结构（聚集态结构）。
聚集态结构具体所指纤维高聚物的结晶 与非晶结构、取向与非取向结构。
1、结晶 Crystallinity
（1）结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。 （2）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。 （3）结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率。 （4）非晶态：纤维大分子无规律地乱排列的状态。
0.2～2千卡/克分 子 与温度无关
能量1.3～10.2千卡/克 分子距离2.3～3.2A 与 温度有关 是化学键中作用力较弱 的一种，能量30～50千 卡/克分子 能量50～200千卡/克分 子
氢键
盐式键
化学键
四种结键＞氢键＞范得华力
四种结合力的作用距离：
化学键＜盐式键＜氢键＜范得华力
纤维结构示意框图
一、纤维的大分子结构
纺织纤维除了无机纤维（玻纤、石棉 纤维、金属纤维）等外，绝大多数都 是高分子化合物（即高聚物）,分子量 很大。
1、单基（链节） m
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′－(A)n－A〞 A ——单基； A′、A〞——端基； n ——聚合度；
纤维结构定义
是指组成纤维的结构单元相互 作用达到平衡时在空间的几何 排列。
纤维结构
大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、 聚合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性 等 聚集态结构：晶态、非晶态、结晶度、晶粒大小、 取向度、侧序分布等 形态结构：纵横向几何形态、径向结构、表面结 构、孔洞结构等
2-第二章 纤维的结构特征r1
no
聚合度 n
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。
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。
3、纤维大分子链的支化、构型 纤维大分子的形状由于单基的键接方式 的不同，可以分为三种构造形式：
线型linear 枝型branched 网型network(crosslinked)
是化学键中作用力较弱 的一种，能量30～50千 卡/克分子 能量50～200千卡/克分 子
盐式键
化学键
四种结合力的能量大小：
–化学键＞盐式键＞氢键＞范德华力
四种结合力的作用距离：
–化学键＜盐式键＜氢键＜范德华力
1. 纤维的结晶结构 纤维大分子以三维有序方式排列，形成有较大 内聚能和密度并有明显转变温度的稳定点阵结构， 称为结晶结构,相应的区域称为晶区。 。 2. 纤维的非晶结构 纤维大分子呈不规则聚集排列的结构，称为非 晶结构，相应的区域称为非晶区。
大分子 基原纤 微原纤
图2-1 微原纤的堆砌形式示意图
（3）原纤 由若干基原纤或含若干根微原纤大致平行组 合在一起的更为粗大的大分子束，直径10-30nm。 （4）巨原纤 由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体，直 径100-600nm。 （5）细胞 由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明 显的细胞边界。
第二节 纤维的结构特征与测量
一、纺织纤维结构的一般特征
从形态上看：要求具有一定的长度和细度；较 高的长径比；具备形成一维材料的基本条件； 从聚集态结构看：要求具有一定的结晶和取向， 但又必须有一定的无定形区； 从大分子组成和结构上看：要求分子量较高、 且分子量分布应比较窄，支链较短，侧基要小。
（完整版）纺织材料学（于伟东-纺织出版社）课后答案
（完整版）纺织材料学（于伟东-纺织出版社）课后答案第⼀章纤维的分类及发展2、棉，⿇，丝，⽑纤维的主要特性是什么？试述理由及应该进⾏的评价。
棉纤维的主要特性：细长柔软，吸湿性好（多层状带中腔结构，有天然扭转），耐强碱，耐有机溶剂，耐漂⽩剂以及隔热耐热（带有果胶和蜡质，分布于表⽪初⽣层）；弹性和弹性恢复性较差，不耐强⽆机酸，易发霉，易燃。
⿇纤维的主要特性：⿇纤维⽐棉纤维粗硬，吸湿性好，强度⾼，变形能⼒好，纤维以挺爽为特征，⿇的细度和均匀性是其特性的主要指标。
（结构成分和棉相似单细胞物质。
）丝纤维的特性：具有⾼强伸度，纤维细⽽柔软，平滑有弹性，吸湿性好，织物有光泽，有独特“丝鸣”感，不耐酸碱（主要成分为蛋⽩质）⽑纤维的特性：⾼弹性（有天然卷曲），吸湿性好，易染⾊，不易沾污，耐酸不耐碱（⾓蛋⽩分⼦侧基多样性），有毡化性（表⾯鳞⽚排列的⽅向性和纤维有⾼弹性）。
3、试述再⽣纤维与天然纤维和与合成纤维的区别，其在结构和性能上有何异同？在命名上如何区分？答：⼀、命名再⽣纤维：“原料名称+浆+纤维”或“原料名称+黏胶”。
天然纤维：直接根据纤维来源命名，丝纤维是根据“植物名+蚕丝”构成。
合成纤维：以化学组成为主，并形成学名及缩写代码，商⽤名为辅，形成商品名或俗称名。
⼆、区别再⽣纤维：已天然⾼聚物为原材料制成浆液，其化学组成基本不变并⾼纯净化后的纤维。
天然纤维：天然纤维是取⾃植物、动物、矿物中的纤维。
其中植物纤维主要组成物质为纤维素，并含有少量⽊质素、半纤维素等。
动物纤维主要组成物质为蛋⽩质，但蛋⽩质的化学组成由较⼤差异。
矿物纤维有SiO2 、Al2O3、Fe2O3、MgO。
合成纤维：以⽯油、煤、天然⽓及⼀些农副产品为原料制成单体，经化学合成为⾼聚物，纺制的纤维7、试述⾼性能纤维与功能纤维的区别依据及给出理由。
⾼性能纤维（HPF）主要指⾼强、⾼模、耐⾼温和耐化学作⽤纤维，是⾼承载能⼒和⾼耐久性的功能纤维。
功能纤维是满⾜某种特殊要求和⽤途的纤维，即纤维具有某特定的物理和化学性质。
纤维的结构特征范文
纤维的结构特征范文1.形态特征：纤维的形态特征主要包括其长度、直径和形状。
不同类型的纤维具有不同的形态特征。
比如，天然纤维（如棉纤维）一般具有较大的长度（通常在几毫米到几十毫米之间），较小的直径（通常在10到20微米之间），且呈长圆形或扁圆形。
而合成纤维（如聚酯纤维）一般具有较短的长度（通常在几十微米到几毫米之间），较大的直径（通常在20到50微米之间），且呈圆形或扁圆形。
2.化学成分：纤维的化学成分主要包括纤维素、蛋白质、胶原蛋白、聚合物等。
不同类型的纤维具有不同的化学成分。
比如，天然纤维（如棉纤维）主要由纤维素组成，同时还含有少量的蛋白质和胶质物质。
人造纤维（如聚酯纤维）主要由聚酯聚合物组成，同时还含有少量的添加剂和助剂。
合成纤维（如锦纶纤维）主要由聚合物组成，其中主要聚合物是聚酰胺。
3.分子结构：纤维的分子结构主要决定了纤维的物理性能和化学性质。
不同类型的纤维具有不同的分子结构。
比如，天然纤维的分子结构通常是由纤维素和其他有机物质组成的纤维束，其纤维素分子之间通过氢键相互连接。
人造纤维（如聚酯纤维）和合成纤维（如锦纶纤维）的分子结构是由聚合物链组成的，其聚合物链之间通过共价键相互连接。
4.纤维的物理性质：纤维的物理性质主要包括强度、伸长率和弹性等。
不同类型的纤维具有不同的物理性质。
比如，天然纤维（如棉纤维）具有较高的强度、较低的伸长率和较好的弹性。
人造纤维（如纤维素纤维）和合成纤维（如锦纶纤维）具有较高的强度、较高的伸长率和较好的弹性。
总之，纤维的结构特征是指其形态特征、化学成分、分子结构和物理性质等方面的综合特征。
不同类型的纤维具有不同的结构特征，这些特征决定了纤维的用途和性能。
了解纤维的结构特征可以帮助我们更好地应用和开发纤维材料。
纤维的结构特征
缚 结 分 子
取向和非取向折叠链片晶（fringed lamellar crystal）结构模型
折叠链缨状微胞模型中大分子可以折叠在一个晶区内﹐ 也可以穿过无定形区进入另一晶区折叠。
两相结构﹕其基本概念是纤维中存在明显边界的晶区 与非晶区，一些大分子的长度可以远超过晶区或无定 形区各自的长度﹐足够把若干个晶区和无定形区串连 起来形成网络结构。
微原纤(micro-fibril)：由若干根基原纤平行排列组合在 一起粗一点的，基本上属结晶态的大分子束，直径大约4～ 8nm(40～80 Å)，个别高达100nm。
大分子
基原纤
微原纤
微原纤的堆砌形式示意图
原纤(fibril)：一统称，有时可代表由若干基原纤或含若干根 微原纤，大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束，直径 10～30nm 。可能存在有序态较差的非晶态部分。 微原纤之间依靠相邻的分子结合力和穿越的大分子主链联结。
纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为 细长纤维状的物质----原纤(fibril)
纤维的原纤按尺度大小和堆砌顺序可分为： 基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞
基原纤(proto-fibril)：一般由几根以至十几根长链分子， 互相平行或螺旋状地按一定距离、相位稳定地结合在一起的 大分子束，直径为1～3nm(10～30Å)，具有一定的柔曲性。
重量结晶度：纤维内部结晶区的重量占纤维总重量的百分率。 体积结晶度：纤维内部结晶区的体积占纤维总体积的百分率。
结晶度对纤维结构与性能的影响
结晶度↑→纤维的拉伸强度、初始模量、硬度、尺 寸稳定性、密度↑；纤维的吸湿性、染料吸着性、 润胀性、柔软性、化学活泼性↓。
结晶度↓→纤维吸湿性↑，容易染色，拉伸强度降 低，变形较大，纤维较柔软，耐冲击，弹性有所 改善，密度较小，化学反应性比较活泼。
03-第2章 纤维的结构特征
纤维结构：
组成纤维的结构单元相互作用达到平衡时在空 间的几何排列。
大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、聚 合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等；
超分子结构（supermolecular structure ）：晶态、非 晶态、结晶度、晶粒大小、取向度、侧序分布等；
微原纤(micro-fibril)：由若干根基原纤平行排列组合在 一起粗一点的，基本上属结晶态的大分子束，直径大约4～ 8nm(40～80 Å)，个别高达100nm
大分子
基原纤
微原纤
微原纤的堆砌形式示意图
原纤(fibril)：一统称，有时可代表由若干基原纤或含若干根 微原纤，大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束，直径 10～30nm 。 微原纤之间依靠相邻的分子结合力和穿越的大分子主链联结
A’－（A）n－A”： 2、常用纺织纤维单基的化学组成
大分子链原子的类型与排列
（二）、聚合度n（degree of polymerization ）
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。
2、常用纤维的n：
棉、麻的聚合度高，成千上万；羊毛576；蚕丝400；粘胶300 －600；化学纤维聚合度不宜过高。
（1）定义：大分子排列方向与纤维轴向吻合 的程度称作取向度 。
（2）取向度与纤维性能间的关系：
取向度大→大分子可能承受的轴向拉力也大，拉伸 强度较大，伸长较小，模量较高，光泽较好，各向 异性明显。
3、侧序（lateral order）：在垂直于纤维取向轴方向 上分子链排列的有序性。
高聚物分子链间具有强次价力，例如氢键相互作用时， 分子间的侧向排列具有有序性，甚至完全规整的有序 排列。
新型纤维材料-纤维性能基本知识
SV SL LV
2．铺展速度VS
当液体与固体接触时，即使无外力作用，但在表 面吸附功对液体的内聚能的作用下，满足前述铺展 压时，就会产生气、液、固三相交界线的快速移动， 如用一运动长丝束观察这种浸润的过程，就可发现 其中的不同，如图所示。
WSL＝ LV ＋ SV － SL
WLL＝2 LVBiblioteka ；或WSS＝2 SV三．纤维的铺展浸润
当接触角为零时的浸润，为非平衡态的浸润， 此时的Young-Dupré方 程描述的浸润现象已不存 在。 而在时，液体在固体表面仍以某种速度扩散铺 展开来。而整个铺展过程，将是液体表面积的迅速 增大，即克服液体内聚能的过程，因此铺展的必要 条件是式：WSL WLL恒成立。 铺展浸润的特征是液滴在固体表面上的展开成 膜，原有的固－气界面消失，而留下固－液界面和 气－液界面。 基于铺展浸润的特点和必要条件，可以引出一 些参数来表征纤维的铺展浸润性。
o < v < vs 气体
A+ A+
v = vs
v > vs 长丝
长丝
气体
气体
长丝
A
A
液体
液体
A-
A-
液体
四．纤维集合体的浸润
单纤维的浸润性已经明确，纤维集合体的浸润性在理论上 应取决于单纤维的浸润性和纤维集合体的结构尺寸。通常在单 纤维状态下的平衡态浸润，在纤维集合体状态下就会发生变化， 产生毛细吸水的现象，或称芯吸。 芯吸作用除了单纤维的浸润作用外，还有孔隙形状因子的影响。 假如纤维和液体都固定，而只是孔隙尺寸的变化，芯吸的程度 就不同。典型的毛细管压力p方程为： 2 LV cos
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绵羊毛纤维纵横向照片 山羊绒纤维纵横向照片
兔毛纤维纵横向照片
纵向：鳞片大多呈斜条状，有单列或多列毛髓 横向：绒毛为非圆形，有一个中腔；粗毛为腰圆形，有多个中腔
蚕丝分子结构
蚕丝的各层次结构综合示意图
大分子为伸直折叠链(锯齿)链构象。分子几乎不含胱氨酸，即无二硫 键，且侧基简单，分子间主要是氢键作用 。微原纤直径约4～9nm，原 纤横向尺寸约25～30nm，结晶度为40％～50％
（1）定义：大分子排列方向与纤维轴向吻合 的程度称作取向度 。
（2）取向度与纤维性能间的关系：
取向度大→大分子可能承受的轴向拉力也大，拉伸 强度较大，伸长较小，模量较高，光泽较好，各向 异性明显。
3、侧序（lateral order）：在垂直于纤维取向轴方向 上分子链排列的有序性。
高聚物分子链间具有强次价力，例如氢键相互作用时， 分子间的侧向排列具有有序性，甚至完全规整的有序 排列。
粘胶纤维属于分散的晶相和连续的无定形相所组成的例子。棉及苎麻 等则属于连续晶相和分散的无定形相的两相结构。
两相结构的两种模型：缨状微胞模型中大分子可以穿过若并晶区和无 定形区﹐而折叠链缨状微胞模型中大分子可以折叠在一个晶区内﹐也 可以穿过无定形区进入另一晶区折叠。
2、取向度（orientation degree）
一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有一定的分布。
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↑；但增加的速 率减小；n至一定程度，强力趋于不变。
n的分布：n分布集中，分散度小，对纤维的强度、耐磨性、耐 疲劳性、弹性都有好处。
（三）、纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性
能力1.3～10.2千 卡/克分子，距离 2.3～3.2埃；与温 度有关
在部分大分子侧基上，某些成对基团之 化学键中作用力
间接近时，产生能级跃迁的原子转移， 较弱，能量30～
从而基团间形成相互结合的化学键
50千卡/克分子
少数纤维的大分子之间存在着桥式侧基 能量50～200千卡/ 克分子
二、纤维的聚集态（ state of aggregation ）结构
缚 结 分 子
取向和非取向折叠链片晶（fringed lamellar crystal）结构模型 折叠链缨状微胞模型中大分子可以折叠在一个晶区内﹐也可以 穿过无定形区进入另一晶区折叠
两相结构﹕其基本概念是纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，一些 大分子的长度可以远超过晶区或无定形区各自的长度﹐足够把若干个 晶区和无定形区串连起来形成网络结构。
第二节 纤维的结构特征与测量
典型天然纤维的结构与特征 棉纤维 麻纤维 羊毛 蚕丝
典型再生纤维素纤维的结构特征 典型合成纤维的结构
常规合成纤维 差别化纤维
棉纤维和麻纤维的主要成分是纤维素，分子式为(C6H10O5)
棉纤维原纤中的晶胞结构
棉纤维大分子的聚合度为6000～15000，分子量为1～2.43 百万，纤维中约2/3为结晶部分，结晶晶格是单斜晶系
长度约为10 ~ 20μm。
副（偏）皮质：基原纤→微原纤→细胞核残留物→细胞
堆砌密度松，含硫量高，微原纤的堆砌时而规整，时而无序，交 替出现，为典型的柔性结构
羊毛纤维各层次结构综合示意图
正皮质
副皮质
羊毛纤维的天然卷曲
正皮质位于弯曲的外侧；副皮质位于弯曲的内侧。又因为这 种双边分布在羊毛纤维的轴向是发生螺旋的，因此，形成了 羊毛特有的准二维卷曲
①主链弹性好，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↑
（3）单键的内旋转是大分子链产生柔曲性的根源；大分 子柔曲性是判断高聚物弹性的主要条件之一。
（四）、链原子的类型与排列
纤维的主链是像一个梯子和双股螺旋的结构。 例如：碳纤维，石墨纤维主链是双链形式。
（五）、大分子构型
定义：指分子中由化学键所固定的原子在空间的排 列。要改变构型，必须经过化学键的断裂和重组
全同 立构 isotactic
间同 立构 tactic
无规 立构 atactic
聚丙烯纤维(PP)，根据甲基在链上的排列位置不同，形 成不同的立体构型，分为等规，间规、和无规聚丙烯
微原纤(micro-fibril)：由若干根基原纤平行排列组合在 一起粗一点的，基本上属结晶态的大分子束，直径大约4～ 8nm(40～80 Å)，个别高达100nm
大分子
基原纤
微原纤
微原纤的堆砌形式示意图
原纤(fibril)：一统称，有时可代表由若干基原纤或含若干根 微原纤，大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束，直径 10～30nm 。 微原纤之间依靠相邻的分子结合力和穿越的大分子主链联结
第二章 纤维的结构特征
纤维结构：
组成纤维的结构单元相互作用达到平衡时在空 间的几何排列。
大分子结构：化学组成、单基结构、端基组成、聚 合度及其分布、大分子构象、大分子链柔曲性等；
超分子结构（supermolecular structure ）：晶态、非 晶态、结晶度、晶粒大小、取向度、侧序分布等；
测定方法：将试样置于逐渐增加浓度或温度的溶剂内， 依次测定各物理量，如溶胀、溶解、收缩、吸附或吸 收等性质的变化。凡侧序较低的部分首先受到溶剂的 影响而发生相应的变化。
三、纤维的分子结构（molecular structure ）
（一）、单基（链节，chain unit ） 1、定义：构成纤维大分子的基本化学结构单元。
重量结晶度：纤维内部结晶区的重量占纤维总重量的百分率。 体积结晶度：纤维内部结晶区的体积占纤维总体积的百分率。
结晶度对纤维结构与性能的影响
结晶度↑→纤维的拉伸强度、初始模量、硬度、尺寸稳定性、 密度↑；纤维的吸湿性、染料吸着性、润胀性、柔软性、化学 活泼性↓。
结晶度↓→纤维吸湿性↑，容易染色，拉伸强度降低，变形较大， 纤维较柔软，耐冲击，弹性有所改善，密度较小，化学反应性 比较活泼。
“两相结构” 模型 ：纤维中存在明显边界的晶区与非晶区， 一些大分子的长度可以远超过晶区或无定形区各自的长度﹐足 够把若干个晶区和无定形区串连起来形成网络结构 。
取向和无序排列的缨状微胞（fringed micelle ）结构 缨状：无序区中分子排列的状态；微胞：分子有序排列的结构块
Hearle教授的缨状原纤结构模型
极矩作用而产生的Βιβλιοθήκη 卡/克分子；与温度有关
由相邻分子间的诱导电动势产生的，产 1.5～3千卡/克分
生于极性分子与非极性分子之间
子，与温度有关
由相邻原子上的电子云旋转引起瞬时的 0.2～2千卡/克分 偶极矩而产生的，产生于一切非极性分 子，与温度无关 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）
1、内旋性（internal rotation ）：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。
l α
α 转动锥角
β 键角
l
β
l 链段长
分子的内旋转示意图
2、构象（conformation）：由于单键内旋转而产生的分子 在空间的不同形态称为构象(或内旋转异构体)
纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为 细长纤维状的物质，统称为原纤(fibril)
原纤(fibril)：大分子有序排列的结构，或称结晶结构。
基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞
基原纤(proto-fibril)：一般由几根以至十几根长链分子，互相 平行或螺旋状地按一定距离、相位稳定地结合在一起的大分 子束，直径为1～3nm(10～30Å)，具有一定的柔曲性。
1、碳链大分子：
大分子主链都是靠相同的碳原子以共价键形式相联接的。 如乙纶、丙纶、腈纶——可塑性比较好，容易成型加工。
2、杂链大分子：
大分子主链除碳原子以外，还有其他原子，如氮、氧等，即主 链是由两种以上的原子所构成的。
例如：粘胶、蚕丝、涤纶、锦纶
3、梯形和双螺旋形大分子
A’－（A）n－A”： 2、常用纺织纤维单基的化学组成
大分子链原子的类型与排列
（二）、聚合度n（degree of polymerization ）
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。
2、常用纤维的n：
棉、麻的聚合度高，成千上万；羊毛576；蚕丝400；粘胶300 －600；化学纤维聚合度不宜过高。
正皮质：基原纤→微原纤→巨原纤→细胞，约55~70％ 。
基原纤：由2～4根α氨基酸螺旋形角朊组成，直径1～3nm。 微原纤：由9＋x(或2)，或7＋x根基原纤组成，直径7～8nm，其中
含有1nm左右的缝隙和空穴。 巨原纤：呈环芯分布、堆砌紧密、含硫量低，直径约100 ~ 300nm，
（2）非晶态：纤维大分子无规则聚集排列的状态。 ①非晶区（无定形区，amorphous region ）
纤维大分子无规则聚集排列的区域。
非晶区特点：
a.大分子链段排列混乱，无规律； b.结构松散，有较多的缝隙、孔洞； c.相互间结合力小，互相接近的基团结合力没饱和。
直接影响着纤维的吸湿、染色、热定形、力学弹 性及伸长等
棉纤维的细胞形态与构成
棉纤维的形态结构模型 纤维转曲数一般为6～10个/mm；截面呈腰圆形带中腔。 初生层的网状原纤结构与纤维轴呈70°～90°倾角 次生层有明显的“日轮”结构，其中的S2层是棉纤维主 体，厚1～4um，原纤与纤维轴的螺旋角约25°
棉纤维纵横向照片 丝光棉纵横向照片
苎麻纤维纵横向照片