新型纤维材料-纤维性能基本知识

1．铺层系数P
铺展系数为固－液的粘着功与液体内聚功的差异， P WSL WLL 即 铺展系数又可称为“铺展压”或“铺展张力”，其 反映在此压力或张力的作用下，液体分子不只是克 服自身的内聚能作用，而展开增加表面积，而是液 体分子在固体表面的快速扩散。 当P＝0时，粘着功正好克服液体的内聚能而使液 体展开，只要时间足够，液体总能铺展开来，也就 是说这种铺展速度VS接近于零。
对于非平衡浸润，即 铺展过程，其在理论 上已转化为氢键或化 学键作用的吸附过程， 故Young-Dupré方程 在理论表征和描述上 就不适合了。 但实用测量中一般采 取扩展速度的动态测 量方法来描述其特征。
浸润对于单一纤维，或单一表面，可以用上述现象 和说法来解释，但面对纤维集合体或多表面靠近， 或多孔材料时，即便是原平衡态的浸润，也会变为 非平衡态特征的浸润，即气、液、固交汇点A，会 发生长时间的移动，称为芯吸(wicking)。 因此，浸润过程对纤维集合体和多孔材料来说， 浸润过程不仅依赖其平衡态的特征参数和表面性质， 而且取决于多孔材料的几何特征。
由此可得拒水高度的公式
显然h越高，拒水性越好。而通过选择纤维材料，即改变拒水 性能；同样，减小空隙系数同样可以达到拒水。
⑵ 对导水模型
此处导水指导液态水，根据上述方法参照图模型同 理可得，纤维表面张力引起的向上作用力与水柱重 力形成的向下重力平衡。
芯吸高度h
依据纤维集合体空隙为竖直放置的芯吸作用，并根据 纤维正浸润和负浸润的条件，可将芯吸模型分为二种， 拒水左和导水右。


h
d
h
d
⑴ 对于拒水模型
根据力学平衡原则：液体表面张力作用＝水 柱高度的重力作用得： 2
cos( ) d d hg 4
式中：γ为液体表面张力；d为孔隙等数直径；ρ为液体的密度； h为液柱高度；g为重力加速度值。
传统讨论中有意识、或无意识地较多地关注纤维的 正常断裂过程和指标，其原因是： ①人们很少真正地测量纤维的应力，而是纤维的受 力值与纤维平均直径的相对比值； ②纤维弱节的几何尺寸对整个纤维来说太小、太隐 蔽，而纤维的断裂，却实实在在地是由于这些极小 部分的作用而致； ③纤维弱节的最主要表现为纤维的力学性能的退化。 因此在理论和实践上，最方便和最直接的方 式是以纤维的力学行为来表征其弱节的特征和弱节 量。
m
LV cos＝f A ( S AV－ S AL )＋f B ( SBV－ SB L )
cos m f A cos A f B cos B
2．粘着功W

描述固体与液体相互作用的基本力学参数。其反映单 位面积上的总的吸附能，是固－液相互物理化学作用的综合值。 粘着功可以对两个浸润性不同的体系作出更为明确的描述， 因为其仅仅表示固体与液体之间的纯的粘着作用。 粘着功可以用一般的热力学量定义，并由Dupré方程表达 同样地，一种液体，或一种固体，与其本身的相应结合，用 内聚功来表示（WLL或WSS），其值由式可得，为其表面张力 的两倍，即：
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
第一章 纤维的弱节结构特征
1．弱节的定义与内涵
纤维弱节的概念，由Peirce最早提出，但只是指在 力学性质上较弱部位。 而这种力学性质上的弱点，必然与该部位的结构状 态有关，故又称其为“结构弱节”或“形态弱节”。 纤维的结构弱节是指纤维内部结构中和外观形态上 存在着明显的结构不均匀性和缺陷。 形态弱节则是指纤维明显的几何细颈部位，纤维生 长或加工过程中的缺陷，以及纤维受自然和人为作 用的损伤处。
(2) 天然生长的形态缺陷： 羊毛纤维天然生长中 的缺陷如图所示，如图 (a)所示的纤维表面风蚀部 位；图 (b) 的鳞片鼓胀和受损点；图 (c)纤维局部 畸形变化。
(3) 人为加工中的损伤： 人为的机械作用，对纤 维形成损伤，其损伤形式主要如图所示。图中(a) 为纤维受大曲率的弯曲和挤压作用结果；(b)为平 压的压扁结果；(c)为锐器损伤的变形等的损伤。 纤维的机械作用损伤，会造成纤维形态的剧烈畸变 和纤维强伸性的衰减。
⑶ 不同组分的表面浸润： 即液滴对表层结构或组成 不同区域的同时浸润，但 表面仍为光滑的表面。 如图，在宏观尺寸较大时 接触角值也会产生跳动。 当不同组份的区域趋向于 微观化时，A、B两组份所 形成的与的差异和跳动将 趋向一个稳态值。
若已知A，B组份的面积分数 fA或fB，因为 fA + fB =1，则根据线性迭加方法，可求得 为多组份混合表面的接触角值 ：
二．纤维的平衡浸润性
1．接触角θ 接触角θ，是指气－液切面与固－液界面间，含液体的夹角。 接触角θ的大小，可以将浸润分为几种情况： 当θ＝0°时，为完全浸润，或称铺展； 0°<θ<90°时，为可浸润，或称正浸润 θ＝90°时，为零浸润； 90°<θ<180°时，为不可浸润，或称负浸润； θ＝180°时，为完全不可浸润，即液滴为随遇稳态。
右图为羊毛不同断裂 行为的拉伸曲线 。 显然，纤维弱节断 裂应力和应变低于图 中的临界应力和临界 应变。这一曲线特征 和临界应力、应变值， 0 可用于纤维弱节和非 弱节（正常）断裂的 判断。
cri
完整 曲线
非完整 曲线
cri

（2）纤维弱节断裂的判定准则与方法

纤维弱节断裂的判断准则，即为上面提 到的纤维的临界应力，或临界比强度 (cN/tex)和临界应变。 由纤维的实际断裂应力（或比强度T）和 断裂应变，以及其拉伸曲线的特征，便可判 断纤维是弱节断裂，还是正常断裂，并可计 算纤维弱节断裂的概率。
⑴ 前、后浸润性：当一物体被第一次浸润时，
称为前浸润；当浸润后液体退出时，称为后浸润， 其浸润接触角，前进角和后退角，是不同的，前> 后。A点前进或有前进趋势；B点为后退或有
后辙趋势。 前进、后退角的差值，反映纤维 浸润的滞后性。
＝ a－ b
⑵ 粗糙表面浸润：当液滴作 用于粗糙表面时的宏观接触 角会发生跳跃性变化，其变 化的原因如图所示。 实际A、B液滴为同一液体， 固体物质也为均质材料，只 是表面起伏，导致表观接触 角，而微观点的各接触角。 根据液体在粗糙表面的可浸 润面积的增大，粗糙系数r为 粗糙表面积（实际的）和光 滑表面积（表观的）之比

对于平衡态浸润， 可以由Young-Dupré 方程直接描述
SV SL LV cos
式中，为表面张力，为单位长 度上的作用力；下标S，L，V分别 表示固、液、气态；为接触角，如 图所示。一般常用接触角或cos 来 表示材料的浸润性，即：

SV － SL cos＝ LV
r＝
A实际 A表观
1
r恒大于等于1。 2 ，则粗糙表面 如果纤维为可浸润时， 的接触角值小于真正的接触角值。即越粗糙 r 越易浸润。反之， 2 时， 成立，即 越粗糙越难浸润。所以微观粗糙表面的粗糙 度（粗糙系数）对润湿性有较大作用。
SV － SL cos r＝r ＝r cos LV
(1) 纤维的细节： 实际观察结果如SEM照片所示，细节的 主要特征是纤维均匀、逐渐地由粗变细，再由细变粗的形态。 其变细的速度不同，如图 (a)～(b)所示的其间差别。一般 逐渐变细、变粗是羊毛形态的正常观象，其很难构成羊毛真 正意义上的弱节。对图 (c))所示的快速变细的形态，有可能 构成纤维的弱节。

WSL＝ LV ＋ SV － SL
WLL＝2 LV ；或WSS＝2 SV
Hale Waihona Puke Baidu 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。
一．概述
纤维的浸润，或称纤维的润湿，是指纤维与液 体发生接触时的相互作用过程，其包括两类现象。 一是纤维与液体的平衡浸润，即当液体与纤维表面 接触后，其状态基本上不发生变化而保持稳态的浸 润，故又称作静态浸润。 二为纤维的非平衡浸润，即液体与纤维接触后，整 个浸润过程中的液固界面在不断地扩展，固、液、 气交汇点在不断移动，此又称为铺展浸润，或动态 浸润。

(4) 内部结构缺陷：纤维内部的结构缺陷是一个很难确切发现和表征的 结构部位，尤其是微区结构弱节，即导致纤维破坏的应力集中点，或裂纹 与缺陷。通常的内部结构弱节是以定性的方式来描述，即纤维两相结构中 的无序低密和无缚结分子的部位；或纤维微细组织结构中，组织块间的 间隙和孔洞；以及晶格结构中的缺陷与错位。故较多的研究与表征是针对 纤维的断裂面特征。如图涤纶纤维（a）纤维表面的裂纹或缺陷引起的 “V”字漏斗形加平面断口，以及图（b）纤维结构的缺陷引起的多阶梯加 滑移面的断裂端。
P SV SL LV 0
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。
由于实测中可以测得纤维 沿其长度方向上的粗细轮 廓图。由此可以分出纤维 断裂的部位，最细点处断 裂和非最细点处断裂。根 据其实际断裂部位的粗细 值可以换算得纤维的截面 面积或线密度值，求出纤 维的实际断裂应力（或比 强度T）和断裂应变值， 从而给出纤维弱节的特征 和比例的综合评价。
第二章 纤维的浸润性质
p r
r为毛细管等效半径，即为形状参数。当r增大，纤 维间隙增大，芯吸压力p下降，浸润作用减弱；当 r变小时，即纤维间空隙变小，芯吸压力上升，毛 细浸润作用加强。

当纤维空隙为竖直排列时，浸润和重力作用会 使液体的吸芯达到某一高度；而成稳态； 空隙为水平放置时，毛细作用会使液体不断的 扩展，如同铺展作用，而成非平衡态。、 当纤维的空隙大小不同，则又会产生毛细压差， 而形成扩展的选择性，或称方向性。因此，纤维集 合体的浸润性不仅具有平衡态和非平衡态浸润的特 征，还有方向性和选择性，故其表征有其特有的参 数。
3. 纤维弱节结构的表征
（1）纤维弱节的力学特征 纤维在外力作用下会伸长并最终断裂， 这种断裂不是发生在纤维的最细部位，就是 断裂在结构缺陷处。总之，纤维的断裂总是 发生在纤维的最弱部位。 纤维力学行为可分为均匀结构相的力 学行为，称为“正常拉伸断裂”；和缺陷结 构的力学行为，称“结构弱节拉伸断裂”。
弱节分类：
一是纤维的内部结构弱节，一般采用电子显 微术和微区电子衍射和X射线衍射技术分析， 但弱节区域太小太少，寻找与观察都极为困 难。 二是形态细节或细颈，即纤维生长的较细部 位，这类特征大都采用纤维轮廓测量法来表 征。 三是自然侵蚀和人为损伤的形态结构缺陷， 采用SEM观察。
2．纤维弱节的特征（以羊毛纤维为例）