03-第2章 纤维的结构特征
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。
纤维的结构特征
第二章纤维的结构特征纤维的结构是复杂的，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。
第一节纤维基本结构的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。
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。
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，以及存在于纤维中的各种裂隙与空洞等。
2. 纤维的原纤结构(1)原纤结构特征纤维中的原纤(fibril)是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。
严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构。
原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。
纤维的原纤按其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。
(2) 各层次原纤的特征基原纤(proto-fibril或elementary fibril)是原纤中最小、最基本的结构单元，亦称晶须，无缺陷。
微原纤(micro-fibril)是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，亦称微晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。
大分子基原纤微原纤图2-1 微原纤的堆砌形式示意图原纤(fibril)是一个统称，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。
巨原纤(macro-fibril)是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。
细胞(cell)是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。
二、纤维的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、以及通过某些分子间共混方法形成的“织态结构”等。
1. 纤维的结晶结构将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，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。
对于纤维聚集态的形式，上世纪40年代出现了“两相结构”的模型。
（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
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。
第2章 纤维结构特征
第一节 纤维结构的概念 第二节 纺织纤维大分子结构 第三节 纺织纤维超分子结构 第四节 典型纤维的结构与特征
第一节 纤维结构的概念
1、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。
第三节 纺织纤维的超分子结构（聚集态结构）
1、纺织纤维中大分子间的结合力。图
范德华力：分子引力
氢键： 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）
盐式键：在部分大分子侧基上，某些成对基团之间接近时， 产生能级跃迁的原子转移，从而基团间形成相互结 合的化学键。
大分子的构型有线型、枝型、网型三种。 纺织纤维的大分子大多属于线型构造。
三、大分子键的内旋转、构象和大分子的柔曲性
键的内旋转——大分子链中的单键能绕着它相邻的键按一 定键角旋转，称为键的内旋转。 构象—— 分子链由于围绕单键内旋转而产生的原子在空间
的不同排列形式。
大分子的柔曲性 长链大分子在一定条件下发生内旋转的难易 程度称为大分子的柔曲性。
• 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。
四、链原子的类型与排列
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。
例：乙纶、丙纶、腈纶等 • 可塑性比较好，容易成型加工，原料比较简
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。
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。
纤维的分子结构和化学性质(精)
第一节纤维的分子结构和化学性质成纤高分子：1）线性、长链的分子结构，即使有侧基或支链，也比较短、小。
2）以碳原子为主链的构成元素，因此大多数纤维高分子是有机高分子，即有机纤维。
3）分子链有一定长度，分子间可以达到高的相互作用而有强度。
染整关注：纤维高分子与水有无结合基团、与染料分子有无作用点、与整理剂等有无结合点，是共价键结合、离子键结合、氢键结合还是范得华作用力结合。
例如：棉纤维麻纤维聚乙烯纤维聚丙烯纤维：分子结构差异大，左者所用染料和整理剂右者就无法使用。
一、纤维分类二、纤维素纤维的分子结构和化学性质纤维素分子结构式结构特点：1) 环上三个—OH，反应活性点2) 环间—O—，酸分解之，碱稳3) 链端：有一隐-CHO，M低还原性4) 链刚性，H-键多，强度高5）聚合度（二）纤维素分子化学性质1、与酸作用酸促使苷键水解:(反应式)酸作用情况酸使纤维素纤维织物初始手感变硬,然后强度严重下降。
纤维结构、酸的种类、作用时间、温度、纤维结构影响水解反应速率。
生产上应用：含氯漂白剂漂白后，稀酸处理，起进一步漂白作用；中和过剩碱；烂花、蝉翼等新颖印花处理。
用酸注意：稀酸、低温、洗净，避免带酸干燥。
2、与氧化剂作用纤维素氧化后分子断裂，基团氧化变化，织物强度损伤。
纤维素分子对不同氧化剂作用有不同的敏感程度。
强氧化剂完全分解纤维素。
中、低强度氧化剂在一定条件下氧化分解纤维素能力弱，可用来漂白织物。
注意：空气中O2在强碱、高温条件易氧化、脆损纤维素织物，应避免。
氧化反应：Cell-OH + [O] Cell-CHO, Cell-C=O, Cell-COOH氧化纤维素：还原型— -CHO，=C=O，潜在损伤酸型— -COOH注：纤维素分子对还原剂稳定。
常温稀碱中稳定，浓碱溶胀，高温稀碱有氧气易氧化、断裂苷键，强力下降。
浓碱溶胀：各向异性、不可逆。
径向溶胀大，纵向小反应:(酸性)纤维素分子与碱拟醇钠反应C2H5OH + NaOH=C2H5ONa + H2OCell-OH + NaOH=Cell-ONa+ H2O ;orCell-OH﹡NaOH反应可逆，水洗除碱，恢复纤维素分子，但纤维素纤维高层次结构被变化、不可逆---是棉织物丝光、碱缩处理理论根据。
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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
“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 。
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
亚麻纤维纵横向照片
基原纤、微原纤、原纤结构尺寸与棉纤维接近，但螺旋角较小， 因而取向度，强度比棉纤维高
羊毛纤维的结构特征
1、羊毛纤维的组成 基本组成是α氨基酸螺 旋大分子，最为特殊的 是胱氨酸，即在羊毛角 朊大分子间形成二硫键 的氨基酸。
角蛋白大分子的构成及分子间作用
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；
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。 一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有一定的分布。 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。
3、聚合度与力学性质的关系
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。
（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 ）
（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
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。
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
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
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
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)
构象与构型的根本区别在于，构象通过单键内旋转可以改变， 而构型无法通过内旋转改变。
分子的 构象
分子间的 排列
纤维大分子的典型构象示意图
蛋白质的两种二次结构（构象）
3、柔曲性
2、取向度（orientation degree）
（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。
2、羊毛纤维的组织结构
鳞片：角质化细胞，细羊毛的鳞片约60～80个/mm，粗羊 毛约40～50/mm 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， 长度约为10 ~ 20μm。 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
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。 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
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nternal
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 β l 转动锥角 键角 链段长 l β
1、结晶 （1）结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。 ①结晶区：纤维大分子有规律地整齐排列的区域。 晶区（crystalline zone ）特点： a. 大分子链段排列规整； b. 结构紧密，缝隙，孔洞较少； c. 相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和。 ②结晶度：纤维内部结晶区占整个纤维的百分率 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。
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
纤维结构特征的测量
几种粘胶纤维的典型结构
粘胶纤维中微原纤、原纤尺寸大体与棉接近，但排列不及棉纤维中整齐， 取向度低，非晶区多，缝隙孔洞大。 普通粘胶纤维为皮芯结构，皮层大分子取向度较高，结晶区颗粒小，结 晶度低，结构均匀，上色慢；芯层大分子取向度较低，结晶区颗粒较大， 结晶度较高，上色快。
（1）定义：指纤维大分子在一定条件下，通过内旋转或 振动而形成各种形状的难易程度的特性。
（2）纤维大分子结构与柔曲性的关系：
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↑
副（偏）皮质：基原纤→微原纤→细胞核残留物→细胞
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
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
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
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°
（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。 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。
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。
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 ）
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
巨原纤(macro-fibril)：由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构 体。横向尺寸一般约为0.1～0.6μ m 细胞(cell)：由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，有明显的细 胞边界。
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
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
形态结构（morphological structure ）：表观形态 （纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等 ）、表面 结构、微细结构（原纤结构与排列 ）。
一、纤维的形态结构—微细结构，原纤结构
微细结构：纤维内部的有序区(结晶或取向排列区)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，及细胞构成与结合方式。 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