1、第一章第一章 纤维结构基础知识纤维结构基础知识 一、一、纤维大分子链的化学组成及连接方式纤维大分子链的化学组成及连接方式二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构三线型非晶态高聚物的物理形态三线型非晶态高聚物的物理形态1.纤维大分子结构纤维大分子结构一、一、纤维大分子链的化学组成及连接方式纤维大分子链的化学组成及连接方式 纤维大分子是由许多结构相同或相近的结构单元（单基）以化学健的纤维大分子是由许多结构相同或相近的结构单元（单基）以化学健的方式连接而成的线型长链分子。由于纤维材料的分子量很大，约在一万以方式连接而成的线型长链分子。由于纤维材料的分子量很大，约在一万以上，因而被
2、称为上，因而被称为“大分子大分子”或或“高分子高分子”。(a)网状型 (b)枝杈型 (c)直线型图2-1 纤维的长链分子2.纤维大分子链的支化、构型：纤维大分子链的支化、构型：一、一、纤维大分子链的化学组成及连接方式纤维大分子链的化学组成及连接方式3.3.链原子的类型与排列链原子的类型与排列（1）碳链高分子：主链是以碳原子的共价键(C-C健)形式组成大分子链；（2）杂链高分子：主链是由两种以上的原子（如C-O、C-N、C-S等）以共价键相连接而成；（3）元素有机高分子：大分子主链上含有磷、硼、吕、硅、钛等元素，并在其侧链上含有有机集团。按构成主链的化学组成不同，纤维大分子可以分为以下三类：按构
3、成主链的化学组成不同，纤维大分子可以分为以下三类：4.纤维大分子的单体、链节、聚合度：纤维大分子的单体、链节、聚合度：高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但其化学组成一般却比较简单。高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但其化学组成一般却比较简单。例例 聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成：聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成：单体单体聚合物聚合物聚合度聚合度链节链节*平均聚合度平均聚合度 n 链节的式量链节的式量=高聚物的平均相对分子质量高聚物的平均相对分子质量简写：简写：CH2CHCH2ClCHCH2ClCHCln CH2=CHC lnCH2CHCl链节链节单单 体体聚合成高分子化合物的低分
4、子化合物聚合成高分子化合物的低分子化合物链链 节节组成高分子链的重复结构单元组成高分子链的重复结构单元聚合度聚合度高分子链所含链节的数目高分子链所含链节的数目则纤维大分子的通式可简约表达为：5.纤维大分子链的单基、侧基、端基纤维大分子链的单基、侧基、端基及聚合度：及聚合度：锦纶分子式：涤纶分子式：R R R R R R A/A A A A A A A/如果纤维大分子的通式可简约表达为：则式中A为单基,则A/、A/为分子的端基，R为侧基。5.纤维大分子链的单基、侧基、端基：纤维大分子链的单基、侧基、端基：单基的定义：构成纤维大分子主链的基本结构单元称为“单基”。侧基的定义：分布在大分子主链两侧并
5、通过化学键与主链连接的化学基团。端基的定义：指大分子主链两端的结构单元，且与主链单基结构有很大差别的基团。R R R R R R A/A A A A A A A/单基的化学结构、官能团的种类决定了该材料的最基本的物质属性，即耐酸、耐碱、耐光以及染色等化学性能。侧基的结构、性能对于大分子的柔顺性、凝聚态和功能化都具有重要影响。端基对于纤维的热、光学的稳定能等性能具有重要影响。聚合度对于聚合物的加工型、最终纤维的性能等都具有较大的影响，棉、麻的聚合度高，成千上万；羊毛576；蚕丝400；粘胶300600；化学纤维聚合度不宜过高。同时一根纤维中各个大分子的n不尽相同，具有一定的分布。6.常用纤维的单
6、基常用纤维的单基n纤维素纤维：纤维素纤维：-葡萄糖剩基葡萄糖剩基n蛋白质纤维：蛋白质纤维：-氨基酸剩基氨基酸剩基n涤纶：对苯二甲酸乙二酯涤纶：对苯二甲酸乙二酯n锦纶：己内酰胺锦纶：己内酰胺n丙纶：丙烯丙纶：丙烯n腈纶：丙烯腈腈纶：丙烯腈7.纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性分子的内旋转示意图 1 1、内旋性、内旋性：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。2 2、构象、构象：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。8.
7、纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性纤维大分子链的内旋性、构象及柔曲性蛋白质的两种二次结构（构象）8.纤维大分子链的内旋性、构象及柔性纤维大分子链的内旋性、构象及柔性3 3、柔性、柔性：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。二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构1.分子间的相互作用分子间的相互作用作用力的类型作用力的类型 共价键 主价力（又称化学键）配位键 作用力的类型 离子键 次价力（又称分子间力，包括：范德华力、氢键）高分子链的形成主要靠主价力（化学键）高分子链聚集成高聚物主要靠次价力（分子间的力）。二、纤维高分子材料的聚集态结构二、
8、纤维高分子材料的聚集态结构范德华力范德华力范德华力类型定义特点本质取向力极性分子永久偶极之间的静电相互作用产生的吸引力分子极性越大，取向力越大；温度高、距离大，取向力越小。范围：4.21042.1104J/mol静电引力诱导力极性分子与非极性分子、极性分子作用产生的诱导偶极之间的吸引力与极性分子偶极距的平方成正比，与被诱导分子的变形性成正比；距离大，诱导力小；与温度无关。范围：0.61041.2104J/mol静电引力色散力各种分子之间的瞬间偶极距相互作用的吸引力具有普遍性、加和性，与温度无关。分子变形大、电离程度大，色散力大；距离大，色散力小范围：0.81038.4103J/mol静电引力取
9、向非取向二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构（1 1）取向与取向度）取向与取向度分子取向：纤维大分子的分子链分子取向：纤维大分子的分子链段在分子间相互作用力或外力作段在分子间相互作用力或外力作用下相互平行排列，称之为大分用下相互平行排列，称之为大分子取向。子取向。取向度：大分子排列方向与纤维取向度：大分子排列方向与纤维轴向的吻合度，称为取向度。轴向的吻合度，称为取向度。2.2.纤维的凝聚态结构纤维的凝聚态结构 高分子的聚集态结构是指高分子的聚集态结构是指纤维内部大分子的取向与结晶纤维内部大分子的取向与结晶结构，也称为纤维材料的超分结构，也称为纤维材料的超分子结构。子结构
10、。晶 区非晶区晶态聚合物：晶态聚合物：线型聚合物固化时可以结晶，线型聚合物固化时可以结晶，但由于分子链运动较困难，不可能完全结晶。但由于分子链运动较困难，不可能完全结晶。所以晶态聚合物实际为晶区（分子有规律排所以晶态聚合物实际为晶区（分子有规律排列）和非晶区（分子无规律排列）两相结构，列）和非晶区（分子无规律排列）两相结构，一般结晶度（晶区所占有的重量百分比）只一般结晶度（晶区所占有的重量百分比）只有有50%50%85%85%，特殊情况可达到，特殊情况可达到98%98%。在结晶。在结晶聚合物中，晶区与非晶区相互穿插，紧密相聚合物中，晶区与非晶区相互穿插，紧密相连，一个大分子链可以同时穿过许多晶
11、区和连，一个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。非晶区。非晶态聚合物：非晶态聚合物：聚合物凝固时，分子不能规聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈长程无序、近程有序状态。非晶则排列，呈长程无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动能力大，弹性和塑性态聚合物分子链的活动能力大，弹性和塑性较好。由于其聚集态结构态是均相的，因而较好。由于其聚集态结构态是均相的，因而材料各个方向的性能是相同的。材料各个方向的性能是相同的。二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构高分子的聚集态结构是指纤维内部高分子的聚集态结构是指纤维内部大分子的取向与结晶结构，也称为大分子的取向与结晶结构，也称为纤
12、维材料的超分子结构。纤维材料的超分子结构。（2）结晶与结晶度）结晶与结晶度取向和无序排列的缨状微胞（fringed micelle）结构“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。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 二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构Hearle教授的缨状原纤结构模型二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构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
13、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二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构（3）结晶态与非晶态：结晶态：非晶态：非晶态：纤维大分子有规律地整齐排列的状态；纤维大分子无规则聚集排列的状态。纤维大分子无规则聚集排列的状态。（4）结晶区与非结晶区结晶区 非结晶区非结晶区纤维大分子有规律地整齐排列的区域；纤维大分子无规则聚集排列的区域。纤维大分子无规则聚集排列的区域。结晶区的特点：非晶区特点：非晶区特点：a.大分子链段排列规整；a.大分子链段排列混乱，无规律；大分子链段排列混乱，无规律；b.结构紧密，缝隙，孔洞较少；b.结构松散，有较多的缝隙、孔洞；结构
14、松散，有较多的缝隙、孔洞；c.相互间结合力强，互相接近的基团 c.相互间结合力小，互相接近的基相互间结合力小，互相接近的基 结合力饱和。团团结合力不饱和。结合力不饱和。（5）结晶度结晶度：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。二、纤维高分子材料的聚集态结构二、纤维高分子材料的聚集态结构不同晶系及晶格参数表不同晶系及晶格参数表七大晶系晶格轴长及夹角关系三斜 triclinicabc；单斜 monoclinicabc；=90o正交 rthorhombicabc；=90o四方 tetragonala=bc；=90o三方 trigonala=b=c；=90o0.2m以上的微细及外观形态结构，一般采用光学显微镜的方法，可以采用透射、反射、偏光、荧光干涉。n对于观察结构0.2m以下的须借助扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进行观察与记录SEM和TEM试样制备与观察流程示意图 作业：n名词解释：差别化纤维、复合纤维、异形纤维、原纤、两相结构、结晶度、取向度nP41 T7 nP60 T3、T4
