第七章 纤维材料的热学、光学、电学性质

纤维材料的热学、光学、电学性质
1 热学性质
2 光学性质
3电学性质
内容提要：常用热学指标；纤维的热力学性质、热定形及抗热破坏性质（耐热性、热稳定性、燃烧性、熔孔性、热收缩等）；纤维的色泽、双折射、耐光性、紫外荧光；纤维的电阻、静电。

重点难点：保暖性，热力学三态与热定形，热破坏温度，燃烧性；双折射、耐光性；电阻、静电序位及测试。

难点在纤维这些性质的综合表现。

解决方法：理清概念的层次关系，结合实际产品的分析，建立概念体系和思维方法。

第一节热学性质
一、热学指标
（一）比热C
质量为一克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量。

单位：焦尔/克·度。

纤维的比热值是随环境条件的变化而变化的，不是一个定值。

同时，又是纤维材料、空气、水分的混合体的综合值。

比热值的大小，反映了材料释放、贮存热量的能力。

或者温度的缓冲能力。

（二）导热系数λ
材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度。

单位：焦/米·度·时，
纤维本身的导热系数由于纤维结构的原因也呈现各向异性。

对于纤维集合体，也是纤维、空气、水分三者的综合值。

导热系数与集合体的体积重量的关系呈对号规律（画图说明）
（三）绝热率T
它反映的是材料的隔热能力——保暖性，此值越大，说明该材料越保暖。

二、热力学性质
热力学性质也叫热机械性质，是指在温度的变化过程中，纺织材料的机械性质亦随之变化的特性。

用不同的温度点来表征力学特性。

绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构，即有结晶区与非结晶区，而这两个区域对热的反映是不一样的，对结晶区来说在热的作用过程中，它的热力学状态有两个：一个是在热的作用下，结晶体解体形成熔融态，要么结晶不被破坏的呈结晶态。

对无定形区来讲，热力学状态大致有三个：玻动态、高弹态和粘流态，这些状态可用以下的热力学指标来表征和区分。

（一）熔点Tm
熔点是纤维的重要热性质之一，也是一个结构参数。

我们知道低分子结晶体的熔化是一个相的转变过程，由结晶态（晶相）变成熔融态（液相），而且相的转变在很窄的温度范围内进行，所以叫熔点。

对纤维材料，结晶是由高聚物形成的，它的熔化过程有一个较宽的温度区间——熔程，由于该熔程比较宽，通常把
开始熔化的温度叫起熔点，把晶区完全熔化时的温度叫溶点Tm。

若材料的结晶度高，晶体比较完整，则熔程变窄，熔点也随之而提高，同样结晶度条件下，晶粒大，Tm升高。

（二）玻璃化温度Tg
对于无定形区来说，在热的作用下，基本上有三种热力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态，通过变形能力来区分。

在玻璃态时，强力高，变形小，且外力取除后，变形很快消失，表现出类似玻璃的力学性质。

而高弹态时，，受到外力，可产生较大的变形，当外力消除，变形较易回复，类似于橡胶的力学特征。

粘流态时，变形不但很容易而且是不可逆的，呈现一种具有粘滞性可流动的液体状态。

我们把高弹态向玻璃态的转变称做玻璃化转变，其转变温度为玻璃化温度。

对纺织材料来说，这个转变是很重要的。

（热定形，许多使用性能的基础）
（三）粘流温度Tf
高弹态到粘流态之间的转变温度。

三、热定形
（一）概念：
定形是指使纤维（包括纱、织物）达到一定的（所需的）宏观形态（状），尽可能切断分子间的联结，使分子松弛，然后在新的平衡位置上重新建立尽可能多的分子之间的联结点。

热定形则是指在热的作用下（以热手段进行分子之间联系的切断或重建）进行的定形。

可以看出，热定形的主要目的就是为了消除材料在加工过程中所产生的内应力，使之在以后的使用过程中具有良好的尺寸稳定性，形态保持性弹性，手感等。

（二）热定形的效果
暂时定形与永久定形（简单解释）。

（三）热定形的条件
（1）湿度(或定形液)：降低Tg
（2）热：加热到Tg以上，Tf以下方可定形
（3）力：施加外力达到我们所需的外观形态
（4）时间：大分子间的联结只能逐步拆开，达到比较完全的应力松弛，需要时间。

重建分子间的联结也需要时间
四、耐热性和热稳定性
（一）耐热性。

指在热的作用下，抗破坏的能力。

可用破坏温度来表示，或受热时性能的恶化来评价。

详见教材第443页表8-4。

（二）热稳定性。

指在某温度持续作用下，多长时间会破坏的性能。

详见教材第444页表8-5。

五、热收缩
合成纤维因受热的作用而产生的收缩。

产生收缩的原因：1、定形效果不好，有残余内应力存在；2、分子链比较伸展，各键节、键段的无规运动，使大分向内卷缩。

用收缩率表示。

（如化纤的气蒸收缩率试验）
六、熔孔性
（一）概念
织物接触到热体而形成孔洞的性能——熔孔性。

影响熔孔性的因素主要有：
（1）热体的温度
（2）热体的作用时间
（3）热体的热量
（4）纤维的性能（可熔性，导热性，比热，吸湿性等）。

（二）测量方法
1．落球法：一定温度、重量大小的钢（或玻璃）球在布上形成孔洞所需时间。

2．烫法：用热体（金属棒、玻璃棒、纸烟等）接触试样一定时单间，观察熔融状态。

七、阻燃性
（一）定性表达
根据纤维在火焰中，离开火焰后的燃烧状况分为：
1、易燃：遇火就燃，离火仍燃，且燃烧迅速，可造成火灾。

2、可燃：遇火能燃，离火后仍曼延，但度慢。

3、难燃：在火焰中可燃，离开火则自熄。

4、不燃：与火接触亦不燃烧。

（二）定量表达
1、点燃温度
2、火焰最高温度
3、燃烧速度
4、极限氧指数
第二节光学性质
纤维同其它物体一样，当光照时到它也会发生反射、透射、折射、散射和吸收。

光学性质也和内部结构有着比较密切的关系。

一、色泽：
色泽——颜色与光泽，不可分的统一体。

（一）颜色：材料对光的选择性吸收和反射的结果。

天然纤维的白度反映其质量。

（二）光泽：反射可见光的能力。

影响光泽的因素主要有：
①纤维的表面状况（粗毛比细毛光泽强）；
②纤维的截面形状，不同的形状会产生不同的光泽效果。

如表面平滑——平行反射（镜面反射），光最强；表面粗糙——漫射，光柔和（反射光强一致）或产生闪光效应（有峰值漫射）；
③纤维结构与含杂：层状结构（蚕丝）相当于多个反射层，反射—折射的多次反复，形成了蚕丝的特殊光泽。

水分使光泽下降，颜色浓度上升，表面上的油、蜡等其它成分也会使光泽发生变化，所以化纤可通过渗杂（二氧化钛）获得有光、半光、无光纤维。

④纤维彼此排列的平顺程度。

二、折射与双折射
构成纤维的大分子都是很长的，若不形成取向排列，则它们只会有折射，但大多数纤维都是有取向的，当一束光射到纤维上时（非光轴入射）会形成两条折射率不同的光线，发生双折。

三、耐光性
耐光性是纤维抵抗日光破坏的能力。

它是耐气候性的一个方面。

日光中的紫外线对纤维损伤厉害，而红外线起辅助破坏作用。

四、紫外荧光
纤维在受到紫外线的照射时，会发出在可见光范围内的光，称之为紫外荧光。

各种纺织纤维具有不同颜色的荧光，可用来鉴别纤维，产品开发。

第三节电学性质
一、电阻
（一）定义
1．体积比电阻：（欧姆·厘米）
2．质量比电阻：（欧姆·克/平方厘米）
3．表面比电阻：（欧姆）
（二）影响因素：
1、回潮率：在温度0~100%的变化范围内，比电阻变化可达106倍。

可用经验公式来表示。

2、温度：温度升高，导电性能增加，电阻下降。

3、电压与频率：电压过高，材料击穿失去绝缘性，频率影响介电系数，频率变高，介电系数变小，介电系数与质量比电阻的关系如下式：
4、含杂与伴生物。

5、纤维在电场中的排列方向
三、静电
（一）静电的产生与积累
任何两种物质，互相接触或摩擦时，只要表面电荷载体的能量分布不同，就可能发生表面间的电荷再分配（电荷转移）。

当它们分离后，表面会出现带电体。

若表面为导体，这些带电体上的电荷将迅速消失，宏观上不会觉察有电的现象。

若表面为绝缘体，电荷将存在于其上，宏观上会有电的现象。

纺织纤维大多是绝缘体，在其加工和使用中，则不断发生着接触，分开及摩擦，电荷不断产生，并积累起来，当然也会不断发生逸散。

（有兴趣的同等可借“静电手册”看看）。

（二）静电电位序列
两绝缘体接触、摩擦再分开时，一个带正电，一个带负电。

经过大量实验，人们排出了一个静电序值表：见教材第479页表8-22。

此表说明，两纤维摩擦而带电，处于上面的带正电荷，下面的带负电荷；表中距离越远的两种纤维摩擦带电现象越明显。

（三）静电的测量
1、测量静电荷逸散的半衰期；
2、测静电压；
3、测比电阻
4、测单位面积上的电荷量
作业：
1．纤维集合体的传热能力和体积重量有什么关系？为了提高衣着的保暖性你认为应该怎样设计衣着的结构？
2．测试化纤的热收缩有什么实际意义？
3．为什么要进行热定形？其实质是什么？
4．纺织材料按燃烧难易程度可分为哪四类？燃烧性能的定量表达指标及其定义是什么？5．习题集第36页的判断题。