1、第四章 纤维的物理性质Back第一节 纤维的热性能 一、纤维的比热 纤维的比热，也称比热容，是指单位质量的纤维，在温度变化1时所吸收或放出的热量，即：Tmqc0式中：Co干纤维的比热（J/gK），M干纤维的质量，T温度的变化，q纤维吸收或放出的热量。对含有水份的纤维，温度变化1时所吸收或放出的热量，除纤维外，还有纤维中的水份，湿纤维的比热为：)(10000CCMCCw式中：C湿纤维的比热（J/gK），Co干纤维的比热（J/gK），Cw水的比热（J/gK），M纤维含水率。纤维的比热值随温度的升高而增大，但各种纤维比热增大幅度不同。二、纤维的导热性 导热性：在有温差的情况下，热量从高温向低温传递的
2、性质。保暖性：抵抗这种传递的能力。导热系数：当纤维材料的厚度为1m且两侧表面之间的温度差为1时，1h内从1m2的纤维面积中通过的热量（KJ）。tTFQa单位：k J（mkh）热传导率k：在纤维材料的厚度为a的时候，通过该材料厚度的热量。tTFQak单位：kJ（m2kh）式中：Q通过制品的热量（KJ），a制品的厚度（m），F制品的面积（m2），T温差（），t时间（h）。影响纤维导热性的因素：（1）纤维集合体的体积质量 有资料表明：纤维层的体积质量在0.030.06gm3范围时导热系数最小。（2）纤维回潮率：随着纤维回潮率的增高，纤维的导热系数会增大，而保暖性下降。（3）温度：温度高时，纤维的导热
3、系数稍有增大。三、纤维的热裂解与纤维的三态转变 （一）加热过程中的物相变化 纤维受热后，物理状态的变化有两种类型：（1）先随温度升高脱去水份，然后氧化降解，直接由固态裂解为气体和碳素残渣。如许多天然纤维素纤维、天然蛋白质纤维、再生纤维。（2）先随温度升高脱去水分，随后纤维开始由固态（玻璃态）转变为有高形变能力的高弹态，或者从近似于玻璃态的低高弹态转变为高弹态，再继续升高温度，纤维成为流动态的熔体（粘流态），再升高温度便开始热裂解。如涤纶、锦纶等合成纤维。（二）热塑性纤维的三态转变 热塑性纤维：物理状态随温度变化发生“三态转变”的纤维。1三态转变的基本特征 玻璃态：在温度比较低时，纤维表现出有类
4、似于刚体的性能。高弹态：温度升到相当高以后，纤维表现为有类似于橡胶那样的性能。粘流态：再升高温度，纤维表现为有类似于液体的流动状态。2三态转变的分子运动机理（1）玻璃态玻璃态时，分子热运动的能量很低，无法克服阻碍主链内旋转的势能，对外表现就是仅有普弹形变的变形特性。（2）高弹态高弹态时，分子因升温而获得的运动能量已足以克服阻碍内旋转的能垒障碍，分子构象可改变。这个过程发生的形变值很大，且能够回复。（3）粘流态粘流态时，不仅链段能运动，且整个分子链也能运动，这时若加以外力，就会出现“粘性流动”，即整个分子间的相对移动。形变不可逆。3三态转变温度（1）玻璃化温度（Tg）指由玻璃态转变为高弹态时的温
5、度。（2）流动温度（熔点）（Tf）指高弹态与粘流态的分界温度。（3）其它特征温度 在玻璃化温度以下，邻近高弹态处就还可再分出一段所谓“强迫高弹态”的区域，并把这一区域与典型玻璃态之间的分界点定义为脆化温度。四、纤维的耐热性与难燃性 （一）纤维的耐热性 纤维的耐热性：指纤维在高温下保持自身物理机械性能的能力。纤维的热稳定性：指纤维对热裂解的稳定程度。受热温度超过500时，纤维的热稳定性叫耐高温性。裂解：是指高分子主链的断裂，通常有热裂解和化学裂解（氧化、水解等），且同时发生。（二）纤维的燃烧性 易燃的：纤维素纤维、腈纶 可燃的：羊毛、蚕丝、锦纶、涤纶、维纶 难燃的：氯纶、聚乙烯醇-氯乙烯共聚纤维
6、（维氯纶）不燃的：石棉、玻璃纤维等 极限氧指数LOI（Limit Oxygen Index）：材料点燃后在氧-氮大气里维持燃烧所需最低含氧量的体积百分数。%100222的体积的体积的体积NOOLOI提高纤维阻燃性的方法：（1）在成纤高聚物的聚合阶段，加入反应型阻燃剂作为共聚单体进行共聚阻燃改性。（2）在纺丝熔体或原液中添加阻燃剂，对纤维进行共混阻燃改性。（3）复合纺丝阻燃改性，即采用复合纺丝法制备具有芯鞘结构的阻燃纤维，芯层为普通纤维，鞘层为共聚型或添加型阻燃纤维。（4）在普通纤维上与反应性阻燃剂进行接枝共聚，或通过阻燃整理而赋予纤维以阻燃性，即阻燃改性的表面处理法。五、纤维的热定形 热定型：
7、指籍助热处理使纤维已获得的变形被适当固定，固定可以是永久性的，也可以是暂时性的。纤维的热定型机理：（一）非热塑纤维的热定型机理 时温等效原理。松驰时间和热定型温度之间的时温等效转换方程（阿累尼乌斯方程）：RTEe0式中的E为纤维分子链上运动单元以某种方式运动时需要的能量；T为绝对温度；R为气体常数；为松弛时间；o为初始常数。上式表明：温度增加，松弛时间减少，过程加快。（二）热塑性纤维的热定型机理 利用三态转变温度：升温到玻璃化转变温度以上，将纤维变形，然后保持变形并降温使纤维回复到玻璃态环境中，纤维变形即可被“定型”下来。这一机理适用于大多数合成纤维，如涤纶、锦纶纤维等。六、纤维的热膨胀与热收
8、缩 （1）纤维的热膨胀：遵循固体材料在热的作用下轻微膨胀的一般规律。（2）纤维的热收缩：一些具有三态转变并通过热抽伸成形的热塑性纤维，受热以后反而收缩，膨胀系数表现为负值。热收缩程度的量度：热收缩率：加热处理前后的长度变化与原长的比值。常用加热方式：沸水收缩、热空气收缩和饱和蒸汽收缩。第二节 纤维的电性能 纤维的电性能：指纤维在外加电压或电场作用下的行为及其表现出的各种物理现象，包括在变化电场中的介电性质、在弱电场中的导电性质、在强电场中的击穿现象以及发生在纤维表面的静电现象。一、纤维的电阻 纤维的导电性能用电阻率（或导电率）来表示。体积比电阻v：直流电流通过截面积为lcm2和厚度为lcm纤维
9、材料的电阻（cm）。dSRvvS测量电极的面积（cm2），d纤维材料厚度（cm）表面比电阻s：直流电流通过长lcm、宽lcm纤维材料的电阻（）。bLRSsL电极长度（cm），b平行电极间距离（cm）质量比电阻m：其数值等于长1 cm、质量为1g的纤维的电阻值，单位g cm2。影响纤维电阻的因素：（1）水份对纤维电阻的影响：（2）温度对纤维电阻的影响：纤维的比电阻随温度升高而下降。（3）结构对纤维电阻的影响：纤维的结晶度增大，电阻变大；取向度增加，电阻下降。（4）杂质对纤维电阻的影响：在合成纤维制造过程中，可以通过将导电粒子（如金属粉末、碳黑、金属氧化物等）与基质聚合物共混或复合纺丝制成导电纤维
10、。或者将导电成分涂敷在非导电主体聚合物纤维的表面，得到具有低比电阻的导电纤维。起电现象：在一定的外界条件下，物体间可以发生电子的转换，接受电子的物体由于电子过剩而显负电，失去电子的物体则显正电，这就是起电现象。纤维在纺织加工中要受到各种机件的作用，由于纤维与机械以及纤维与纤维间的摩擦，必会聚集起许多电荷，这就是静电。二、纤维的静电 减少合成纤维静电的方法：（1）在纺丝时，在大分子链上引入某些极性基团，以减少纤维的表面比电阻；（2）使用表面活性剂，使它在纤维表面形成一层薄膜，降低纤维的摩擦系数，增强纤维表面的吸湿性并降低纤维的表面比电阻；（3）增加环境相对湿度，使纤维回潮率增大，所带电荷减少；（
11、4）将碳粉、金属粉的微粒嵌入合成纤维，来发挥抗静电作用。电介质是电的绝缘体。介电性质：指电介质在电场作用下，由于极化而引发的对静电能的储蓄以及在交变电场中的损耗等性质。介电性质的表达：（1）介电系数，（2）介电损耗 三、纤维的介电性质n（一）介电系数 01CC01QQ式中的C0和C1分别是以真空为介质和以纤维为介质时，平板电容器的容量，在电压为V时，此时电容器上聚集的电荷量分别为Q1和Q0，Q称为感应电荷量 QQQ01影响纤维介电系数的因素：1纤维内部因素 主要包括相对分子质量、密度与极化率。2外界因素的影响（1）温度（2）频率（3）回潮率及堆砌的紧密程度（二）介电损耗 介质损耗：纤维中的极性
12、水分子，在交变电场作用下，会发生极化现象，分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换不断地作交变取向运动，使分子间不断发生碰撞和摩擦。要克服摩擦，就要消耗能量，介质可以吸收一部分并把它转变为热能，使介质发热。介质因发热而消耗的能量，叫介质损耗。3 光学性质 一、纤维的光泽 （一）纤维光泽的形成 （二）纤维形态结构与光泽的关系 1纤维表面状态对光泽的影响 （1）纤维表面状态对表面反射光的影响 平整光滑的表面，可形成正反射光；表面不平整光滑，则反射方向分散。（2）纤维的表面结构对内部反射光的影响 纤维表面的原纤结构能够决定入射光线在表面反射和进入纤维内部实现内部反射的比例。2纤维的层状构
13、造对光泽的影响 当具有层状构造的纤维受到光线照射时，在纤维表面发生第一次、第二次、第三次光的反射与折射，不仅会使纤维表面的反射光量增加，光泽增强，且光泽柔和均匀，有层次，不刺目。3纤维的截面形状对光泽的影响 三角形截面的纤维不仅光泽较强，而且还有“闪光”效果。（三）表征纤维光泽的方法与指标 1以变角光度法为基础的表征方法 （1）镜面光泽度 （2）对比光泽度 n2以杰弗里斯迴转光度法为基础的表征方法 n3以偏光光泽度法为基础的表征方法/IIIIGp 二、纤维的双折射 光线投射到纺织纤维上时，在界面上除了产生反射光以外，进人纤维的光线将分解成两条折射光，叫双折射。两条折射光都是偏振光，振动面相互垂
14、直。nn叫双折射差度或双折射率。三、纤维的耐光性 纤维在贮存和穿用过程中，因受各种大气因素的综合作用，性能会逐渐恶化，如变色、变硬、变脆、发粘、透明度下降、失去光泽、强度下降、破裂等，直到丧失使用价值。这种现象叫“老化”。常见纤维耐光性的大致顺序是：腈纶羊毛麻棉粘胶涤纶锦纶蚕丝。第四节 纤维的吸湿性能 吸湿性：纤维从气态环境中吸着水分的能力。浸润性或润湿性：纤维从水溶液中吸着水分的能力。一、纤维的吸湿指标 n（一）回潮率和含水率(%)10000GGGW(%)1000GGGMn式中：G试样原始重量，简称湿重；n G。试样干燥重量，简称干重。；(%)100100MMW(%)100100WWMn（二
15、）标准回潮率 n在标准大气条件（温度=203，相对湿度=653）下，经过规定的时间（24h）以后测得的回潮率。n（三）公定回潮率 n为了在商业上对原料计重、估价的方便，各国依据各自的具体条件，对各种纤维材料规定的特定回潮率标准。n（四）公定重量 n 混纤丝或混纺纱的公定回潮率W（%）：22121211WGGGWGGGW式中：G1甲纤维干重（g），G2乙纤维干重（g），W1甲纤维的公定回潮率（%），W2乙纤维的公定回潮率，（%）。二、纤维的吸湿机理 （一）水分子在纤维大分子和原纤结构中的存在形式 直接吸收水：由亲水基团直接吸收的水分子。间接吸收水：重叠在已被吸收的水分子上或由纤维中其他物质的亲水
16、基团所吸引的水分子。三、纤维的吸湿性能 （一）吸湿平衡与吸湿滞后性 平衡回潮率：将具有一定回潮率的纤维放到一个新的大气条件下，它会立刻放湿或吸湿，经过一定时间后，单位时间内被纤维吸收的水分子数等于脱离纤维返回大气的水分子数时，纤维的回潮率逐渐趋向一个稳定值。这种状态称为吸湿相对平衡状态，处在平衡状态时的纤维回潮率称为平衡回潮率。纤维材料经68h或稍长时间的放置，回潮率的变化已很微小，这种状态可称为条件平衡状态，这时回潮率称为条件平衡回潮率。吸湿滞后性（吸湿保守现象）：同样的纤维在一定的大气温湿度条件下，从放湿达到的平衡和从吸湿达到平衡的平衡回潮率是不相等的，前者大于后者，这种现象叫做吸湿滞后性
17、。对吸湿保守性成因的解释：（1）材料尽力保持结构不变的倾向。（2）干-湿结构。（二）吸湿等温线 吸湿等温线：在一定温度条件下，纤维因吸湿达到的平衡回潮率和大气相对湿度的关系曲线。放湿等温线：由放湿达到的平衡回潮率和大气相对湿度的关系曲线。不同纤维的吸湿等温线不一致，但曲线的形状都呈反S形。（三）吸湿等湿线 吸湿等湿线：在一定的大气压力下，相对湿度一定时，纤维平衡回潮率随温度而变化的曲线。温度对平衡回潮率的影响较小，其一般规律是温度越高平衡回潮率越低。但在高温高湿的条件下，由于热膨胀等原因，纤维的平衡回潮率反略有增加。四、纤维吸湿的影响因素 一、纤维内在因素 （一）亲水基团的作用：多，吸湿好如：
18、1纤维素纤维；2蛋白质纤维；3合成纤维 （二）结晶度：低，吸湿好如：棉、粘胶（三）伴生物和杂质的影响如：生丝-熟丝；脱脂棉-原棉；羊毛-洗净毛 （四）比表面积：大，吸湿好如：超细纤维-普通纤维 二、外界因素 （一）相对湿度 在一定温度条件下，相对湿度愈高、空气中水蒸气的压力愈大，也即是在单位体积内的空气中水分子数目愈多，水分子到达纤维表面的机会愈多，其吸湿量就愈大。（二）温度 温度对回潮率的影响比较小，其一般规律是温度愈高，平衡回潮率愈低。4 吸湿对纤维材料性能的影响 一、重量和体积的变化：重量增加，体积膨胀 二、密度：“体积收缩”现象 三、吸湿热 吸湿积分热：在一定温度下，1g重的绝对干燥纤维从开始吸湿到完全润湿时放出的总热量。吸湿微分热：纤维在给定回潮率下吸着1g水放出的热量。四、电学性质 吸湿后电阻下降、介电常数上升。五、机械性质 一般纤维随着回潮率增加，强度降低、伸长增加；棉、麻、柞蚕丝等吸湿后强度有所增加。
