纺织物理 第六章 纤维的热学性质
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纤维的热学性质
2） 纤维集合体的密度（体积质量）
λ
δK=0.03-0.06g/cm3时，纤维保暖性最好。
空气
δK
δ
0.1
0.2
保暖性主要取决于纤维中夹持的空气数量和状态。 纤维层中夹持的静止空气越多，则纤维层的绝热性越 好。一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。
3）纤维的结晶度与取向度
纤维中分子取向排列越高越多，沿纤维轴向的导热 系数越大，垂直于纤维轴向的导热系数越小，存在热 传导的各向异性。 纤维的结晶度越高有序排列的部分越多，连续性越 好，导热系数越大。
热作用下纤维外观形态的稳定性，主要是指纤维的热收缩。
纤维的热收缩
定义：材料受热作用而产生收缩的现象。 原因：初生纤维拉伸，纤维中残留有应力，因受玻璃态约束
未能缩回，当纤维受热温度超过一定限度时，纤维中的约束 减弱，从而产生收缩。
评价指标：
热收缩率：是指加热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率。
使用不同介质的收缩率
1、基本概念 将合成纤维或制品加热到玻璃化温度以上 （低于软化点温度），并加一定外力强迫 其变形，然后冷却并去除外力，这种变形 就可固 定下来，以后遇到T<Tg时，则纤 维或制品的形状就不 会有大的变化。这种 特性称之为热塑性。 利用合纤的热塑性，将织物在一定张力下 加热处 理，使之固定于新的状态的工艺过 程。（如：蒸纱、熨烫）
四、耐热性和热稳定性
耐热性：纺织纤维经热作用后力学性能的保持性 叫耐热性。 图
热稳定性：纤维在热的作用下结构形态和组成 的稳定性。
1、质量与组成的稳定性
裂解：高分子主链的断裂，导致分子量下降，材料的机械 性能恶化。
2、结构的稳定性
热作用下，纤维的聚集态结构发生变化，结晶度下降，取向 度下降。
纤维的热学、光学、电学性质
h
17
5.保暖率
描述织物的保暖性能
在保持热体恒温的条件下，无试样包覆时消耗 的电功率和有试样包覆时消耗的电功率之差，占 无试样包覆时消耗的电功率的百分率
数值越大，说明该织物的保暖性能越强
h
18
第一节 热学性质
一、纺织纤维的导热与保温 二、纤维的热力学性质 三、纤维的耐热性与稳定性 四、纤维的热膨胀与热收缩 五、纤维的热塑性和热定型 六、纤维的燃烧性能 七、纤维的熔孔性
比热值
1.26～ 1.36 1.84
纤维种类 比热值
芳香聚酰 1.21 胺纤维
醋酯纤维 1.46
桑蚕 1.38～ 锦纶66
2.05
玻璃纤维 0.67
丝
1.39
亚麻
1.34
涤纶
1.34
石棉
1.05
大麻
1.35
腈纶
1.51
水
4.18
黄麻
1.36
丙纶
1.80
(50℃)
空气
1.01
h
6影响比热的因素温Fra bibliotek与回潮率的影响
始向高弹态转变的温
度称为玻璃化转变温
h
12
两端压差大
导热系数λ
两端无压差 静止空气
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
体 积 重 量 (δ )
纤维层体积重量和导热系数间的关系
h
13
纤维排列方向
纤维平行于热辐射方向排列时，导热能力较强
0.275
0.25
热传导能力
导 0.225
热 系
0.2
数 0.175
热辐射 方向
αf
纤维层 方向
比热容医学PPT
❖ 降低W%；
❖ 选用λ低的纤维；
❖ 加入陶瓷粉末等材料。
YY
10
4、常用保暖性指标
1）绝热率
纤维集合体隔绝热量传递保持体温的性能。
T Q0 Q1 100% Q0
式中：Q0——包覆试样前保持热体恒温所需热量； Q1——包覆试样后保持热体恒温所需热量。
2）保暖率 在保持热体恒温条件下，无试样包裹时消耗的电功率与 有试样包裹时消耗的电功率之差占无试样包裹时消耗的 电功率之比。
0.071-0.073
纤维种类 涤纶
λ(W·m/m2· ℃)
0.084
羊毛
0.052-0.055 腈纶
0.051
蚕丝
0.050-0.055 丙纶
0.221-0.302
粘纤
0.055-0.071 氯纶
0.042
醋纤
0.050
★空气
0.026
锦纶
YY
0.244-0.337 ★水
0.697 4
2、影响纤维集合体导热系数的因素
1）环境温湿度影响 温度 ： T↑，λ↑
随温度增加，纤维分子的热运动频率加大，使热量传 递能力提高。
湿度： RH ↑，W ↑, λ↑，保暖性↓ 纤维吸湿和放湿过程的热效应对纤维的保暖性有影响
YY
5
2） 纤维集合体的密度（体积质量）
λ
δK=0.03-0.06g/cm3时，纤维保暖性最好。
δK 0.1
0.2
空气
δ
❖ 保暖性主要取决于纤维中夹持的空气数量和状态。 ❖ 纤维层中夹持的静止空气越多，则纤维层的绝热性越
好。一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。
YY
6
3）纤维的结晶度与取向度
❖ 选用λ低的纤维；
❖ 加入陶瓷粉末等材料。
YY
10
4、常用保暖性指标
1）绝热率
纤维集合体隔绝热量传递保持体温的性能。
T Q0 Q1 100% Q0
式中：Q0——包覆试样前保持热体恒温所需热量； Q1——包覆试样后保持热体恒温所需热量。
2）保暖率 在保持热体恒温条件下，无试样包裹时消耗的电功率与 有试样包裹时消耗的电功率之差占无试样包裹时消耗的 电功率之比。
0.071-0.073
纤维种类 涤纶
λ(W·m/m2· ℃)
0.084
羊毛
0.052-0.055 腈纶
0.051
蚕丝
0.050-0.055 丙纶
0.221-0.302
粘纤
0.055-0.071 氯纶
0.042
醋纤
0.050
★空气
0.026
锦纶
YY
0.244-0.337 ★水
0.697 4
2、影响纤维集合体导热系数的因素
1）环境温湿度影响 温度 ： T↑，λ↑
随温度增加，纤维分子的热运动频率加大，使热量传 递能力提高。
湿度： RH ↑，W ↑, λ↑，保暖性↓ 纤维吸湿和放湿过程的热效应对纤维的保暖性有影响
YY
5
2） 纤维集合体的密度（体积质量）
λ
δK=0.03-0.06g/cm3时，纤维保暖性最好。
δK 0.1
0.2
空气
δ
❖ 保暖性主要取决于纤维中夹持的空气数量和状态。 ❖ 纤维层中夹持的静止空气越多，则纤维层的绝热性越
好。一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。
YY
6
3）纤维的结晶度与取向度
纺织物理第六章纤维的热学性质
定义
热容是描述物质在加热或冷却过程中吸收或释放热量能力的物理量。
分类
根据热容与温度的关系，可分为定容热容和定压热容。在等温过程中，定容热容表示单位 质量的物质温度升高或降低1K时所吸收或释放的热量；定压热容表示在等压过程中，单 位质量的物质温度升高或降低1K时所吸收或释放的热量。
影响因素
物质的种类、温度和物态。
重要性及应用
重要性
热学性质是纤维的基本物理性能之一，对于纺织品的加工、性能优化以及穿着 舒适性等方面具有重要影响。
应用
纤维的热学性质在纺织品的加工过程中，如热定型、染色、印花等环节中有着 广泛的应用。同时，纤维的热学性质也直接影响着纺织品的保暖性、透气性、 舒适性等性能。
02
纤维的热学性质
热容
学习纺织材料的热防护 技术，如阻燃、隔热等 技术在纺织品中的应用。
THANKS
感谢观看
热氧化
纤维在高温下与氧气发生反应， 产生氧化产物，如二氧化碳、水 蒸气等。热氧化会导致纤维质量 减轻，性能下降。
热色效应
• 热色效应是指纤维在受热时颜色发生变化的现象。不同纤维的 热色效应不同，有些纤维在受热时会变色，而有些则不会。热 色效应在纺织品加工中具有重要应用，如染色、印花等。
热防护与阻燃
热分解温度
热分解温度是指纤维材料开始发生分解反应的温度。通过测定热重曲线，可以得 到纤维材料的热分解温度和分解速率等数据。
热处理与加工性能测试
熔融温度与黏度
熔融温度是指纤维材料开始熔化的温度，黏度则表示纤维材料在熔融状态下的流动性能。这些数据对于纤维的加 工工艺和产品质量具有重要意义。
热加工温度范围
热防护
纤维的热稳定性与其热防护性能密切 相关。热防护性能好的纤维能够在高 温下保持较好的机械性能和化学稳定 性，不易燃烧或分解。
纤维的热学性质
离开火焰 继续燃烧 不易延燃 能延燃
能延燃
继续燃烧
继续燃烧
丙纶 氯纶
缓慢收缩 收缩
熔融燃烧
熔融燃烧有 黑烟
继续燃烧 不能延燃
燃烧后残渣
灰白色灰
松脆黑灰
玻璃状黑褐 色硬球 玻璃状黑褐 色硬球
松脆黑色硬 块 松脆黑色硬 块 黄褐色硬球
松脆黑色硬 块
燃烧时气味 烧纸味 烧毛发味 特殊芳香味
氨臭味
有辣味
特殊甜味
0.221-0.302
粘纤
0.055-0.071 氯纶
0.042
醋纤
0.050
★空气
0.026
锦纶
0.244-0.337 ★水
0.697
2、影响纤维集合体导热系数旳原因
1）环境温湿度影响 温度 ： T↑，λ↑
随温度增长，纤维分子旳热运动频率加大，使热量传 递能力提升。
湿度： RH ↑，W ↑, λ↑，保暖性↓ 纤维吸湿和放湿过程旳热效应对纤维旳保暖性有影响
沥青味 氯化氢臭味
燃烧分类：
易燃纤维（迅速燃烧，形成火焰）：纤维素纤维、腈纶纤维 可燃纤维（缓慢燃烧，离开火焰可延燃）：羊毛、蚕丝、锦纶、 涤纶、丙纶、维纶等 难燃纤维（接触燃烧，离开火焰熄灭）：氯纶、芳纶 不然纤维：金属纤维、碳纤维、石棉、玻璃纤维、PBI纤维等
2、燃烧性能指标
1）极限氧指数（LOI）
纤维旳热学性质
一、比热容 1、定义
质量为1克旳纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出旳热量。
C Q m t
纺织材料旳比热为：锦纶66 C=2.05 J/g.℃。 玻璃纤维C=0.67 J/g.℃。
水：C=4.18 J/g.℃，干空气C=1.01 J/g.℃。
纺织材料6纤维的热学性质
刚性侧基的体积越大，分子链的柔顺性越差，Tg越高，如：
CH2 CH CH3 CH2 CH H3C C CH3 CH3 聚(3,3-二甲基-1-丁烯） 64 CH2CH CH2CH N
聚丙烯 Tg (oC) -18
聚苯乙烯 100
聚乙烯基咔唑 208
柔性侧链越长，分子链柔顺性越好，Tg越低，如：
CH2 CH3 C COOR -CH3， 105 （聚甲基丙烯酸酯）
七、纤维的熔孔性 1.定义：当纤维及其制品上为热体所溅时被熔 成孔洞的性能。 抗熔性：抵抗熔孔现象的性能。 2. 合成纤维易产生熔孔现象的原因 涤纶、锦纶熔融所需的热量较少； 涤纶、锦纶的导热系数比棉、粘、羊毛大。 3. 改善织物抗熔性的方法： 合纤与天然纤维混纺； 制造包芯纱（芯用锦纶、涤纶，外层用棉）。
R= Tg (oC)
-C2H5， -C3H7，? ? -C 4H9， 65 35 20
-C8H17， -20
-C18H37 -100
如果是对称双取代，可提高分子链柔顺性，降，如：
CH2CH Cl Tg (oC) 81 Cl CH2C Cl -17 CH2CH CH3 -18 CH3 CH2C CH3 -70
（3）张力 高张力定型适用于单丝袜子； 弱张力定型用于多数的针织物和机织物； 无张力定型在一般织物中用得较少。 （4）冷却速度 一般要求较快冷却，可使新结构快速固 定，可获得较好手感的织物。 （5）定型介质
六、纤维的燃烧性能
1. 指标 （1）可燃性指标：（表示纤维容不容易燃烧） 点燃温度；发火点 点燃温度或发火点越低，纤维越容易燃烧。 （2）耐燃性指标（表示纤维经不经得起燃烧） 极限氧指数 LOI（Limit Oxygen Index） 定义：纤维点燃后，在氧、氮大气里维持 燃烧所需要的最低含氧量体积百分 数。
织物——第六章织物的热学、电学和光学性质
织物
第六章 织物的热学、电学 和光学性质
第一节 织物的冷感性
织物刚与人体皮肤接触时人体产生的一种冷热知觉反应称为冷感性。冷 感性主要与内衣的接触舒适性有关。寒冷季节穿用的内衣如棉毛衫裤、羊毛 内衣衫裤等要求暖和、无明显冷感；炎热季节穿用的内衣如汗衫裤、衬衫等 则要求凉快、有明显冷感。
冷感性实质上是在温度不平衡条件下产生的。冷感性大的织物做内衣在 寒冷季节穿上时，会使流经皮肤表面的血液受寒后回流至血液中心在经颈静 脉时引起寒战而增加产热，又由于皮肤血·管收缩而控制了传导、对流、辐射 的热量，这样就使体内与体表间的温度梯度加大而使深层组织的传导热增加。 因此，寒冷季节使用的内衣应降低其冷感性。在炎热季节中，由于皮肤血管 扩张，体内与体表间几乎无温度梯度，同时环境温度已接近甚至超过体表温 度，传导、对流、辐射、散热几乎接近于零，甚至成为受热状态，此时，人 的机体以蒸发散热为主，因此，炎热季节使用的内衣应提高其冷感性，使织 物与皮肤接触时，较高温度的皮肤有冷的感觉。
第五节 织物的光泽
织物光泽是织物外观的一个重要方面，不同品种、用途的织物对 光泽的要求不同，运用织物光泽的某些规律还可以获得某些特殊外观 效应。
一、织物光泽机理 织物是一个半透明体，其内部也存在可供光线反射的平面层状结 构，因此，与纤维一样织物光泽也来自三个方面：及透射光。其中反射光表 现为织物光泽的强弱，透射光主要表现为织物的透明程度。
第三节 织物的抗熔孔性
织物局部接触火星或燃着的烟灰时，抵抗形成孔洞的程度称为抗熔 孔性。由于此类小孔往往难以修复，会使外观变劣，甚至失去使用价值， 所以，抗熔孔性已日益受到人们重视。尤其随着合成纤维服装面料的大 量使用，提高其抗熔孔性更成为消费者的迫切要求。厚一些的织物，虽 不致于在接触火星瞬间形成明显孔洞，但也会在织物表面留下熔迹，造 成外观疵点。此外，焊接工穿的工作服，抗熔孔性就成为不可缺少的安 全性要求。
第六章 织物的热学、电学 和光学性质
第一节 织物的冷感性
织物刚与人体皮肤接触时人体产生的一种冷热知觉反应称为冷感性。冷 感性主要与内衣的接触舒适性有关。寒冷季节穿用的内衣如棉毛衫裤、羊毛 内衣衫裤等要求暖和、无明显冷感；炎热季节穿用的内衣如汗衫裤、衬衫等 则要求凉快、有明显冷感。
冷感性实质上是在温度不平衡条件下产生的。冷感性大的织物做内衣在 寒冷季节穿上时，会使流经皮肤表面的血液受寒后回流至血液中心在经颈静 脉时引起寒战而增加产热，又由于皮肤血·管收缩而控制了传导、对流、辐射 的热量，这样就使体内与体表间的温度梯度加大而使深层组织的传导热增加。 因此，寒冷季节使用的内衣应降低其冷感性。在炎热季节中，由于皮肤血管 扩张，体内与体表间几乎无温度梯度，同时环境温度已接近甚至超过体表温 度，传导、对流、辐射、散热几乎接近于零，甚至成为受热状态，此时，人 的机体以蒸发散热为主，因此，炎热季节使用的内衣应提高其冷感性，使织 物与皮肤接触时，较高温度的皮肤有冷的感觉。
第五节 织物的光泽
织物光泽是织物外观的一个重要方面，不同品种、用途的织物对 光泽的要求不同，运用织物光泽的某些规律还可以获得某些特殊外观 效应。
一、织物光泽机理 织物是一个半透明体，其内部也存在可供光线反射的平面层状结 构，因此，与纤维一样织物光泽也来自三个方面：及透射光。其中反射光表 现为织物光泽的强弱，透射光主要表现为织物的透明程度。
第三节 织物的抗熔孔性
织物局部接触火星或燃着的烟灰时，抵抗形成孔洞的程度称为抗熔 孔性。由于此类小孔往往难以修复，会使外观变劣，甚至失去使用价值， 所以，抗熔孔性已日益受到人们重视。尤其随着合成纤维服装面料的大 量使用，提高其抗熔孔性更成为消费者的迫切要求。厚一些的织物，虽 不致于在接触火星瞬间形成明显孔洞，但也会在织物表面留下熔迹，造 成外观疵点。此外，焊接工穿的工作服，抗熔孔性就成为不可缺少的安 全性要求。
比热容ppt
收 缩 率 ％
锦纶6
锦纶66
涤纶
－沸水收缩率
－热空气收缩率
- 饱和蒸汽收缩率
影响因素： 温度——T↑，热收缩率↑ 介质——水、空气、蒸汽 利弊： 利用不同的纤维收缩率，混纺可改善纱线结构。 长丝或合纤纱热收缩率不同，产生易吊经、吊纬、裙 子皱。 使用时也要注意热收缩问题。
五、纤维的热塑性和热定形
2） 纤维集合体的密度（体积质量）
λ
δK=0.03-0.06g/cm3时，纤维保暖性最好。
空气
δK
δ
0.1
0.2
保暖性主要取决于纤维中夹持的空气数量和状态。 纤维层中夹持的静止空气越多，则纤维层的绝热性越 好。一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。
3）纤维的结晶度与取向度
纤维中分子取向排列越高越多，沿纤维轴向的导热 系数越大，垂直于纤维轴向的导热系数越小，存在热 传导的各向异性。 纤维的结晶度越高有序排列的部分越多，连续性越 好，导热系数越大。
4、影响热定型效果的因素 温度 定型温度应大于玻璃化温度，低于软化点和熔点。温度 愈高，定型效果愈显著，但T不能太高，否则会使织物手 感粗糙，甚至引起纤维损伤。 时间 温度高，定型时间可短些；温度低，定型时间可长些。 张力 定张力定型、无张力定型 冷却速度 要求较快冷却，可使新结构快速固定，可获得较好手感 的织物。 定型介质 干热定形----热风处理，金属表面接触加热。 湿热定形----湿法定型，汽蒸定型，过热蒸汽定型 。
二、影响纤维比热容的主要因素
水分 纤维的比热容与纤维回潮率有关，随纤维回 潮率增加而增大。
C 0 CW W C 1W
温度
在回潮率一定时，温度增加，纤维的比热容 增大。 1、纤维大分子的取向排列导致比热容增大 2、纤维结晶形式和结晶度对比热容有影响 3、比热容对应的是分子热运动所需的能量。 分子热运动受材料的结构及分子的排列影响
锦纶6
锦纶66
涤纶
－沸水收缩率
－热空气收缩率
- 饱和蒸汽收缩率
影响因素： 温度——T↑，热收缩率↑ 介质——水、空气、蒸汽 利弊： 利用不同的纤维收缩率，混纺可改善纱线结构。 长丝或合纤纱热收缩率不同，产生易吊经、吊纬、裙 子皱。 使用时也要注意热收缩问题。
五、纤维的热塑性和热定形
2） 纤维集合体的密度（体积质量）
λ
δK=0.03-0.06g/cm3时，纤维保暖性最好。
空气
δK
δ
0.1
0.2
保暖性主要取决于纤维中夹持的空气数量和状态。 纤维层中夹持的静止空气越多，则纤维层的绝热性越 好。一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。
3）纤维的结晶度与取向度
纤维中分子取向排列越高越多，沿纤维轴向的导热 系数越大，垂直于纤维轴向的导热系数越小，存在热 传导的各向异性。 纤维的结晶度越高有序排列的部分越多，连续性越 好，导热系数越大。
4、影响热定型效果的因素 温度 定型温度应大于玻璃化温度，低于软化点和熔点。温度 愈高，定型效果愈显著，但T不能太高，否则会使织物手 感粗糙，甚至引起纤维损伤。 时间 温度高，定型时间可短些；温度低，定型时间可长些。 张力 定张力定型、无张力定型 冷却速度 要求较快冷却，可使新结构快速固定，可获得较好手感 的织物。 定型介质 干热定形----热风处理，金属表面接触加热。 湿热定形----湿法定型，汽蒸定型，过热蒸汽定型 。
二、影响纤维比热容的主要因素
水分 纤维的比热容与纤维回潮率有关，随纤维回 潮率增加而增大。
C 0 CW W C 1W
温度
在回潮率一定时，温度增加，纤维的比热容 增大。 1、纤维大分子的取向排列导致比热容增大 2、纤维结晶形式和结晶度对比热容有影响 3、比热容对应的是分子热运动所需的能量。 分子热运动受材料的结构及分子的排列影响
纺织物理第6章
导热系数矩阵：
第二节 纤维的导热性质
3. 材料热传导中的热阻 （1）单层平壁热阻
（2）对流换热边界热阻
（4）稳态传热网络热阻
（3）接触热阻
第二节 纤维的导热性质
三、导热机理与表达 1 分子导热机理 2. 电子导热机理 3. 声子导热机理
4. 光子导热机理
第二节 纤维的导热性质
四、纤维材料的热传导机理 1. 导热机制的多重性 对于纤维高聚物而言，结构复杂、具有孔隙、大多能透光，故其导热的形式 有：分子导热、电子导热、声子导热、光子导热，以声子导热为主。 2. 晶相与非晶相的导热规律 （1）非晶体的导热系数 （2）晶体的导热系数 （3）晶相与非晶相的比例
《高等纺织材料学》
杜赵群
（东华大学纺织学院） 2013年-2014年第1学期
《高等纺织材料学》
第六章 纤维的热学性质
第一节 纤维的热力学状态与性质
一、纤维的热力学状态与转变 1. 非晶态高聚物的热力学状态与转变 三态两转变： （1）玻璃态 （2）高弹态 （3）粘流态 （4）玻璃化转变区 （5）粘弹转变区
2.动态热机械分析法(DMA）的基本原理
第四节 纤维的热分析技术
3 TMA和DMA的应用 （1）玻璃化温度 （2）高聚物松弛行为
第四节 纤维的热分析技术
四、热重分析法 1. 热重法的基本原理 2. 热重法的应用 评价物质的热稳定性。
第五节 纤维的热定形
一、纤维材料定形的一般概念 是纤维材料在温度和外力作用下发生变形，并受物理、化学处理，使 其应力松弛达到稳定。 包括：暂时性（定形在随后的使用中会消失）； 半永久性（能抵御一般轻微作用的定形，但给予激烈地处理，也会消 失）； 永久性定形（通过定性纤维结构发生变化而不能复原的定形。 二、热定形的物理原理
纺织材料学：第六章 纤维的力学性质
➢ 试样长度越长，弱环出现的概率越大，纤维的强力越低
➢ 试样根数 ➢ 应变率（拉伸速度） ➢ 拉伸方式
(c/mm2)
P0 (cN/dtex) L (cN/tex)
-57
21 99 177
温度对涤纶拉伸性能的影响 回潮率一定，温度↑，纤维大分子热运动↑，大分子柔曲性 ↑，分子间结合力(次价键力)↓→纤维断裂强度↓，断裂伸 长率↑，初始模量↓，
0Sint
0Sin(t d )
d
作用
称为动态弹性模量，代表材料的弹性部分
称为动态损耗模量，代表材料中粘性流
动的响应，产生能量损耗
E″ 越大，粘弹性材料的能量损耗越大，因此称E″为动态 损耗模量，E′为贮能模量。
正切损耗
tgd
E // E/
六、线性粘弹性力学模型mechanical model
力学模型的基本单元
E
η
胡克弹簧
牛顿粘壶
d dt
（一）Maxwell模型－应力松弛
1 2
本构关系：d
dt
d1 dt
d 2 dt
1 d dt
根据应力松弛的特征：＝0＝常数 初始条件：t＝0时，＝ 0＝E·0 解微分方程得
ln t c
t
0e
t
0e
/，为 应力松弛时 间，其物理 含义是当应 力衰减为初 始应力的1/e 倍时所需的 时间，它是 代表材料粘 弹性比例的 参数，τ值越 大，材料的 弹性表现越
大小 。
2屈服点（yield point ）
在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时的转折点 称为屈服点。
超过屈服点后，纤维将产生较高比例的塑性变形
屈服点的求法
➢ 曼列狄斯(Meredith)法(Ym)、考泼伦(Coplan)
➢ 试样根数 ➢ 应变率（拉伸速度） ➢ 拉伸方式
(c/mm2)
P0 (cN/dtex) L (cN/tex)
-57
21 99 177
温度对涤纶拉伸性能的影响 回潮率一定，温度↑，纤维大分子热运动↑，大分子柔曲性 ↑，分子间结合力(次价键力)↓→纤维断裂强度↓，断裂伸 长率↑，初始模量↓，
0Sint
0Sin(t d )
d
作用
称为动态弹性模量，代表材料的弹性部分
称为动态损耗模量，代表材料中粘性流
动的响应，产生能量损耗
E″ 越大，粘弹性材料的能量损耗越大，因此称E″为动态 损耗模量，E′为贮能模量。
正切损耗
tgd
E // E/
六、线性粘弹性力学模型mechanical model
力学模型的基本单元
E
η
胡克弹簧
牛顿粘壶
d dt
（一）Maxwell模型－应力松弛
1 2
本构关系：d
dt
d1 dt
d 2 dt
1 d dt
根据应力松弛的特征：＝0＝常数 初始条件：t＝0时，＝ 0＝E·0 解微分方程得
ln t c
t
0e
t
0e
/，为 应力松弛时 间，其物理 含义是当应 力衰减为初 始应力的1/e 倍时所需的 时间，它是 代表材料粘 弹性比例的 参数，τ值越 大，材料的 弹性表现越
大小 。
2屈服点（yield point ）
在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时的转折点 称为屈服点。
超过屈服点后，纤维将产生较高比例的塑性变形
屈服点的求法
➢ 曼列狄斯(Meredith)法(Ym)、考泼伦(Coplan)
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（3）高弹态：链段的运动，改变构象以适应外力的作用。 受力时，分子链在力场作用下可从卷曲状态变到伸展状态， 外力除去，分子链又可通过单键的内旋转和链段运动回复到 原来的卷曲状态。高弹性的模量为105~107 Pa，比普弹性的 模量（1010~1011 Pa）小得多；形变可达100-1000%，比普弹 形变（0.01%~0.1%）大得多。
一、纤维的热力学状态与转变1．非晶态高聚物的热 Nhomakorabea学状态与转变
（1）玻璃态：链段处于被冻结的状态，只有那些较小的运 动单元，如侧基、支链和小链节等能够运动。
（2）玻璃化转变区：是非晶态高聚物材料对温度十分敏感 的区域。在3-5℃范围内，几乎所有性质都发生突变（如热 膨胀系数、模量、介电常数、折光指数等）。从分子运动机 理看，在此温度范围，链段开始解冻，即链段运动被激发。 此转变的温度称为玻璃化温度，通常用Tg表示。
二、纤维高聚物的玻璃化转变
2．玻璃化转变理论
对于玻璃化转变现象，至今尚无完善的理论可以作出完全符 合实验事实的正确解释。已经提出的理论有很多，但主要的 有三种：自由体积理论、热力学理论和动力学理论。
自由体积理论认为液体和固体物质，其体积由两部分组成： 一部分是被分子占据的体积，称为已占体积；另一部分是未 被分子占据的体积，称为自由体积。后者以“空穴”的形式 分散于整个物质之中。正是由于自由体积的存在，分子链才 可能通过转动和位移来调整构象。因此，玻璃化温度就是自 由体积达到某一临界值的温度。在这临界值以下，没有足够 的空间进行分子链构象的调整，因而高聚物的玻璃态又被视 为等自由体积状态。
结晶高聚物的晶区熔融后，是不是进入粘流态，要视试样的 分子量而定。如果分子量不太大，非晶区的粘流温度Tf低于 晶区的熔点Tm，则晶区熔融后，整个试样便成为粘性的流体； 如果分子量足够大，以致于Tf大于Tm，则晶区熔融后，将出 现高弹态，，如图6- 2所示。
一、纤维的热力学状态与转变
3．纤维高聚物的热力学状态与转变
一、纤维的热力学状态与转变
1．非晶态高聚物的热力学状态与转变
（4）粘弹转变区：也是一个对温度十分敏感的区域，链段 可沿作用力方向协同运动。这不仅使分子链的形态改变，而 且导致大分子链段在长范围内发生相对位移，聚合物开始出 现流动性，模量迅速下降2个数量级，形变迅速增加。此转 变温度称为粘流温度，用Tf表示。
（5）粘流态：在这种状态下，不仅链段运动的松弛时间缩 短了，而且整个分子链移动的松弛时间也缩短到实验可观察 的时间尺度。这时高聚物在外力作用下会发生粘性流动，它 是整个分子链互对滑移的宏观表现。这种流动与低分子液体 流动相似，是不可逆的变形。高聚物的分子量越高，分子间 作用力则越大，分子的相对位移也越困难。分子间有化学键 交联的高聚物，由于分子不能发生相对位移，因此无粘弹转 变区和粘流态。
一、纤维的热力学状态与转变
2．晶态高聚物的热力学状态与转变
对于晶态高聚物，宏观上无明显的玻璃化转变，其温度形变 曲线在熔点以前不出现明显的转折。
由于晶态高聚物通常为存在非晶区的两相结构，因而存在Tg。 在较少结晶的高聚物中，微晶体起着类似交联点的作用，这 种试样仍然存在明显的玻璃化转变；当结晶度足够大时，微 晶体彼此衔接，形成贯穿整个材料的连续结晶相，玻璃化转 变消失。
第一节 纤维的热力学状态与性质
本节将对纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其 相关性质作基本叙述。
纤维的 热力学性质
有关 是温度的函数
分子的结构 热运动状态 纤维的性状
GP(t,T)
影响纤维的成形加工和使用性能
第一节 纤维的热力学状态与性质
一、纤维的热力学状态与转变
1．非晶态高聚物的热力学状态与转变
对一非晶态高聚物试样施加一恒定而较小的应力，在等速升 温的环境下观察试样形变与温度的关系，可得图6- 1中所示 的曲线。通常称为温度-形变曲线或热机械曲线。
根据试样的力学性质随温度变化的特征，可以把非晶态高聚 物按温度区域的不同，划为三种力学状态：玻璃态、高弹态 和粘流态。并相应地形成两个转变区：玻璃化转变区和粘弹 转变区。三种力学状态及两种转变区的特征是非晶态高聚物 内部分子处于不同运动状态的宏观表现。
1．玻璃化温度的测量
（1）体积变化测量：体积或比容随温度变化如图6-3所示。
（2）热学性质变化测量：热容变化（DTA）和（DSC）。
（3）力学性质变化测量：力学损耗—温度曲线（图6- 4）。
（4）电磁性质变化测量：介电损耗—温度谱。
必须指出，不同性质的改变所测出的玻璃化温度常不相同。纤维 的玻璃化温度见表6- 2。表中括号内的值为不同试验结果的报道， 玻璃化温度Tg约为熔融温度Tm的1/2 (以绝对温度计)。
就纤维高聚物而言，其力学性质随温度变化改变的规律，有 两种类型：
（1）热塑性纤维：大多数热塑性纤维，如各种合成纤维和 醋酯纤维等，其内部有结晶部分，但结晶并不完整，存在很 大的非晶态区域。这类纤维在受热以后，随着温度的提高， 将相继出现玻璃态、高弹态、粘流态三种物理状态，其热力 学行为与晶态高聚物相类似。
（2）非热塑性纤维：如天然和再生纤维素纤维和天然蛋白 质纤维，在受热以后，随着温度的提高，将不出现某些物理 状态的变化过程，有的的熔点高于分解点，在高温作用下， 不熔融而分解。
二、纤维高聚物的玻璃化转变
纤维高聚物在玻璃化温度时，很多性质都发生非连续性的或 转折性的变化。特别是力学性能，初始模量改变3~4个数量 级，使坚硬材料，突变为柔软弹性体，完全改变了材料的使 用性能。因此，玻璃化转变是纤维高聚物的一个非常重要的 性质，研究玻璃化转变具有重要的理论和实际意义。
章纤维的热学性质
主要问题： 纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性
质 纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态结构及形态
第六章 纤维的热学性质
涉及章节与重点：
§1. 纤维的热力学状态与性质 （热力学状态与转变；Tg与机理；其他转变形式与机理） §2. 纤维的热物性质 （基本概念；热传导机理、参数与方程；纤维导热机理） §3. 纤维的燃烧性质 （纤维燃烧性；燃烧机理与过程及其表征；因素与阻燃） §4. 纤维的热分析技术 （基本方法；典型应用方法） §5. 纤维的热定形 （纤维定形概念；基本原理与机制；纤维定形方法）
一、纤维的热力学状态与转变1．非晶态高聚物的热 Nhomakorabea学状态与转变
（1）玻璃态：链段处于被冻结的状态，只有那些较小的运 动单元，如侧基、支链和小链节等能够运动。
（2）玻璃化转变区：是非晶态高聚物材料对温度十分敏感 的区域。在3-5℃范围内，几乎所有性质都发生突变（如热 膨胀系数、模量、介电常数、折光指数等）。从分子运动机 理看，在此温度范围，链段开始解冻，即链段运动被激发。 此转变的温度称为玻璃化温度，通常用Tg表示。
二、纤维高聚物的玻璃化转变
2．玻璃化转变理论
对于玻璃化转变现象，至今尚无完善的理论可以作出完全符 合实验事实的正确解释。已经提出的理论有很多，但主要的 有三种：自由体积理论、热力学理论和动力学理论。
自由体积理论认为液体和固体物质，其体积由两部分组成： 一部分是被分子占据的体积，称为已占体积；另一部分是未 被分子占据的体积，称为自由体积。后者以“空穴”的形式 分散于整个物质之中。正是由于自由体积的存在，分子链才 可能通过转动和位移来调整构象。因此，玻璃化温度就是自 由体积达到某一临界值的温度。在这临界值以下，没有足够 的空间进行分子链构象的调整，因而高聚物的玻璃态又被视 为等自由体积状态。
结晶高聚物的晶区熔融后，是不是进入粘流态，要视试样的 分子量而定。如果分子量不太大，非晶区的粘流温度Tf低于 晶区的熔点Tm，则晶区熔融后，整个试样便成为粘性的流体； 如果分子量足够大，以致于Tf大于Tm，则晶区熔融后，将出 现高弹态，，如图6- 2所示。
一、纤维的热力学状态与转变
3．纤维高聚物的热力学状态与转变
一、纤维的热力学状态与转变
1．非晶态高聚物的热力学状态与转变
（4）粘弹转变区：也是一个对温度十分敏感的区域，链段 可沿作用力方向协同运动。这不仅使分子链的形态改变，而 且导致大分子链段在长范围内发生相对位移，聚合物开始出 现流动性，模量迅速下降2个数量级，形变迅速增加。此转 变温度称为粘流温度，用Tf表示。
（5）粘流态：在这种状态下，不仅链段运动的松弛时间缩 短了，而且整个分子链移动的松弛时间也缩短到实验可观察 的时间尺度。这时高聚物在外力作用下会发生粘性流动，它 是整个分子链互对滑移的宏观表现。这种流动与低分子液体 流动相似，是不可逆的变形。高聚物的分子量越高，分子间 作用力则越大，分子的相对位移也越困难。分子间有化学键 交联的高聚物，由于分子不能发生相对位移，因此无粘弹转 变区和粘流态。
一、纤维的热力学状态与转变
2．晶态高聚物的热力学状态与转变
对于晶态高聚物，宏观上无明显的玻璃化转变，其温度形变 曲线在熔点以前不出现明显的转折。
由于晶态高聚物通常为存在非晶区的两相结构，因而存在Tg。 在较少结晶的高聚物中，微晶体起着类似交联点的作用，这 种试样仍然存在明显的玻璃化转变；当结晶度足够大时，微 晶体彼此衔接，形成贯穿整个材料的连续结晶相，玻璃化转 变消失。
第一节 纤维的热力学状态与性质
本节将对纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其 相关性质作基本叙述。
纤维的 热力学性质
有关 是温度的函数
分子的结构 热运动状态 纤维的性状
GP(t,T)
影响纤维的成形加工和使用性能
第一节 纤维的热力学状态与性质
一、纤维的热力学状态与转变
1．非晶态高聚物的热力学状态与转变
对一非晶态高聚物试样施加一恒定而较小的应力，在等速升 温的环境下观察试样形变与温度的关系，可得图6- 1中所示 的曲线。通常称为温度-形变曲线或热机械曲线。
根据试样的力学性质随温度变化的特征，可以把非晶态高聚 物按温度区域的不同，划为三种力学状态：玻璃态、高弹态 和粘流态。并相应地形成两个转变区：玻璃化转变区和粘弹 转变区。三种力学状态及两种转变区的特征是非晶态高聚物 内部分子处于不同运动状态的宏观表现。
1．玻璃化温度的测量
（1）体积变化测量：体积或比容随温度变化如图6-3所示。
（2）热学性质变化测量：热容变化（DTA）和（DSC）。
（3）力学性质变化测量：力学损耗—温度曲线（图6- 4）。
（4）电磁性质变化测量：介电损耗—温度谱。
必须指出，不同性质的改变所测出的玻璃化温度常不相同。纤维 的玻璃化温度见表6- 2。表中括号内的值为不同试验结果的报道， 玻璃化温度Tg约为熔融温度Tm的1/2 (以绝对温度计)。
就纤维高聚物而言，其力学性质随温度变化改变的规律，有 两种类型：
（1）热塑性纤维：大多数热塑性纤维，如各种合成纤维和 醋酯纤维等，其内部有结晶部分，但结晶并不完整，存在很 大的非晶态区域。这类纤维在受热以后，随着温度的提高， 将相继出现玻璃态、高弹态、粘流态三种物理状态，其热力 学行为与晶态高聚物相类似。
（2）非热塑性纤维：如天然和再生纤维素纤维和天然蛋白 质纤维，在受热以后，随着温度的提高，将不出现某些物理 状态的变化过程，有的的熔点高于分解点，在高温作用下， 不熔融而分解。
二、纤维高聚物的玻璃化转变
纤维高聚物在玻璃化温度时，很多性质都发生非连续性的或 转折性的变化。特别是力学性能，初始模量改变3~4个数量 级，使坚硬材料，突变为柔软弹性体，完全改变了材料的使 用性能。因此，玻璃化转变是纤维高聚物的一个非常重要的 性质，研究玻璃化转变具有重要的理论和实际意义。
章纤维的热学性质
主要问题： 纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性
质 纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态结构及形态
第六章 纤维的热学性质
涉及章节与重点：
§1. 纤维的热力学状态与性质 （热力学状态与转变；Tg与机理；其他转变形式与机理） §2. 纤维的热物性质 （基本概念；热传导机理、参数与方程；纤维导热机理） §3. 纤维的燃烧性质 （纤维燃烧性；燃烧机理与过程及其表征；因素与阻燃） §4. 纤维的热分析技术 （基本方法；典型应用方法） §5. 纤维的热定形 （纤维定形概念；基本原理与机制；纤维定形方法）