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。