1、第四章第四章 通用高分子材料通用高分子材料 之纤维篇之纤维篇4.3.3 纤维结构与性能的一般关系纤维结构与性能的一般关系4.3.3.1 分子结构分子结构T(2)分子中有极性基团存在。分子中有极性基团存在。T(3)高分子链立体结构具有一定的规整性。高分子链立体结构具有一定的规整性。T(4)具有相当高的分子量和比较窄的分子量具有相当高的分子量和比较窄的分子量分布。分布。T(1)具有线型的可伸展大分子链，没有庞大具有线型的可伸展大分子链，没有庞大的侧基，且大分子之间无化学键。的侧基，且大分子之间无化学键。结构特征：结构特征：nM成纤高聚物的分子量上限：随着高聚物分子量的增大，成纤高聚物的分子量上限：
2、随着高聚物分子量的增大，纺丝液的粘度大大增大，对纺丝及后加工不利。纺丝液的粘度大大增大，对纺丝及后加工不利。如果成纤高聚物的分子量低于一定值，就不能制得强如果成纤高聚物的分子量低于一定值，就不能制得强度和弹性好的纤维。聚合度的下限与其化学结构有关，度和弹性好的纤维。聚合度的下限与其化学结构有关，特别是随所含极性基团的种类和性质而变化。特别是随所含极性基团的种类和性质而变化。分子量分布对纤维的性质也有很大影响，采用多分分子量分布对纤维的性质也有很大影响，采用多分散性大的散性大的PET时，纤维强度较低，断裂伸长率大。时，纤维强度较低，断裂伸长率大。4.3.3.2 形态结构形态结构纤维的形态结构：多
3、重原纤结构和表面形态、纤维的形态结构：多重原纤结构和表面形态、横截面形状和皮芯结构以及纤维中的孔洞等横截面形状和皮芯结构以及纤维中的孔洞等对纤维的宏观性能都有很大影响。对纤维的宏观性能都有很大影响。多重原纤维结构多重原纤维结构 纤维是由线型大分子链排列、堆纤维是由线型大分子链排列、堆砌组合而成。其间有许多丝状结构（原纤结构）通砌组合而成。其间有许多丝状结构（原纤结构）通过分子间的作用力相互结合而构成整根纤维单丝。过分子间的作用力相互结合而构成整根纤维单丝。原纤结构又由各级微结构组成，称多重原纤结构原纤结构又由各级微结构组成，称多重原纤结构基原纤基原纤微原纤微原纤原纤原纤由几条线型长链分子由几条
4、线型长链分子互相平行地结合而成互相平行地结合而成的很细的分子束，直的很细的分子束，直径约径约13nm由若干根基原纤平由若干根基原纤平行排列而成的大分行排列而成的大分子束，直径约子束，直径约1050nm由若干根基本平行排由若干根基本平行排列的微原纤结合而成列的微原纤结合而成的大分子束，直径约的大分子束，直径约100500nm纤维组成：纤维组成：基原纤微原纤原纤大原纤纤维基原纤微原纤原纤大原纤纤维A 纤维的多重原纤结构和表面形态纤维的多重原纤结构和表面形态 多重纤维结构使纤维中不仅存在着大多重纤维结构使纤维中不仅存在着大小不等、排列方式不同的晶区和非晶区，小不等、排列方式不同的晶区和非晶区，而且还
5、存在许多不同尺寸的缝隙、沟槽、而且还存在许多不同尺寸的缝隙、沟槽、孔洞等。纤维的各种物理、化学、机械性孔洞等。纤维的各种物理、化学、机械性质均与纤维的多重原纤结构有关，在很大质均与纤维的多重原纤结构有关，在很大程度上取决于程度上取决于纺丝工艺条件纺丝工艺条件。表面形态表面形态 化学纤维的表面形态取决于纤维品种、化学纤维的表面形态取决于纤维品种、成型方法和纺丝工艺条件。对摩擦性、粘着性以及成型方法和纺丝工艺条件。对摩擦性、粘着性以及纺织加工性等有很大影响纺织加工性等有很大影响 化学纤维具有化学纤维具有连续光滑和较规整的表面形态连续光滑和较规整的表面形态，对光线的反射比较均匀，因而纤维表面具有对光
6、线的反射比较均匀，因而纤维表面具有明显的明显的光泽光泽。生产中为了获得消光或半消光纤维，通过改。生产中为了获得消光或半消光纤维，通过改变成型条件或进行后处理破坏纤维的光滑表面，以变成型条件或进行后处理破坏纤维的光滑表面，以及在纺丝液中添加与成纤高聚物折射率不同的物质，及在纺丝液中添加与成纤高聚物折射率不同的物质，以减弱纤维表面的光泽。以减弱纤维表面的光泽。B.纤维横截面形状和皮芯结构纤维横截面形状和皮芯结构纤维横截面形状：纤维横截面形状：几乎所有的天然纤维都属于非标准圆形几乎所有的天然纤维都属于非标准圆形截面纤维。截面纤维。(a)棉花的横截面；棉花的横截面；(b)蚕丝的横截面；蚕丝的横截面；(
7、c)羊羊毛不同染色的横截面；毛不同染色的横截面；(d)羊毛不对称皮质羊毛不对称皮质的名称和性质。的名称和性质。天然纤维的形态结构天然纤维的形态结构棉花是一种具有天然卷曲棉花是一种具有天然卷曲的空心纤维，具有良好的的空心纤维，具有良好的保暖性和吸湿性。保暖性和吸湿性。蚕丝的三角形截蚕丝的三角形截面使它产生特殊面使它产生特殊的光泽。的光泽。羊毛是由两种吸水能力羊毛是由两种吸水能力不同的组分组成的双组不同的组分组成的双组分纤维，使它具有稳定分纤维，使它具有稳定的卷曲与良好的蓬松性的卷曲与良好的蓬松性和弹性。和弹性。用简单的方法改变合成纤维的截面形状就用简单的方法改变合成纤维的截面形状就可赋予用化学方
8、法所不能获得的特性，这可赋予用化学方法所不能获得的特性，这是异形纤维得到迅速发展的原因。是异形纤维得到迅速发展的原因。化学纤维通常具有圆形或近似圆形横截化学纤维通常具有圆形或近似圆形横截面，使纤维表面光滑、抱合力差、光泽面，使纤维表面光滑、抱合力差、光泽不好。不好。反弹性好，蓬松、特殊的风格，具有反弹性好，蓬松、特殊的风格，具有蚕丝般的柔和的光泽。蚕丝般的柔和的光泽。仿毛仿毛 高膨松度，手感好，覆盖性好，抗起球高膨松度，手感好，覆盖性好，抗起球仿毛、质轻保暖仿毛、质轻保暖纺丝纺丝 闪光性强、耐污、覆盖性强闪光性强、耐污、覆盖性强复合纤维是仿羊毛形态结构的化学纤维。复合纤维是仿羊毛形态结构的化学
9、纤维。将两种或两种以上成纤聚合物的熔体或溶液输入将两种或两种以上成纤聚合物的熔体或溶液输入同一个喷丝头，汇合后从同一纺丝孔喷出而形成。同一个喷丝头，汇合后从同一纺丝孔喷出而形成。双组分复合纤维横截面双组分复合纤维横截面并列型并列型皮芯型皮芯型按不同组成按不同组成在横截面中在横截面中的分布情况的分布情况a 并列型并列型 b 皮芯型皮芯型 由于组成复合纤维的两种组分，在热处由于组成复合纤维的两种组分，在热处理时会发生不同程度的收缩，使纤维产生三理时会发生不同程度的收缩，使纤维产生三维空间的螺旋状稳定卷曲形状。因此，具有维空间的螺旋状稳定卷曲形状。因此，具有很高的体积蓬松性、弹性和覆盖能力，使纤很高
10、的体积蓬松性、弹性和覆盖能力，使纤维的毛型感强维的毛型感强.皮芯结构皮芯结构 湿纺纤维的结构特征之一。由于凝湿纺纤维的结构特征之一。由于凝固液在纺丝液细流内外分布不均匀，使固液在纺丝液细流内外分布不均匀，使细流内部和周边的高聚物以不同的机理细流内部和周边的高聚物以不同的机理进行相分离和固化，从而导致纤维沿径进行相分离和固化，从而导致纤维沿径向有结构上的差异。向有结构上的差异。皮层含量一般随凝固液的组分而皮层含量一般随凝固液的组分而改变。皮芯结构对纤维的吸附性改变。皮芯结构对纤维的吸附性能、染色性、强度及断裂伸长等能、染色性、强度及断裂伸长等影响较大。影响较大。外层有一层外层有一层极薄的皮膜极薄
11、的皮膜皮膜内部是纤维的皮膜内部是纤维的皮层皮层,含有较小的微含有较小的微晶，并具有较高的晶，并具有较高的取向度。取向度。里边是芯层里边是芯层,结构较疏结构较疏松，微晶尺寸较大松，微晶尺寸较大4.3.4 天然纤维和人造纤维天然纤维天然纤维植物纤维植物纤维动物纤维动物纤维棉纤维（主要成分是纤维棉纤维（主要成分是纤维素，强度较低，延伸率较素，强度较低，延伸率较低，湿强度高）、麻纤维低，湿强度高）、麻纤维天然纤维天然纤维毛纤维毛纤维(组成物质主要是蛋白组成物质主要是蛋白质，弹性好，质，弹性好，吸湿率较高，吸湿率较高，耐酸性好；但强度低，耐热耐酸性好；但强度低，耐热性和耐碱性较差性和耐碱性较差)、蚕丝、
12、蚕丝人造纤维人造纤维以天然聚合物为原料，经过化学处以天然聚合物为原料，经过化学处理与机械加工而制得的化学纤维。理与机械加工而制得的化学纤维。有良好的吸湿性，透气性和染色性，有良好的吸湿性，透气性和染色性，手感柔软，富有光泽。手感柔软，富有光泽。再生纤维素纤再生纤维素纤维维(以含纤维素以含纤维素的农林产物为的农林产物为原料制得，化原料制得，化 学组成与原料学组成与原料相同，但物理相同，但物理结构发生变化结构发生变化)纤维素酯纤维纤维素酯纤维 (以纤维素为原以纤维素为原料，经酯化后料，经酯化后纺丝制得纺丝制得 化学化学组成与原料不组成与原料不同同)再生蛋白质再生蛋白质纤维纤维(原料原料是玉米、大是
13、玉米、大豆、花生及豆、花生及牛乳酪等蛋牛乳酪等蛋白质白质)粘胶纤维粘胶纤维19051905年开始工业化生产，是化学纤维中发展最早年开始工业化生产，是化学纤维中发展最早的品种。原料易得，成本低廉、应用广泛。的品种。原料易得，成本低廉、应用广泛。原料：原料：木材、棉短绒、甘蔗渣、芦苇木材、棉短绒、甘蔗渣、芦苇 纺丝方法：纺丝方法：湿法纺丝湿法纺丝 性能：性能：基本化学组成与棉纤维相同，某些性能相似：基本化学组成与棉纤维相同，某些性能相似：吸湿性与透气性，染色性及纺织加工性较好。吸湿性与透气性，染色性及纺织加工性较好。大分子链聚合度比棉纤维低，分子取向度较小，分子大分子链聚合度比棉纤维低，分子取向度
14、较小，分子链排列不紧密，某些性能较棉纤维差：干、湿强度低。链排列不紧密，某些性能较棉纤维差：干、湿强度低。粘胶纤维织物吸水后膨化，变硬。弹性、耐磨性、耐粘胶纤维织物吸水后膨化，变硬。弹性、耐磨性、耐碱性较差。碱性较差。应用：应用：人造丝、人造丝、人造毛、人造毛、人造棉人造棉粘胶纤维长粘胶纤维长丝，可制成丝，可制成各种平滑柔各种平滑柔软的丝织品软的丝织品毛型短纤维，毛型短纤维，毛纺厂不可缺毛纺厂不可缺少的原料少的原料棉型粘胶短纤维棉型粘胶短纤维，可织成各种色彩可织成各种色彩绚丽的人造棉布，绚丽的人造棉布，适于做内衣、外适于做内衣、外衣以及各种装饰衣以及各种装饰织物。织物。新型粘胶纤维新型粘胶纤维
15、(高湿模量粘胶纤维高湿模量粘胶纤维)大分子取向度高、结构均匀。在坚牢度、耐大分子取向度高、结构均匀。在坚牢度、耐水洗、抗皱性和形状稳定性方面更接近优质水洗、抗皱性和形状稳定性方面更接近优质棉。棉。醋酯纤维醋酯纤维 以醋酸纤维素为原料经纺丝而制得以醋酸纤维素为原料经纺丝而制得铜铵纤维铜铵纤维 经提纯的纤维素溶解于铜铵溶液中，经提纯的纤维素溶解于铜铵溶液中，纺制而成的一种再生纤维素纤维。纺制而成的一种再生纤维素纤维。性能：性能：在外观、手感和柔软性方面与蚕在外观、手感和柔软性方面与蚕丝相近，柔韧性大，富有弹性和极好的丝相近，柔韧性大，富有弹性和极好的悬垂性。其它性能和粘胶纤维相似。纤悬垂性。其它性
16、能和粘胶纤维相似。纤维截面呈圆形，穿用舒适。维截面呈圆形，穿用舒适。再生蛋白质纤维再生蛋白质纤维 用动物或植物蛋白质为原料制成。用动物或植物蛋白质为原料制成。性能：性能：物理和化物理和化学性质与羊毛近学性质与羊毛近似，染色性能很似，染色性能很好，但强度较低，好，但强度较低，湿强度更差。湿强度更差。合成纤维合成纤维聚酰胺纤维聚酰胺纤维 商品名锦纶、尼龙等商品名锦纶、尼龙等结构：分子主链含有酰胺键结构：分子主链含有酰胺键CONHHN(CH2)NHCO(CH2)COxynHN(CH2)COxn分类分类二元胺与二元酸缩聚二元胺与二元酸缩聚-氨基酸缩聚或氨基酸缩聚或内酰胺开环聚合内酰胺开环聚合主要品种主
17、要品种尼龙尼龙66尼龙尼龙610尼龙尼龙1010NH(CH2)6NHCO(CH2)4COn尼龙-66NH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+nn+H2O(2n-1)NH(CH2)6NHCO(CH2)8COn尼龙-610NH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)8COOH+nn+H2O(2n-1)NH(CH2)10NHCO(CH2)8COn尼龙-1010NH2(CH2)10NH2HOOC(CH2)8COOH+nn+H2O(2n-1)耐磨性好，优于其他一切纤维耐磨性好，优于其他一切纤维强度高、耐冲击性好。强度最高的合成纤维之一强度高、耐冲击性好。强度最高的合成纤维之一弹性高，耐疲劳性
18、好弹性高，耐疲劳性好密度小。除密度小。除PE、PP纤维外最轻的纤维。纤维外最轻的纤维。耐腐蚀、不发霉，染色性好。耐腐蚀、不发霉，染色性好。弹性模量小，使用过程中易变形，耐热及耐光性较差弹性模量小，使用过程中易变形，耐热及耐光性较差尼龙尼龙6NH(CH2)5COnNH2(CH2)5COOH缩聚反应NH(CH2)5COnNH(CH2)5COn或开环反应聚己(内)酰胺尼龙6+(n-1)H2O性能性能用途：用途：纯纺、混纺做各种衣料及针织品；弹力丝袜；纯纺、混纺做各种衣料及针织品；弹力丝袜；工业上主要用作轮胎帘子线、渔网等工业上主要用作轮胎帘子线、渔网等商品名涤纶商品名涤纶(的确良的确良)、达柯纶等、
19、达柯纶等由聚酯树脂经熔融纺丝和后加工处理制成由聚酯树脂经熔融纺丝和后加工处理制成由二元酸和二元醇经缩聚制得，大分子主链含有酯基由二元酸和二元醇经缩聚制得，大分子主链含有酯基COO聚酯纤维聚酯纤维对苯二甲酸乙二酯对苯二甲酸乙二酯COOHHOOC+CH2CH2HOOHCCOOOCH2CH2Onnn+(2n-1)H2O1953年投入工业化年投入工业化生成，合成纤维中生成，合成纤维中发展最快的品种，发展最快的品种，产量居第一位。产量居第一位。性能特点：性能特点：弹性好。弹性好。弹性接近羊毛，耐皱性超过其他一切纤弹性接近羊毛，耐皱性超过其他一切纤维维强度大。强度大。湿态下强度不变。冲击强度高湿态下强度不
20、变。冲击强度高 吸水性小。吸水性小。因而电绝缘性好，易洗易干因而电绝缘性好，易洗易干耐热性好。耐热性好。熔点熔点255260耐磨性耐磨性仅次于聚酰胺纤维，耐光性仅次于聚丙烯仅次于聚酰胺纤维，耐光性仅次于聚丙烯腈纤维。还具有较好的腈纤维。还具有较好的耐腐蚀性耐腐蚀性。应用：应用：聚酯纤维弹性好、织物有易洗易干、保型聚酯纤维弹性好、织物有易洗易干、保型性好、免熨等特点，是理想的纺织材料。工业上性好、免熨等特点，是理想的纺织材料。工业上可作为电绝缘材料、运输带、绳索、渔网、轮胎可作为电绝缘材料、运输带、绳索、渔网、轮胎帘子线、人造血管等。帘子线、人造血管等。商品名腈纶、奥纶、开司米纶等商品名腈纶、奥
21、纶、开司米纶等以丙烯腈以丙烯腈()()为原料聚合而成为原料聚合而成聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维CH2CHCNnCH2CHCNn目前大量生产的聚丙烯腈纤维是由目前大量生产的聚丙烯腈纤维是由8585以上的丙烯腈和以上的丙烯腈和少量其他单体的共聚物纺制而成）少量其他单体的共聚物纺制而成）CH2CHCN1950年投入工业生产，世界产量居合成年投入工业生产，世界产量居合成纤维第三位纤维第三位纯聚丙烯腈：分子间作用力强、分子排纯聚丙烯腈：分子间作用力强、分子排列紧密，硬脆、难以染色列紧密，硬脆、难以染色(第二单体：第二单体：丙烯酸甲酯、醋酸乙烯丙烯酸甲酯、醋酸乙烯，第三单体：，第三单体：甲甲叉丁二酸、丙烯磺酸
22、钠叉丁二酸、丙烯磺酸钠)性能特点：性能特点：弹性模量高，仅次于聚酯纤维，保型性好弹性模量高，仅次于聚酯纤维，保型性好耐光性与耐气候性能，除氟纤维外最好的耐光性与耐气候性能，除氟纤维外最好的具有很高的化学稳定性，对酸、氧化剂及有具有很高的化学稳定性，对酸、氧化剂及有机溶剂极为稳定。耐热性也较好。机溶剂极为稳定。耐热性也较好。用途：用途：无论外观或手感都很像羊毛，强度高、密度无论外观或手感都很像羊毛，强度高、密度小，广泛地用来代替羊毛。可与羊毛混纺制成毛织小，广泛地用来代替羊毛。可与羊毛混纺制成毛织物等。还适用于制作军用帆布、窗帘、帐篷等。物等。还适用于制作军用帆布、窗帘、帐篷等。各种纤维，无论是天然纤维、还是人造纤维和各种纤维，无论是天然纤维、还是人造纤维和合成纤维，合成纤维，都各有优点和缺点。都各有优点和缺点。天然纤维天然纤维优点优点缺点缺点吸湿性好，穿着时不闷气，容易染色耐热。吸湿性好，穿着时不闷气，容易染色耐热。耐磨性差，不够结实。耐磨性差，不够结实。人造纤维人造纤维吸湿性好，穿着舒适。吸湿性好，穿着舒适。优点优点缺点缺点湿强度差，不经洗。湿强度差，不经洗。合成纤维合成纤维优点优点缺点缺点强度高，耐磨性能好，十分结实耐穿。强度高，耐磨性能好，十分结实耐穿。不易染色，不透气，吸湿性差。不易染色，不透气，吸湿性差。
