第六章纤维的表面性质
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图 6-14 羊毛的等离子体刻蚀处理表面（SEM）
3. 合成纤维的丝光改性
图 6-15 涤纶的丝光处理表面（SEM） 4. 高性能纤维的表面特征
图 6-16 芳纶纤维的表面形貌（SEM）
第三节 纤维的摩擦性质
纤维的摩擦性质是指纤维与纤维，或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行为。
一、纤维摩擦中的基本现象
全膜覆盖表面 表面复制膜形态 表面轮廓<10nm
光子
紫外光电子能谱 UPS X 射线光电子能谱 XPS
电子束缚能，吸附态 电子能态表面吸附
深度 1.0~5.0nm 深度 1.0~5.0nm
离子
二次离子质谱 SIMS
“探针” 原子力显微镜 AFM
表面元素分析
E0>500eV
表面结构、轮廓和成分 <10nm
E = ∂G = W = γ
(6-1)
∂l ΔA
F
肥皂液膜
ΔA (W=F Δl)
L
Δl
图 6-3 液体表面增大所作的功
二、纤维表面涉及的内容
纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法。 1. 纤维表面结构内涵
纤维表面结构包括要素：表面厚度、表面形态、表面组成和表面结构（狭义的）。 表面形态是表层的外轮廓，同样是微尺度的，但跨度较大，在原子尺度～亚微米尺度范围内， 如扫描隧道电子显微镜 STM（Scanning tunneling microscope）或原子力显微镜 AFM（Atomic force microscope）所看到的表面原子排列轮廓，见图 6-4，以及羊毛鳞片表面和兔毛的鳞片形态，分别 见图 6-5(a)和(b)。
(c)
图 6-6 纤维表面缺陷导致的断裂
3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法 表面分析是一个专门化的学科，涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术。
电子束
电子
中性
离子
粒子
二次电子 发射区
光子
背散射 电子区
电子 吸收
特征X射 线产生区
图 6-7 电子束激发的各类信息示意图
表 6-2 常用表面分析方法名称及用途
1. 摩擦系数
Amontons 或 Leonard： F = μN
(6-2)
但是，随后人们的实验发现这个表达存在局限，甚至有误。其中较为典型的实验现象如下。
（1）相对滑移速度的影响
静摩擦力FS大于动摩擦力FD， μS > μD
(6-3)
表 6-3 纤维的动、静摩擦系数（μS，μD）
羊毛与Байду номын сангаас羊毛
羊毛与 粘胶
羊毛与 锦纶
纤维 粘胶与粘胶 锦纶与锦纶
顺鳞片方向 逆鳞片方向 同纤维方向 顺鳞片方向 逆鳞片方向 顺鳞片方向 逆鳞片方向
μS
μD
0.35
2. 麻纤维
图 6-8 棉纤维的表面形态
3. 毛发类纤维 （1）羊毛
较大的横向突纹，称为伪棱脊；存在较细小的平行于纤维轴向的条纹为微“鳞纹”。见图 6-9。
图 6-9 羊毛纤维表面的鳞纹
外表皮层 （鳞片膜）
次表皮层 a 次表皮 层b
内表皮层
细胞间质 CMC
图 6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构
（2）兔毛纤维 （3）羽绒纤维
(1) 表面组成分析 (2) 表面结构分析 (3) 表面形态分析 （4）表面电子能态分析 （5）表面性质分析
4. 纤维的表面改性 纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的，是期望通过有效方便的表面处理获得理想、实
用、新型纤维的主要方法。
第二节 纤维的表面特征
一、天然纤维的表面特征
1. 棉纤维 微条纹产生的“起绉”表面结构。
纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的，如图 6-1 所示。 相对来说，界面要厚得多，因为其至少有两个“表面”完成过渡，见图 6-2。但两个表面的过 渡互为“溶合”，或晶体缺陷的界面，其厚度亦可与纯表面一样，甚至更小。
LA
界
面 层
LAB
LB
图 6-2 A/B 物质的界面层示意图
2. 表面能 所谓表面能，又称表面自由能，是指形成单位面积表面所消耗的功。
第六章 纤维的表面性质
纤维的表面性状是构筑纤维集合体的客观基础。 纤维的表面是外力，光、热辐射，电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体。 纤维表面同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体。
表 6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比
材料
体积比
1m 直径的圆柱体
(4~6)×10-9
1mm 直径的圆柱体
(4~6)×10-6
图 6-4 AFM 的表面原子像
(a) 羊毛
(b) 兔毛 图 6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（SEM）
2. 纤维表面所涉及的基本物理性质 纤维表面性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质，；浸润性质。还有纤维表面的热学、光学、电
学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等。
纤维 孔
表
洞
面 BA
缺
裂
陷
口
裂隙
(a)
(b)
纤维（1μm~100μm） (4~6)×10-4
纳米材料（10nm~100nm） 0.36~0.51
本章仅介绍一些基本概念及现象，并以传统的摩擦和浸润表达为主。
第一节 纤维表面的内涵
一、表面的基本概念
纤维表面的表达与物理或物理化学所述表面一致，包括表面结构、表面性质和表面状态。 1. 纤维表面的定义
探针
表面分析方法
用途
激发粒子能量或分析深度
电子
低能电子衍射 LEED 反射高能电子衍射 RHEED 俄歇电子谱 AES 扫描电子显微镜 SEM 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM
表面及吸附层结构 表面结构 表面组分，结合能 表面形貌 表面形貌 表面轮廓、结构与成分
能量E0 50~500eV E0 10~100 keV E0 2~5 keV
所谓纤维表面是指纤维表层 0.5~5nm 内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。显 然，是微尺度（micro-scale），确切地说是形态亚微米尺度（submicro-scale）、厚度纳米尺度（nanoscale） 和分子尺度（molecular scale）。
表层厚度 表面轮廓
粒子 图 6-1 表面结构、形态及相互作用
4. 蚕丝纤维
图 6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)
二、化学纤维的表面特征
1. 再生纤维 2. 普通合成纤维
图 6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM）
图 6-13 腈纶纤维的表面形态与结构（SEM）
三、表面改性和高性能纤维的表面特征
1. 纤维粗糙化改性 2. 纤维柔软化改性
纤维柔软化的表面改性，就是改善纤维表面的摩擦性。最常用的方法是上柔软剂，或表面涂层 覆膜。
3. 合成纤维的丝光改性
图 6-15 涤纶的丝光处理表面（SEM） 4. 高性能纤维的表面特征
图 6-16 芳纶纤维的表面形貌（SEM）
第三节 纤维的摩擦性质
纤维的摩擦性质是指纤维与纤维，或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行为。
一、纤维摩擦中的基本现象
全膜覆盖表面 表面复制膜形态 表面轮廓<10nm
光子
紫外光电子能谱 UPS X 射线光电子能谱 XPS
电子束缚能，吸附态 电子能态表面吸附
深度 1.0~5.0nm 深度 1.0~5.0nm
离子
二次离子质谱 SIMS
“探针” 原子力显微镜 AFM
表面元素分析
E0>500eV
表面结构、轮廓和成分 <10nm
E = ∂G = W = γ
(6-1)
∂l ΔA
F
肥皂液膜
ΔA (W=F Δl)
L
Δl
图 6-3 液体表面增大所作的功
二、纤维表面涉及的内容
纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法。 1. 纤维表面结构内涵
纤维表面结构包括要素：表面厚度、表面形态、表面组成和表面结构（狭义的）。 表面形态是表层的外轮廓，同样是微尺度的，但跨度较大，在原子尺度～亚微米尺度范围内， 如扫描隧道电子显微镜 STM（Scanning tunneling microscope）或原子力显微镜 AFM（Atomic force microscope）所看到的表面原子排列轮廓，见图 6-4，以及羊毛鳞片表面和兔毛的鳞片形态，分别 见图 6-5(a)和(b)。
(c)
图 6-6 纤维表面缺陷导致的断裂
3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法 表面分析是一个专门化的学科，涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术。
电子束
电子
中性
离子
粒子
二次电子 发射区
光子
背散射 电子区
电子 吸收
特征X射 线产生区
图 6-7 电子束激发的各类信息示意图
表 6-2 常用表面分析方法名称及用途
1. 摩擦系数
Amontons 或 Leonard： F = μN
(6-2)
但是，随后人们的实验发现这个表达存在局限，甚至有误。其中较为典型的实验现象如下。
（1）相对滑移速度的影响
静摩擦力FS大于动摩擦力FD， μS > μD
(6-3)
表 6-3 纤维的动、静摩擦系数（μS，μD）
羊毛与Байду номын сангаас羊毛
羊毛与 粘胶
羊毛与 锦纶
纤维 粘胶与粘胶 锦纶与锦纶
顺鳞片方向 逆鳞片方向 同纤维方向 顺鳞片方向 逆鳞片方向 顺鳞片方向 逆鳞片方向
μS
μD
0.35
2. 麻纤维
图 6-8 棉纤维的表面形态
3. 毛发类纤维 （1）羊毛
较大的横向突纹，称为伪棱脊；存在较细小的平行于纤维轴向的条纹为微“鳞纹”。见图 6-9。
图 6-9 羊毛纤维表面的鳞纹
外表皮层 （鳞片膜）
次表皮层 a 次表皮 层b
内表皮层
细胞间质 CMC
图 6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构
（2）兔毛纤维 （3）羽绒纤维
(1) 表面组成分析 (2) 表面结构分析 (3) 表面形态分析 （4）表面电子能态分析 （5）表面性质分析
4. 纤维的表面改性 纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的，是期望通过有效方便的表面处理获得理想、实
用、新型纤维的主要方法。
第二节 纤维的表面特征
一、天然纤维的表面特征
1. 棉纤维 微条纹产生的“起绉”表面结构。
纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的，如图 6-1 所示。 相对来说，界面要厚得多，因为其至少有两个“表面”完成过渡，见图 6-2。但两个表面的过 渡互为“溶合”，或晶体缺陷的界面，其厚度亦可与纯表面一样，甚至更小。
LA
界
面 层
LAB
LB
图 6-2 A/B 物质的界面层示意图
2. 表面能 所谓表面能，又称表面自由能，是指形成单位面积表面所消耗的功。
第六章 纤维的表面性质
纤维的表面性状是构筑纤维集合体的客观基础。 纤维的表面是外力，光、热辐射，电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体。 纤维表面同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体。
表 6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比
材料
体积比
1m 直径的圆柱体
(4~6)×10-9
1mm 直径的圆柱体
(4~6)×10-6
图 6-4 AFM 的表面原子像
(a) 羊毛
(b) 兔毛 图 6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（SEM）
2. 纤维表面所涉及的基本物理性质 纤维表面性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质，；浸润性质。还有纤维表面的热学、光学、电
学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等。
纤维 孔
表
洞
面 BA
缺
裂
陷
口
裂隙
(a)
(b)
纤维（1μm~100μm） (4~6)×10-4
纳米材料（10nm~100nm） 0.36~0.51
本章仅介绍一些基本概念及现象，并以传统的摩擦和浸润表达为主。
第一节 纤维表面的内涵
一、表面的基本概念
纤维表面的表达与物理或物理化学所述表面一致，包括表面结构、表面性质和表面状态。 1. 纤维表面的定义
探针
表面分析方法
用途
激发粒子能量或分析深度
电子
低能电子衍射 LEED 反射高能电子衍射 RHEED 俄歇电子谱 AES 扫描电子显微镜 SEM 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM
表面及吸附层结构 表面结构 表面组分，结合能 表面形貌 表面形貌 表面轮廓、结构与成分
能量E0 50~500eV E0 10~100 keV E0 2~5 keV
所谓纤维表面是指纤维表层 0.5~5nm 内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。显 然，是微尺度（micro-scale），确切地说是形态亚微米尺度（submicro-scale）、厚度纳米尺度（nanoscale） 和分子尺度（molecular scale）。
表层厚度 表面轮廓
粒子 图 6-1 表面结构、形态及相互作用
4. 蚕丝纤维
图 6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)
二、化学纤维的表面特征
1. 再生纤维 2. 普通合成纤维
图 6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM）
图 6-13 腈纶纤维的表面形态与结构（SEM）
三、表面改性和高性能纤维的表面特征
1. 纤维粗糙化改性 2. 纤维柔软化改性
纤维柔软化的表面改性，就是改善纤维表面的摩擦性。最常用的方法是上柔软剂，或表面涂层 覆膜。