纺织材料学 第二章 纤维结构的概念

2、常用纺织纤维单基的化学组成：
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。
二.聚合度
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（n）。
大分子的分子量＝单基的分子量×聚合度
难。
三、纤维大分子链结构的组成
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：
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、晴纶；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，易燃甚至易熔 。 ∴ 服用纤维有一定缺点
粘胶纤维部分初生层和次生层，没有“日轮” 层。但有皮芯结构和锯齿形截面；
一般而言，皮芯层凝固速度差别越大，截面形 状越不规则，皮层与芯层相比，具有较小的结 晶区和无定形区，结构比较均一，溶胀性较小， 可能存在亚纤维管空隙，密度较小，取向度较 高。
第六节 蛋白质纤维的内部结构
一、蛋白质纤维的大分子结构
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。
第三节 纺织纤维的超分子结构 （聚集态结构）
一、大分子间作用力（次价键力）
纤维大分子间的作用力与大分子链间的相对位 置，链的形状、大分子排列的密度及链的柔曲 性等有关。这种作用力使纤维中的大分子形成 一种较稳定的相对位置，或较牢固的结合，使 纤维具有一定的物理机械性质。
纤维大分子的次价键力包括范得 华力、氢键、盐式键、化学键、
其产生的原因及特点如下
名称 定向力 范 得 诱导力 华 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 作用能量3～5千卡/克分
久偶极矩作用而产生的
子 与温度有关
由相邻分子间的诱导电动势产生的， 1.5～3千卡/克分
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
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↓。
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。
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、取向度
1)定义：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。
二、纤维素大分子的超分子结构
结晶结构的最小单元（晶胞）是由五个 平行排列的纤维素大分子在两个氧六环 的一段上组成：
三、纤维素纤维的形态结构
1、棉纤维的形态结构 棉纤维由外向内是由初生层、次生层和 中腔三个部分组成：
（1）初生层
其外皮是一层极薄的蜡质与果胶的淀积 层，外层之内是纤维的初生胞壁。一般 认为初生胞壁由原纤呈网状结构组成。 初生层很薄，纤维素含量不多。
宏形态结构：用光学显微镜能观测到的 结构。如皮芯结构，表面形态等。
研究纤维形态结构的意义
形态结构与纤维性质密切相关
抱合力、可纺性、摩擦性能、粘合性、 光泽、手感、保暖性、吸湿性……
第五节 纤维素纤维的内部结构
一、纤维素纤维的大分子结构 纤维素大分子的基本链结是ß-葡萄糖剩基。
纤维素纤维大分子中纤维素二糖由相邻2 个葡萄糖剩基反向对称、一正一反连接 而成，它的空间结构属于椅式结构：
蛋白质大分子的基本链节是α-氨基酸剩 基依靠肽键连结而成，其化学结构是如 下图。
R基团不同形成的α-氨基酸也不同，有酸 性，碱性和中性的。
蛋白质大分子可以是直线状的曲折链（β 型），也可以是螺旋链（α型） （见后 页图） 。羊毛纤维中两种都有，蚕丝基 本是直线状的曲折链。
二、蛋白质纤维的超分子结构
2、蚕丝的超分子结构
蚕丝的基原纤基本上是直线状曲折链的 大分子束。他的微原纤和原纤与毛纤维 的角朊类似。
丝胶中含有侧基带亲水性基团的α-氨基 酸的比例极高，因而丝胶的水溶性极高。
三、蛋白质纤维的形态结构
1、羊毛纤维的形态结构 细羊毛的形态结构如下图所示：
2、蚕丝的形态特征
蚕丝没有细胞结构，一根蚕丝是有两根 纤维外敷丝胶二组成。
2)、 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。
例：粘胶。蚕丝、涤纶、锦纶。强度较 大，服用性能 较好
3)、梯形和双螺旋形大分子：
此类纤维的主链不是一条单链，而是 像一个“梯子”和 “双股螺旋”的结构。 例：碳纤维，石墨纤维有较高的强力、
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。
2)聚合度与力学性质的关系：
二、聚集态结构
1、结晶
（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。 （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。
结晶与取向是两个概念，结晶度大不一定取向 度高，取向应包括微晶体的取向。除了卷绕丝， 一般说来，结晶度高，取向度也高。
2)取向度与纤维性能间的关系：
纤维的取向度大，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，光泽教好，各向异性明显 。
第四节 纤维的形态结构
微形态结构：用电子显微镜能观测到的 结构。如微纤，微孔，裂缝等
导电纤维
第二节 纺织纤维的大分子结构
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。
一、单基（链节）
1、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；
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↑。
大分子的柔曲性是判断高聚物弹性的主 要条件之一，长链分子由于热运动而变 成弯曲形状使高度柔曲性，这就是高据 物产生弹性的原因。
温度有关
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
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 能量50～200千卡/克分
侧基。
子
四种结合力的能量大小：真正化 学键＞盐式键＞氢键＞范得华力
四种结合力的作用距离：真正化 学键＜盐式键＜氢键＜范得华力
羊毛中大分子间依靠范德华力，氢键， 盐式键和二硫键相结合，形成网型构造 形式；
蚕丝中蛋白质大分子间仅依靠范德华力， 氢键和盐式键相结合。
1.羊毛纤维的超分子结构
毛纤维的微原纤是由几个基原纤平行排 列组成。
若干个微原纤再结晶区基本平行排列形 成原纤。
皮质层细胞主要有两类： （1）正皮质 （2）偏皮质
2、麻纤维的形态结构
麻纤维成束聚集生长在植物的韧皮部或 叶中。单纤维是管状的植物细胞，两端 封闭。纤维之间用果胶相粘接，经脱胶 后纤维分离。
麻纤维具有初生层，次生层和第三层， 其内纤维素分层沉积，纤维素大分子也 将集成原纤结构。
3、粘胶纤维的形态结构
粘胶纤维中纤维素大分子聚集成微原纤，原纤 和聚原纤再形成纤维；
产生于极性分子与非极性分子之间 子
与温度有关
由相邻原子上的电子云旋转引起瞬 时的偶极2～2千卡/克分
子
与温度无关
大分子侧基（或部分主链上）极性 能量1.3～10.2千卡/克
基团之间的静电吸引力（如－NH， 分子距离2.3～3.2A 与
－COOH，－OH，－CONH等）
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。
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
丝纤维内部是丝朊。 丝素纤维的截面都是三角形。
耐高温因为主链是双链形式。
四、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 枝型 网型
五、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。
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。
第二章 纤维结构概述
第一节 纤维结构的概念
纤维结构定义
是指组成纤维的纤维结构单元相互作用 达到平衡时在空间的几何排列。