纺织物理 第五章 纤维的光学性质

纺织物理第五章纤维的光学性质第五章纤维的光学性质纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、折射和透射的性质，以及光在纤维中的传递性质。

纤维在光照下会呈色发光，纤维对不同振动方向的光会产生不同的折射效果，纤维受光以后会老化降解，这些都是纤维的光学性质。

纤维的光学性质直接取决于纤维的结构，纤维的分子结构能很好地将光线的光电场能转化成纤维分子或电子云的振动能，将使纤维的耐光老化性提高。

纤维聚集态结构的不同将引起纤维反光、折光性质的变化，尤其是取向的分子排列将使纤维的光学各向异性特征明显，应该说纤维的光学各向异性是纤维结构的各向异性的最明显的表征，也是用的最多最为方便的传统测量方法。

本章将重点介绍纤维的折射特征、双折射性质与测量、纤维的光老化及发光现象，以及纤维的红外光谱及性质。

通常光学性质的讨论范围为紫外光（２００～４００nm）、可见光（４００～７００nm）和红外光（０．７～２０um）。

光的波长不同，能量不同。

可见光的波长不同其颜色不同，结果见表５－１。

表5—1 各种颜色的波长及波长范围颜色标准波长波长范围红700 620~780橙610 595~620黄580 575~595绿510 480~575蓝470 450~480紫420 380~450第一节纤维的反射与折射的性质一、光与纤维当光线照射在纤维上，在纤维与空气或与其他介质的界面处将发生反射与折射现象。

该界面在纤维体内存在时，情况也一样。

其光路与纤维的相互关系如图５－１所示。

（5.1）为光线在空气中或真空中的传播速式中，v1度；v为光线在纤维中的传播速度。

2二、纤维的折射率纤维是一个轴对称的各向异性体，其折射率在上是不同的。

折射率大小的矢量在纤维中是一个空间椭球分布，如图５－２所示。

可以看出，沿纤维轴向（Z轴）的折射率较大，为椭球的长度。

在纤维经向平面中的折射率为中心对称、值相等且较少。

图5—2 纤维的折射率分布设：纤维中的直角坐标系的z轴为纤维轴方向，则n、y n、z n分别表示纤维中沿x、y、z轴的x折射率值。

则有：n=y n=⊥nxn=//nz而纤维轴的整体平均折射率值，即将纤维看成一各向同性体时的折射率值为：n=31（x n+y n+z n）iso（5.1）或n=31（2⊥n+//n）iso（5.2）通常纤维的折射率有n=⊥n,即平行纤维轴的//折射率较大，光的传播速度较低；垂直纤维轴的折射率较小，故光的传播速度较快。

光子在介质中的传递是受到介质的光密度影响的。

而介质的光密度是由电子密度和电子云的易动性决定的。

光子通过介质时，必然会与电子发生碰撞，和对电子云发生干扰，引起光子能量的转换与损耗，以及介质电子云的骚动，这将改变光子的运动速度与方向。

在宏观上体现出光线的传递速度减慢，光波波长的变化和折射率的增大。

因此，只要结构不同，分子排列方式不同、晶格参数（三轴方向和长短）不同，折射率值就会不同。

三、纤维的反射与光泽由图５－１可知，除了折射外另一主要的光学现象为光的反射。

图５－１中绘出的只是一种镜面反射和多层反射。

实践中，镜面反射只是主反射线，在其他各个方向上也有反射，称为漫反射或者散射，如图５－３（a）所示。

这与纤维的表面形态不同引起的散射不同有关，见图５－３（b）,形态不同是由主反射线的变化引起的。

前者是微观结构作用；后者为宏观形态作用。

入主散(a)反射示意图(b)形态散射示意图光的反射直接影响被光照物的光泽特征。

光线由光疏介质入射到光密介质时所产生的反射量，可由Flamier公式来表达，反射系数R为：R=21212)(n n n n +- (5.3)R 0=2)11(+-n n (5.4)对纤维来说，反射系数R 一般为0.2~0.23左右，折射率n 在1.5~1.6内。

第二节 纤维的双折射与测量一、 纤维的双折射对物质来说，当沿着两个不同的光轴的光线传播时，由于在此二方向上光密度的不同，将使光线产生两种传递速度，即具有两个折射率值，这种现象就称为双折射现象，表征其的指标为双折射率Δn 。

双折射现象的本质是材料结构的各向异性的光学反映，对于三轴方向的折射率不同的物质其双折射率有三个。

若直角坐标系中的三个折射率分别xn 、y n 、z n 则双折射率为：Δxy n ＝x n —y nΔyz n ＝y n —z n（５.５）Δzx n ＝z n —xn 由于纤维是轴对称的各向异性体，即只存在平行纤维轴的折射率//n 和垂直纤维轴折射率⊥n ，故纤维的双折射定义为：Δn ＝Δ//n －Δ⊥n （５.６）即平行于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率//n 与垂直于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率⊥n 的差值Δn 。

其物理过程为，当一束平面偏振光进入纤维时，可将其分解为二组相互正交的平面偏振光．如图５－４所示．一是沿纤维轴向振动的平面偏振光，其一般传播速度较慢，折射率值较大，称为非常光，或称慢光，又称 e 光。

另一是垂直纤维轴方向振动的平面偏振光，其一般传播速度较快，折射率较低，称为寻常光，或称快光，又称o 光。

故一般情况中光对纤维的作用结果是：v ∥<v ⊥ , //n >⊥n但也有不同情况，通常将：//n >⊥n 即Δn > 0 称为正晶体；//n <⊥n 即Δn < 0 称为负晶体； //n >⊥n 即Δn ＝ 0 称为零晶体（或者各向同性体）。

纤维的双折射值有大有小，一般在０～０．２范围内，而且其值有正有负．如涤纶为Δn ＝０．１８８，玻璃纤维Δn ＝０，腈纶为Δn ＝－０．００４。

二、影响纤维双折射值的因素影响纤维双折射值的因素很多，但基本上可以从纤维结构影响的角度和环境条件上来讨论。

１、纤维的结构因素（１）极性基团及其排列方向①极性基团的极性聚乙烯与聚氯乙烯a)-C-C-C-b)涤纶：粘胶与醋酸纤维：粘胶：②极性基团的方向因此光振动的方向与极性基团的偶极轴方向的一致性极为重要。

相同时极化作用强，光传递损耗大，速度慢；垂直时，极化作用小，损耗小，光传导速度高。

光电场对极性基团的极化度σ与折射率的关系为：如腈纶分子结构，因机心风格基团方向的影响，加之分子间排列中的侧向有序和轴向短程有序，长程无序，使腈纶变为负晶体材料。

（２） 纤维的密度和结晶度纤维的结晶度增加意味着纤维密度的增加，而纤维密度与折射率的关系，根据Gladston & Dale ’s 方程可得： 同理存在：const niso =ρ-1即折射率与密度成正比，双折射值也与密度成正比。

这也就是说，对同种纤维来说，纤维得密度越高，其双折射值越大。

（３） 纤维大分子的构型 //////1c n =-ρ⊥⊥⊥=-c n ρ1⊥=ρρ// cc c n n =-=-⊥⊥////ρ（４） 纤维种分子得取向排列根据：其中：N 为链段数，λ为牵伸比。

其中：前者为极性分子的极化度；后者为链段的双折射值 （5．（５） 形状双折射率当两种各向同性体得物质（或同种物质不同形态）以一定方式有序排列组合时，该混合物将产生双折射现象，这种双折射定义为形状双折射。

σπ341122=+-n n )(261111//2222//2//⊥⊥⊥-+≈+--+-n n n n n n n n iso iso )1)(()2(4522//22//λλσσπ--+=-⊥⊥N n n n n iso iso αγσσn n -=-⊥//)1cos 3(212//-=--=⊥θαγn n n n f 射值为理论完成取向的双折αγn n -为实际双折射值⊥-n n //)9.5(这种双折射现象的实质是界面的有序排列而致，故又称为界面取向双折射。

如图５－７所示，玻璃棒插入水中，会形成双折射。

对于不同的界面形成的形状双折射值是不同的，如图５－８所示。

（６） 水分对纤维双折射的影响纤维吸收水分后变为混合体，纤维自身的双折射和界面的双折射将会共同存在。

即：∴ 则：令：333.01111+-=-+-=-ff ww ff n n n n ρρρρ333.1=w n 1=w ρ)10.5(333.011////////+-=-f f n n ρρ333.011+-=-⊥⊥⊥⊥f f n n ρρ）、（因为⊥⊥==f f ρρρρ////ffn n n n ρρ)(////⊥⊥-=-)11.5(为膨胀比vv q ff ==ρρ所以，纤维与水的混合体的折射为：三、纤维双折射的测量纤维双折射的测量方法有许多，有传统的、近代的；也有这些方法与现代计算机技术结合的方法；有基于折射率的测量方法；亦有根据双折射现象的直接双折射值的测量方法。

虽然测量方法多种多样，但依据获得双折射值的途径可将这些方法分为直接法和间接法二类。

１、间接方法所谓间接方法是利用纤维在某种介质中（通常为液体），其光学人折射性质与该介质相同时，即两物质的界面消失时，测量该介质的折射率，包括平行和垂直纤维轴的折射率，最终求得纤维得双折射率。

其原理为：当n f=n s (5.13)式中n f、n s分别为纤维的折射率和溶液的折射率，如果入射光的平面振动方向分别垂直和平行与纤维轴时就可以得到：nf∥＝ns∥或者n f⊥＝n s⊥最终得到纤维的双折射率：Δn f＝（n∥－n⊥）f＝（n∥－n⊥）s)(////⊥⊥-=-nnqnn)12.5((5.14)上式中溶液的折射率n s可以阿贝折射仪直接测量获得。

显然要实现上述测量原理，不许要解决两个问题：① 如何使溶液的折射率n s与纤维的折射率n f相等；② 怎样确切地知道 n s=n f，一般要求精度为<０．０００５对于第一个问题一般采取三种方法解决。

（１） 溶液混合法因为纤维地折射率一般在１.５～１.６之间，通常只需要选择两种互溶地溶液，一种为高折射率（>1.6）的溶液（如α–溴代萘）；一种低折射率（<1.5）的溶液（如石蜡油1.47）。

将这两种溶液以不同的比例进行混合，而获得不同的折射率的混合液，以覆盖被测纤维的折射率(1.5～1.6之间)。

这一混合折射率n s为：（５．１４）这种混合法在理论上极为简单明了，但在实际应用中要求很多很严。

具体内容有：212211v v n v n v n s +-=①两种溶液能很好的相溶，而无化学反应；②两种溶液的物理性能稳定，不易挥发；③两种溶液的比重应尽量一致，避免分层；④两种溶液的折射率要能覆盖所有被测纤维的折射率；⑤两种溶液的透明度要高，无毒，无味。

实际上要满足这些条件是极不容易的。

（１）改变光波波长法利用不同波长的光与物质相互作用时，会产生色散即其折射率会发生变化的特点，连续地调节光波波长值，使纤维的折射率与溶液的折射率一致。

完成这一光波波长变化的装置是一个可连续变化波长的单色器，即光栅。