第二章 纤维的结构特征
纺织材料学 2 纺织纤维的形态及基本性质
第一节 纤维的细度 第四节 纤维的卷曲与转曲 第二节 纤维的截面形状 第五节 纤维的吸湿性 第三节 纤维的长度 第六节 纤维的拉伸强度
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第二章 纺织纤维的形态及基本性质
纤维形态结构可以分为纤维表明形态结构和纤维内 部形态结构。表面形态结构是基于宏观尺度的研究， 而内部形态结构是基于分子或原子尺度的微观研究。 本章主要介绍纤维表面形态结构。
维粗细程度。分直接指标和间接指标。 一、纤维的细度指标 （一）直接指标 当纤维的几面接近圆形时，纤维的细度可以用直
径、截面积和周长等指标表示。通过光学显微镜 或电子显微镜观测直径d和截面积A，常用于羊毛 及其他动物毛，圆形化学纤维的细度表达。 截面积计算可近似采用下式。
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第一节 纤维的细度பைடு நூலகம்
四、纤维细度对纤维、纱线及织物的影响
纤维细度及其离散程度不仅与纤维强度、伸长度、刚性、弹性和形变 的均一性有管，而且极大的影响织物的手感、风格以及纱线和织物 的加工过程
（一）对纤维本身的影响
纤维的粗细将以你轩昂纤维的比表面积，进而影响纤维的吸附及染色 性能，纤维越细，其比表面积越大，纤维的染色性也会提高，纤维 间的细度不匀会导致纤维力学性质的差异，最终导致纤维集合体的 不匀，此外，纤维内的细度差异，会直接导致纤维的力学弱节，不 但影响外观和品质，最终影响产品的使用。
合成革（特细） ＜0.11
＜ 0.4
透气、防水、细密、麂皮特征
极细纤维
0.0001-0.1 0.09-0.12 吸附、超滤
纳米纤维
10-8-10-4
0.001-0.1 特殊功能
纺织材料学 第二章 纤维的结构特征
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1)聚合度与力学性质的关系：
n→n临，纤维开始具有强力； n↑，纤维强力↑（∵n↑；大分子间的结合
键↑结合能量变大）； 但n增加至一定程度，强力趋于不变。 n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿
强度也低些，脆性明显些。
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聚合度与力学性质的关系
强 度
P
no
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即聚合物的相对分子质量具有多分散性，每个聚合物试 样都有其相对分子质量分布，其相对分子质量只具有统 计平均的意义。
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高分子链的形态
高分子链的形态有微构象与宏构象之分：
微构象：指高分子主链键构象 宏构象：指整个高分子链的形态
构象：由于高分子链上的化学键的不同取向引 起的结构单元在空间的不同排布。
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（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。
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二、纤维的聚集态结构(超分子结构，分子 间结构）
的化学键
是化学键中作用力较弱 的一种，能量30～50千
卡/克分子
少数纤维的大分子之间存在这桥式 侧基。化学键主要包括共价键、离 子键和金属键
能量50～200千卡/克分
子
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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
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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。
纤维化学与物理
第一章纤维素纤维1、画出棉纤维的横向形态结构图，并标示出其各部分的名称，以及各部分的物质组成，描述纵向结构横向形态结构初生胞壁：主体是纤维素，但含较多杂质。
次生胞壁：主要是纤维素。
胞腔：原生质残渣（沉积在纤维内壁上），蛋白质，矿物盐，色素。
棉纤维的纵向形态：扁平带状，有天然扭曲，6-10捻/毫米，纤维越细，捻数越多2、麻纤维形态结构的主要特征是什么？横向：椭圆形或多角形，内有胞腔；纵向：有竖纹或横节（麻节）。
3、写出纤维素的分子结构式，指出其分子结构特征分子结构特征：1.由卩-d-葡萄糖剩基通过1,4-甙键连接而成，含大量甙键（缩醛性质）。
2.相邻葡萄糖环倒置，在纤维素大分子上对称分布，形成晶格；无定形区可以有阶梯式。
3.重复单元数不等于聚合度（以倒置式代表纤维素的结构式）DP=n,重复单元数=（n-2）/2。
4.含有大量羟基，可发生醇类的反应。
分子间可形成氢键。
仲羟基伯羟基甙羟基（潜在醛基）左端31中间21右端2114、比较棉、丝光棉、麻、普通粘较纤维的聚集态结构（包括无定形部分、结晶度、取向度、适用的聚集态结构模型）棉、麻：可用缨状原纤维模型。
它们的无定形区是由原纤之间由一些大分子联结起来形成的。
普通粘胶纤维：适用缨状微胞模型，无定形区的大分子链无规卷曲且相互缠绕，结晶区和非结晶区不能截然分开，同一根分子链可能穿过晶区和非晶区。
麻纤维：聚合度高，结晶度高，取向度高。
棉纤维：聚合度高，结晶度高，取向度较高。
粘胶纤维：聚合度低，结晶度低，取向度低。
丝光棉比普通棉取向度大，结晶度小。
5、画出棉、麻、普通粘较纤维的S-S曲线，比较棉、麻、粘胶的S-S曲线的差异（模量、断裂强度、断裂延伸度、屈服点等）并从结构的角度进行解释。
粘胶低高有低软弱虽棉中中无中硬强麻高低无高硬脆强度： 延伸度：屈服点：初杨氏模量评价：从结构来分析：①一般取向度越高，结晶度越高，强度越高，模量越大，断裂延伸度越小。
②断裂肌理不同：棉麻（天然纤维素纤维）断裂肌理：由于大分子排列的不整齐性，纤维上存在薄弱环节，当纤维受力时，会在此处首先断裂，这是共价键先断裂。
第2章 纤维的结构特征
（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。
一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有一定的分布。
3、聚合度与力学性质的关系
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。
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）、纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性
“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 。
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
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0.1～0.6μm
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。
名称 范德华力 定向力
诱导力 色散力 氢键
盐式键 化学键
产生原因
特点
产生于极性分子间，是由它们的永久偶 作用能量3～5千
桑蚕丝纤维纵横向照片 柞蚕丝纤维纵横向照片
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
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
纺织材料学第二章(07)
纺织材料学第二章(07)
• (2) 复合与超细 • 复合纤维的常见结构如图2-28所示，主要
为双组份的，但也可以是多组份的，此时 结构将变得复杂。
纺织材料学第二章(07)
• 对环芯多层结构的夹 层大量掺入碳黑，并 在纤维主体中，并在 纤维主体中也掺入碳 黑，制成耐久性抗静 电、导电纤维。
纺织材料学第二章(07)
• 超细纤维
纺织材料学第二章(07)
• (3) 弹性结构 • 弹性结构的获得主要是通过纤维的分子结
构聚集态结构获得，分子结构中最为主要 的是分子链的柔性和构象。
纺织材料学第二章(07)
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/30
纺织材料学第二章(07)
纺织材料学第二章(07)
• 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 . • 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。
纺织材料学第二章(07)
结晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态。
纺织材料学第二章(07)
常用纤维的单基
• 纤维素纤维：-葡萄糖剩基 • 蛋白质纤维：-氨基酸剩基 • 涤纶：对苯二甲酸乙二酯 • 锦纶：己内酰胺 • 丙纶：丙烯 • 腈纶：丙烯腈
纺织材料学第二章(07)
• 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。
为基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞。
纺织材料学第二章(07)
纺织材料学课件第二章_植物纤维(棉)
（3） 截面结构 棉纤维的截面由外至内主要由表皮层、初生
层、次生层和中腔四个部分组成。
棉纤维结构示意图
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表皮层：影响表面性质
（1）棉蜡、果胶和脂肪组成。
（2）具有防水和润滑作用，使棉 纤维具有良好的适宜于纺纱的表 面性能，但棉腊会影响染整加工， 应在染整加工前将其去除。
初生层：约束和保护作用
（3）转曲期：棉纤维干涸后，胞壁产生扭转， 形成不规则的螺旋形，称为天然转曲。
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“天然转曲”的成因：纤维素以螺旋状原纤形 态一层一层沉积，螺旋方向有左也有右，在纤维 的长度方向反复改变，当纤维干涸后，胞壁产生 扭转，形成“天然转曲”。
天然转曲使棉纤维具有一定的抱合力，有利 于纺纱工艺的进行和成纱质量的提高。
称。（有时亦做为棉植物、棉植物开的花的名称） 剥桃棉——从非自然开裂的棉铃中剥取的棉花。
5
（一）棉纤维的分类
1.按品种分类
（1） 细绒棉（陆地棉）：原产于美洲大陆。种植量占98% 以上，产量高。长度：23-32mm；细度：0.14-0.22tex；强 度：2.94-4.4cN/根。(1N=100cN) 纺厂主要原料 （2） 长绒棉（海岛棉）：原产于美洲西印度群岛，又细又 长又结实的棉花，我国新疆盛产长绒棉。长度：33-75mm； 细度：0.09-0.14tex；强度：3.9-4.9cN/根。高档棉产品原料。 （3）粗绒棉（亚洲棉）：原产于印度，纤维粗短只能纺粗 特纱，产量低，纺织价值低，已趋淘汰。长度：15-24mm； 细度：0.25-0.4tex；强度：4.4-6.9cN/根。 （4）草棉（非洲棉）：纤维粗短，停止种植。
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（4）氧化剂的作用：氧化剂会使纤维素发生降解 破坏，特别在碱性条件下更严重。（需注意氧化性 漂白的条件） （5）微生物的作用：不耐霉菌，霉变后强力下降。 （6）染色性：染色性好，可用多种染料进行染色。
纺织材料学 (于伟东-中国纺织出版社) 纤维
1.纤维：指长宽比在103数量级以上，粗细为几微米到上百微米的柔软细长体，有连续长丝和短纤维之分。
2.纺织纤维分类：天然纤维和化学纤维天然纤维：由自然界直接取得的纤维（植物纤维，动物纤维，矿物纤维）化学纤维：用天然的或合成的高聚物以及无机物为原料，经过人工加工制成的纤维状物体，通称为化学纤维（再生纤维：黏胶纤维合成纤维）棉纤维3.棉纤维生长分为三期：伸长期，、加厚期，转曲期横截面：腰圆形，有空腔纵向：呈不规则的沿长度方向不断改变的螺旋形转曲。
成熟度：纤维胞壁的加厚程度，用成熟度系数M表示4.棉纤维的主要组成物质及化学性质纤维素占93-95（%）化学结构式：（C6H10O5）n，n=6000~11000化学性质：耐碱不耐酸二、棉纤维的分类一）按棉花种类分长绒棉（海岛棉）：长度：33~45mm，细度小于1.43 dtex细绒棉（陆地棉）：长度：23~33mm，细度1.43~2.22 dtex粗绒棉：纤维粗短，品质较差。
（二）按棉花初加工分：1、锯齿棉：采用锯齿轧棉机轧得的原棉。
特点：含杂、含短绒少2、皮辊棉：采用皮辊轧棉机轧得的原棉。
特点：含杂、含短绒多；麻纤维纤维分类：苎麻、亚麻、大麻、黄麻、二、纤维形态纵向形态：纵向平直，有竖纹横节。
横向截面：苎麻：扁圆形，有中腔，胞壁上辐射状条纹。
亚麻：多角形。
主要组成物质纤维素耐碱不耐酸三、性能：吸湿性很好（W K=12-13%）；强度高（是棉的两倍），湿强大于干强毛纤维一、1.羊毛的形态结构：同质毛：导向毛细，与簇生毛细度、长度差异小。
质量好。
异质毛：导向毛与簇生毛细度、长度差异大，质量差。
截面形态：由表皮层、皮质层和髓质层组成。
纵向形态：表面覆盖有鳞片层2.羊毛的性质羊毛纤维大分子由20多种氨基酸组成，分子结构中以—CONH---基团为主价键。
羊毛化学性质：耐酸不耐碱羊毛的特有性质：摩擦性能和缩绒性缩绒性：当羊毛在热湿条件及化学试剂作用下，经外力揉搓，挤压，纤维发生相互间滑移，纠缠，咬合，使织物收缩形成紧密的毡片，这种现象称为缩绒。
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。
第二章再生纤维素纤维
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2、纤维素的分类
根据纤维素在特定条件下在17.5%NaOH溶液中溶解毒的 不同分为：α-纤维素和半纤维素 α-纤维素：植物纤维素在特定的条件下不溶于20℃，用 17.5%NaOH溶液那部分纤维素； 聚合度＞200
半纤维素：浆粕在20℃，用17.5%NaOH溶液处理45min， 溶解的那部分纤维素。 其中溶解部分中用醋酸中和又重新 沉淀分离出来的那部分称β纤维素：聚合度140～200；不能 沉淀出来的称γ纤维素：聚合度10~140）
３．浆粕的混合：
目的：减少或消除各批浆粕间品质的差异 原则：混粕批数：6～16个批号；批数越多→混粕均匀性↑→粘胶质量稳定
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（二）碱纤维素的制备
浆粕在18%左右的烧碱溶液中，纤 维素与烧碱作用，生成碱纤维素；同 时浆粕膨胀，使浆粕中的半纤维素和 其它杂质溶出，这个过程称为浸渍， 又称碱化。
除非纤维素杂质 和提高浆粕的反 应能力
提高纯度和 反应性能
提高白度和 反应能力
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生产车间
棉浆粕
浆粕包装车间
产品检验
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2、浆粕的质量要求
（1）纯度高 α-纤维素↑→制得纤维质量↑ →浆粕生产成本↑ 长丝浆：α-纤维素＞95.5%（棉浆）；90%（木浆）
短纤浆：α-纤维素＞92%（棉浆）；88%（木浆）
羟基发生反应，生成不同的纤维素衍生物。
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酸对纤维素的作用： 甙键具有缩醛键的性质→酸→水解作用→甙键发生断裂→ 聚合度↓ 氧化剂对纤维素的作用： 纤维素是多羟基化合物→氧化剂→分子链断裂→聚合度↓ ——伯羟基（-CH2OH）氧化成醛基（CHO），并可继续 氧化成羧基。 ——链末端环节中的还原性基团氧化成羧基。 ——葡萄糖酐环节中C（2）和C（3）上羟基氧化成醛基， 并可继续氧化成羧基 ——C（2）和C（3）上的羟基在环不破裂下氧化成一个 酮基或二个酮基。 28
纺织材料学(于伟东-中国纺织出版社)课后答案
纺织材料学(于伟东-中国纺织出版社)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。
第二章 天然纤维素纤维
天然纤维素纤维1 原棉2 麻纤维内容提要：天然纤维素纤维（棉、麻）的分类；形态结构特征；主要性能的概念、指标，检验方法。
重点难点：重点的形态结构和指标。
指标体系及表述是难点。
解决方法：建立清晰的概念，讲课速度放慢一些，对在后面章节还会出现的长度、细度、强度等的概念和指标可采用螺旋上升的方法教学。
成熟度要讲透。
——天然生成，以纤维素为主要组织物质的纤维。
——也叫植物纤维，本章主要介绍棉、麻两大类。
第一节原棉原棉——供纺织厂作纺纱原料等用的皮棉。
皮棉——籽棉经轧棉机加工，除去棉籽所得的纤维。
籽棉——从棉铃中拾取的带籽的棉瓣。
衣分（率）——皮棉重量占籽棉重量的百分率。
剥桃棉——从非自然开裂的棉铃中剥取的棉花。
棉花——棉植物种子上的纤维，籽棉和皮棉的统称。
（有时亦做为棉植物，棉植物开的花的名称）一、原棉的种类棉花在植物学上为：被子植物门，双子叶植物纲，锦葵目，锦葵科，棉属。
棉属植物很多，但在纺织上有经济价值的裁培种目前只有四种。
是一年生草本植物，多年生木本植物的木棉，目前主要用作纺织填料，救生圈、衣类的浮力材料。
（一）按棉花的品种分1、亚洲棉（亦叫中棉）：是中国利用较早的天然纤维之一，已有2000多年，因纤维粗而短，又称粗绒棉，为一年生草本植物。
种植面积很少，基本作为种子源保留。
2、非洲棉（草棉）：也是粗绒棉，主体长度16~25mm，平均宽度20~25mm，细度0.25~0.4tex。
3、陆地棉：纤维长而细，又称细绒棉，它产量较高，纤维长，品质好，是世界上的主要裁培种，我国的种植量占棉田总面积的95%。
主体长度23~33mm，平均宽度18~20μm，细度0.15~0.2tex。
4、海岛棉：纤维特别细长，又称长绒棉。
是棉纤维中品质最好的，可纺很细的纱，生产高档织物或特种工业用纱。
为世界次要裁培种，主体长度30~60mm，平均宽度14~17μm，细度0.12~0.14tex。
（二）按棉花的初步加工分1、皮辊棉：用皮辊式轧棉机加工的皮棉。
第二章 纤维的结构特征
常用纤维的单基
纤维素纤维： 葡萄糖剩基 纤维素纤维：β-葡萄糖剩基 蛋白质纤维： 氨基酸剩基 蛋白质纤维：α-氨基酸剩基 涤纶： 涤纶：对苯二甲酸乙二酯 锦纶： 锦纶：己内酰胺 丙纶： 丙纶：丙烯 腈纶： 腈纶：丙烯腈
单基的化学结构、 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、 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、 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。 强弱对纤维的性质影响很大。
化 —— 度
的 ——
P no
聚合度 n
纤维大分子链的支化、 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： 的不同，可以分为三种构造形式： 线型linear 线型linear 枝型branched 枝型branched 网型network(crosslinked) 网型network(crosslinked)
聚合度与力学性质的关系
强 度
制
n→n临，纤维开始 具有强力； 具有强力； n↑，纤维强力↑ n↑， 纤维强力↑ n↑； （∵n↑；大分子间 的结合键↑ 的结合键↑结合能 量变大）； 量变大）； 增加至一定程度， 但n增加至一定程度， 强力趋于不变。 强力趋于不变。 低时，一般来说， n低时，一般来说， 纤维的强度低些， 纤维的强度低些， 湿强度也低些， 湿强度也低些，脆 性明显些。 性明显些。
取向和无序排列的缨状微胞结构
3. 纤维的取向结构
取向度:大分子排列方向与纤维轴向符合的 取向度 程度.（指大分子或链段等各种不同结构单 指大分子或链段等各种不同结构单 元包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。 元包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。 ） 纤维的取向结构使纤维许多性能产生各向 异性。 取向度与纤维性能间的关系： 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.
新型纤维材料-纤维性能基本知识
SV SL LV
2．铺展速度VS
当液体与固体接触时，即使无外力作用，但在表 面吸附功对液体的内聚能的作用下，满足前述铺展 压时，就会产生气、液、固三相交界线的快速移动， 如用一运动长丝束观察这种浸润的过程，就可发现 其中的不同，如图所示。
WSL＝ LV ＋ SV － SL
WLL＝2 LVBiblioteka ；或WSS＝2 SV三．纤维的铺展浸润
当接触角为零时的浸润，为非平衡态的浸润， 此时的Young-Dupré方 程描述的浸润现象已不存 在。 而在时，液体在固体表面仍以某种速度扩散铺 展开来。而整个铺展过程，将是液体表面积的迅速 增大，即克服液体内聚能的过程，因此铺展的必要 条件是式：WSL WLL恒成立。 铺展浸润的特征是液滴在固体表面上的展开成 膜，原有的固－气界面消失，而留下固－液界面和 气－液界面。 基于铺展浸润的特点和必要条件，可以引出一 些参数来表征纤维的铺展浸润性。
o < v < vs 气体
A+ A+
v = vs
v > vs 长丝
长丝
气体
气体
长丝
A
A
液体
液体
A-
A-
液体
四．纤维集合体的浸润
单纤维的浸润性已经明确，纤维集合体的浸润性在理论上 应取决于单纤维的浸润性和纤维集合体的结构尺寸。通常在单 纤维状态下的平衡态浸润，在纤维集合体状态下就会发生变化， 产生毛细吸水的现象，或称芯吸。 芯吸作用除了单纤维的浸润作用外，还有孔隙形状因子的影响。 假如纤维和液体都固定，而只是孔隙尺寸的变化，芯吸的程度 就不同。典型的毛细管压力p方程为： 2 LV cos
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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
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。 (n=int(M/m)) 注:大分子的分子量＝单基的分子量×聚合 度 n低时，一般来说，纤维的强度低些，湿强度 也低些，脆性明显些。
常用纤维的n：
棉麻的聚合度很高 ，成千→上万； 羊毛 n＝576； 蚕丝 n＝400 再生纤维素纤维 300-600 涤纶 130 晴纶 1000－1500 维纶 n＝1700 丙纶 n＝310-430 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。
大分子 基原纤 微原纤
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。
第二节 典型纤维的结构与特征
（5）非晶区：纤维大分子无规律地乱排列的区域。
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。
晶区特点
1)大分子链段排列规整 2)结构紧密，缝隙，孔洞较少 3)相互间结合力强，互相接近的 基团结合力饱和
石英晶体
非晶区特点：
1)大分子链段排列混乱，无规律； 2)结构松散，有较多的缝隙，孔洞； 3)相互间结合力小，互相接近的基团 结合力没饱和。
2. 纤维的非晶结构
纤维大分子高聚物呈不规则聚集排列的区 域称为非晶区，或无定形区。
取向和无序排列的缨状微胞结构
3. 纤维的取向结构
取向度:大分子排列方向与纤维轴向符合的 程度.（指大分子或链段等各种不同结构单 元包括微晶体沿纤维轴规则排列程度。 ） 纤维的取向结构使纤维许多性能产生各向 异性。 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.
总结： 纤维大分子链间的作用力
范德华力
存在于一切分子之间的一种吸引力。 包括定向力、诱导力、色散力。 作用范围小于1纳米，作用能比化学键小1-2 个数量级。
氢键
极性很强的X-H键上的氢原子，与另一个 键上电负性很大的原子Y上的孤对电子相互 吸引而形成的一种键（X—H·· ·Y)。 发生在分子极性基团之间的作用力。 键能与范德华力的数量级相同
P
no
聚合度 n
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)
4、纤维大分子链的内旋性及柔曲性
（1）纤维大分子链的内旋性、构象
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。
单分子：直链状大分子 d<10 Å 基原纤 (proto fibril) d=1-3nm 微原纤 (microfibril) d=4-8nm 原 纤 (fibril) d=10-30nm 巨原纤 (macrofibril) d=0.1-1.5μm 纤 维 (fiber) d=10-100um
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 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。
(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。
聚合度与力学性质的关系
强 度
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
n→n临，纤维开始 具有强力； n↑，纤维强力↑ （∵n↑；大分子间 的结合键↑结合能 量变大）； 但n增加至一定程度， 强力趋于不变。 n低时，一般来说， 纤维的强度低些， 湿强度也低些，脆 性明显些。
缚 结 分 子
结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定 取向度高.一般说来，结晶度高，取向度也 高。
三、纤维的各级微观结构
(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。 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。
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称为构象。 纺织纤维大分子一般都呈卷曲着的构象。
l α α β l 转动锥角 键角 链段长 l β
（2）纤维大分子链的柔曲性
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。 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。
一 典型天然纤维的结构与特征
1. 棉纤维的结构与特征 (1) 分子构成及分子间结构 棉纤维和麻纤维的主要成分是纤维素， 其分子式为(C6H10O5)，化学结构式为：
特征基团有：氧六环；6个-OH；氧桥— O— 单基连接方式：1-4甙键连接，在空间转 180°. 棉纤维大分子的聚合度为6000～15000， 分子量为1～2.43百万，其氧六环结构是 固定的，但六环之间夹角可以改变，所 以分子在无外力作用的非晶区中，可呈 自由弯曲状态。
由C、H、O、N、S元素组成。 侧基多而复杂，约25种氨基酸。
(2)大分子构象：羊毛的稳定结构是α型，α型加外 力——β型，β型去外力——α型；
2) 纤维大分子结构与柔曲性的关系
主链上原子链弹性好，链节易绕主轴旋转， ∴柔曲性↑； 侧链较少，链节易绕主轴旋转，∴柔曲性↑ 主链四周侧基分布对称，链节易绕主轴旋 转，∴柔曲性↑； 侧基间（大分子间）作用力较少，链节易 绕主轴旋转，∴柔曲性↑； 温度↑，内旋转加剧，大分子链柔曲性↑。
常用纤维的单基
纤维素纤维：-葡萄糖剩基 蛋白质纤维：-氨基酸剩基 涤纶：对苯二甲酸乙二酯 锦纶：己内酰胺 丙纶：丙烯 腈纶：丙烯腈
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。
2.聚合度 n:
无规线团模型
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； 拉伸强度较小，变形较大，纤维较柔软， 耐冲击性，弹性有所改善，密度较小，化 学反应性比较活泼。
(2)细胞形态与构成
初生层：棉纤维的外层，纤 维细胞的初生部分．厚度大 约0.5µ m,长度大约10多µ m. 次生层: S1约为0.1µ S2 m. 约为1-4µ m.S3约为0.1µ m. 中腔:胞壁内遗留下来的空 隙. 双边结构:棉纤维干枯后压 扁扭转成为转曲,截面呈腰 圆形的现象.
纺织纤维中常见的氢键： O—H·· ·O N—H ··O · N—H ··N · C—H ··N ·
盐式键
存在于部分纤维大分子间。
如羊毛、蚕丝大分子侧基上的羧基 （—COOH）和氨基（—NH 2 ）可形成盐 式键 —COO¯ ·· H 3 N— ·+ 盐式键键能大于氢键，小于化学键