新大紡織材料學(xué)教案

紡織材料學(xué)教案

緒論

本章主要知識點(diǎn)：

1.紡織材料的概念和范疇

2.紡織材料的分類

3.紡織工業(yè)的發(fā)展

一、紡織材料的概念、范疇及相互關(guān)系

1.概念：

紡織材料：用來加工制成紡織品所用的紡織原料、紡織半成品以及成品的統(tǒng)稱。

紡織材料學(xué)：重點(diǎn)介紹紡織加工的原料、半成品和其各階段產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、主要性能、設(shè)計

及評價依據(jù)。

2.范疇：

包括紡織加工用的各種纖維原料和以紡織纖維加工成的各種產(chǎn)品

如一維形態(tài)為主的紗、線、纜繩等；

二維形態(tài)為主的網(wǎng)層、織物、絮片等；

三維形態(tài)為主的服裝、編結(jié)物、器具及其增強(qiáng)復(fù)合體等。

這些產(chǎn)品可以作為最終產(chǎn)品由消費(fèi)者直接使用，包括服用紡織品、家用紡織品、產(chǎn)業(yè)用

紡織品；同時，這些產(chǎn)品也可以與其他材料復(fù)合制造最終產(chǎn)品。

3.對象及相互關(guān)系：

表征方法與技術(shù)

纖維特征纖維集合體特征

萬

學(xué)

纖

分子組成維

光力學(xué)

學(xué)

排

分子結(jié)構(gòu)列

熱色澤

學(xué)

加

微細(xì)結(jié)構(gòu)捻

電

學(xué)均勻性

糾

幾何形態(tài)纏

表

面

粘

結(jié)耐久性

吸

表面結(jié)構(gòu)濕

組

織易護(hù)理

形

態(tài)形態(tài)穩(wěn)定

密

度手感風(fēng)格

"！

；舒適性

安全可靠

防護(hù)功能

二.紡織材料的分類

按形態(tài)分為紡織纖維、紗線及其半成品、織物等。

（一）紡織纖維（textilefibers）

1.定義：

截面呈圓形或各種異形的、橫向尺寸較細(xì)、長度比細(xì)度大許多倍的、具有一定強(qiáng)度和韌性

的（可撓曲的）細(xì)長物體。

2.分類:

按材料類別分為：有機(jī)纖維和無機(jī)纖維

按材料來源分為：天然纖維和化學(xué)纖維

（1）天然纖維按原料來源分為:植物纖維、動物纖維、礦物纖維

A.植物纖維（按取得部位分類）

種子纖維（棉、木棉、椰殼等）、韌皮纖維（芝麻、亞麻、黃麻、漢麻即無毒大麻、茴

麻、羅布麻等）、葉纖維（焦麻、劍麻等）、維管束纖維（竹纖維）

B.動物纖維分類

毛纖維（綿羊毛、山羊絨、駱駝毛絨、兔毛絨、羊駝毛、駱馬毛、狐毛、貂毛、藏羚

羊毛絨等）；分泌腺纖維（桑蠶絲、柞蠶絲、落麻蠶絲、天蠶絲、蜘蛛拖絲等）

C礦物纖維分類

它是天然無機(jī)化合物，主要有石棉（溫石棉、角閃石石棉、青石棉等）

此外，還有細(xì)菌纖維等。

（2）化學(xué)纖維分類

A.按聚合物來源分為：有機(jī)再生纖維、有機(jī)合成纖維和無機(jī)纖維

①再生纖維：

由天然高聚物溶解后紡絲制得，如纖維素纖維（黏膠纖維）、蛋白質(zhì)纖維、甲克素纖維等;

天然高聚物化學(xué)改性后溶解紡絲制得的纖維，有人稱為半合成纖維，如銅氨纖維、硝酯

纖維（纖維素硝酸酯）、醋酯纖維（纖維素醋酸酯）等。

②有機(jī)合成纖維：

以石油、天然氣、煤、農(nóng)副產(chǎn)品為原料人工合成高聚物紡絲制得的纖維，

a.按縱向形態(tài)分為：長絲（filaments,連續(xù)長度數(shù)千米甚至更長）、短纖維（staplefibres,

又區(qū)分為棉型、中長型、毛型等）;

b.按聚合物類型分為：碳鏈纖維（聚烯燒、聚乙烯醇、含氯纖維、含氟纖維等）、雜鏈

纖維（如聚酰胺、聚酯、聚丙烯月青、聚酸酯、聚氨酯、聚版、聚

甲醛、聚酰亞胺等）

③無機(jī)纖維：

玻璃纖維、碳纖維（由黏膠纖維、、聚丙烯精纖維、瀝青纖維等碳化而成）及石墨纖維、

金屬纖維（銅、銀、不銹鋼、鈦、鋁、銀等）、碳化硅纖維、玄武巖纖維等。

B.按加工過程分為：

初生絲、未拉伸絲、預(yù)取向絲、拉伸絲、全取向絲等；

C.按纖維粗細(xì)分為：

粗線密度、中線密度、細(xì)線密度、超細(xì)線密度和納米纖維（靜電紡絲的有機(jī)纖維和無機(jī)

的碳納米管等）

D.按纖維截面形態(tài)分為：

圓形、異形（三角、三葉、四葉、五葉、中空、偏心中空、多中空、橋形、H形、王形等）

E.按纖維成分分為：

單一成分纖維、多種成分纖維（按特征分為：混抽纖維和復(fù)合纖維（皮芯、海島、多層等））

（3）高性能纖維和功能纖維

紡織纖維中具有某些特殊工能（如超高強(qiáng)度、超高模量、耐高溫、耐燒蝕等）或某些應(yīng)

用性能（如防紫外、防電磁輻射、抑菌、抗菌、防臭、防蚊蟲等），有時也稱高性能纖維和

功能纖維。

（二）紗線及其半成品

1.定義：

由紡織纖維平行伸直（或基本平行伸直）排列利用加捻或其他方法使纖維抱合纏結(jié)形成連

續(xù)的具有一定強(qiáng)度、韌性和可撓曲性的細(xì)長體。

其中，較細(xì)的單股體稱為紗（yarns）；多股捻合體稱為線（threads）；很多股較粗的捻合體

或編結(jié)體稱為繩（cord,rope）或纜（cable,rope,hawser）

2.紗的半成品有：

粗紗、條（棉條、毛條、麻條等）、卷（棉卷等）

3.紗線的組成：

單一品種的紡織纖維制成紗線稱為純紡紗線;

兩種或多種紡織纖維利用紡紗混合方法制成的紗線稱為混紡紗線；

兩種或多種純紡紗線加捻并合的紗、線、纜稱為混并紗線或復(fù)合紗線。

4.紗線按紡織纖維長度分為:短纖維紗線、長絲紗線及兩者組成的復(fù)合紗線。

A.短纖維紗線按不同加工形成方法分為：

環(huán)錠紡紗線、轉(zhuǎn)杯紡紗線、噴氣紡紗線、賽絡(luò)紡紗線、平行紡紗線、花式紗線等。

B.長絲紗線按不同變形加工方法分為：

加彈長絲紗(又分為低彈長絲紗、中彈長絲紗、高彈長絲紗等)、空氣變形長絲紗、網(wǎng)

絡(luò)長絲紗和復(fù)合長絲紗(不同纖維品利不同加工方法、不同特性長絲的復(fù)合紗)等。

C.短纖維紗線和長絲紗線組成的復(fù)合紗線

(三)織物

1.定義:

由紡織纖維和紗線用一定方法穿插、交編形成的厚度較薄、長及寬度很大、基本以二維

為主的物體稱為織物(fabrics)。

2.分類：

A.織物按結(jié)構(gòu)及其形成方式不同分為：

①.機(jī)織物(weavingfabrics)

也可稱為梭織物，它是由兩組或兩組以上紗線用有梭織機(jī)或無梭織機(jī)編織成的織物

②,針織物(knittingfabrics)

它是由一組或多組紗線用針織機(jī)鉤結(jié)成圈形互相串套編織成的織物，

按織造方式的不同又分為：經(jīng)編針織物和緯編針織物兩大類

③.編結(jié)物(braidingfabrics)

它是由多組紗線用傾斜交編方法形成的織物

④.非織造織物(non-wovenfabrics)

它是開松鋪層的紡織纖維層片利用各種方式包括針刺、水刺、黏合劑黏合、熱壓黏結(jié)、紗

線縫合等使層片穩(wěn)定所形成的化合物；或是由平行均勻排列長絲用膜片黏托的片層形成的

織物，也可稱為“無緯織物”或“無緯布”

⑤.復(fù)合織物(compositedfabrics)

它是用上述四類織物和膜片等之中的兩類或多類織物疊層復(fù)合而成的織物,包括機(jī)織物于

針織物并聯(lián)交織而成的織物，機(jī)織物、針織物或非織造織物與有機(jī)高聚物薄膜復(fù)合的織物

等

B.按不同紡織纖維原料的種類分為：

棉織物、麻織物、毛織物、絲織物（絲綢）、化纖織物等純紡織物和兩種、兩種以上纖維

混紡紗線織制的混紡織物及兩種或兩種以上純紡紗線織制的交織織物。

C.按織物組織分為：

①.機(jī)織物中：平紋組織、斜紋組織、緞紋組織等織物；

②.緯編針織物中：平紋組織、羅紋組織、雙反面組織、雙羅紋組織等織物；

③.經(jīng)編針織物中：經(jīng)平組織、經(jīng)緞組織等織物；

④.編結(jié)物中的各種編結(jié)組織的織物等。

三、紡織工業(yè)的發(fā)展：

近200年來，紡織工業(yè)隨人口增長而迅速擴(kuò)展，其總加工量增長了近45倍.其中，天然纖

維由100%降到37.81%,化學(xué)纖維從零增加到57.59%,2006年全球各種紡織纖維的總產(chǎn)量

已達(dá)7400萬噸以上，見表I。

紡織工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)中的主要產(chǎn)業(yè)之一，它支撐著人民生活、國民經(jīng)濟(jì)、人民就業(yè)、國

際貿(mào)易等。

為保證環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,現(xiàn)在紡織工業(yè)正由大量依賴石油化工資源，轉(zhuǎn)向利用可再生、

可降解、可循換的生物資源，其原材料更是擴(kuò)及農(nóng)、林、牧、漁的許多領(lǐng)域。它的產(chǎn)品既滿

足了服裝和家用紡織品的消費(fèi)，也向機(jī)械、電工材料、電子、土建、水利、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、公

路、水運(yùn)、航空、航天等產(chǎn)業(yè)提供原材料及其增強(qiáng)體。因此，新型紡織原料包括高性能纖維、

新功能纖維的開發(fā)和應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，紡織材料在今后將會以更快的速度發(fā)展和提高。

四、應(yīng)關(guān)注的知識及思考

應(yīng)該多關(guān)注紡織工程、化纖工程、服裝工程、紡織品設(shè)計，以及計算機(jī)技術(shù)、測量與儀

器、標(biāo)準(zhǔn)體系方面的知識、技術(shù)及其進(jìn)展，特別是纖維工程（包括纖維初加工和化學(xué)纖維工

程），紡織工程和標(biāo)準(zhǔn)體系的相關(guān)進(jìn)展、技術(shù)與基礎(chǔ)理論。為理解紡織材料的變化和特征，

為發(fā)展紡織材料提供良好的參考。

表12006年世界和中國紡織纖維的生產(chǎn)形勢

紡織纖維品種全球全年產(chǎn)量中國全年產(chǎn)量中國加工消耗量

（萬噸）（萬噸）（萬噸）

棉（皮棉）2570.7664.61011.4

綿羊毛（凈毛）122.78.335.97

山羊絨（無毛絨）1.270.890.61

其他動物毛9.90.40.27

桑蠶絲14.514.1510.9

天其他蠶絲①1.10.350.30

然芭麻（精干麻）13.411.3511.00

纖亞麻（打成麻）44.110.325.86

黃麻（熟黃麻）165.40.02.9

維

槿麻（熟洋麻）18.415.815.8

漢（大）麻（精干麻）6.80.40.4

纖維

其他麻纖維（凈麻）②0.90.40.4

合計2969.17726.941115.81

黏膠纖維329.6143.46133.37

再

其他再生纖維及半合21.2722.43

生

纖成纖維③

維

合計329.6165.17155.80

聚酯纖維2780.81604.611588.75

聚酰胺纖維388.385.22102.94

合聚丙烯廉系纖維253.483.91117.37

成

聚丙烯纖維647.322.5423.45

纖

維聚乙烯醇纖維5.234.334.73

聚氨酯纖維18.02.903.56

其他化學(xué)纖維34.572.818.85

合計4127.61806.321849.65

總計7426.372698.433121.26

①榨蠶絲、篦麻蠶絲、天蠶絲等；②茴麻、劍麻、焦麻等；③醋酯纖維、甲克素纖維、

聚乳酸纖維等；④.包括膜裂纖維。

第一章纖維結(jié)構(gòu)的基本知識

教學(xué)目標(biāo)：

1、紡織纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述；

2、纖維素纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

3、蛋白質(zhì)纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4、合成纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

1、教學(xué)重點(diǎn)

幾種主要植物纖維的特性及其性能指標(biāo)。

2、教學(xué)難點(diǎn)

指標(biāo)體系及表述。

3、解決方法

建立清晰的概念，對在后面章節(jié)還會出現(xiàn)的長度、細(xì)度、強(qiáng)度等的概念和指標(biāo)可采用螺

旋上升的方法教學(xué)，成熟度要講透。

主要內(nèi)容：

1.棉纖維的形成，棉纖維的截面形態(tài)、截面結(jié)構(gòu)和縱面形態(tài)，棉纖維的主要組成物質(zhì)

及其耐酸耐堿性，棉花的種類和我國主要棉區(qū)，棉花初加工的概念以及鋸齒棉，皮輯棉的特

點(diǎn)及原棉檢驗。

2.麻纖維截面形態(tài)和縱面形態(tài)，主要組成物質(zhì)及其耐酸耐堿性，長度和細(xì)度，吸濕性,

強(qiáng)度和伸長率和柔軟性。

3.竹纖維的結(jié)構(gòu)、性能簡介。

教學(xué)與學(xué)習(xí)建議：

1、教學(xué)建議

2、學(xué)習(xí)建議

第一節(jié)纖維結(jié)構(gòu)概述

纖維的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，是由基本結(jié)構(gòu)單元經(jīng)若干層次的堆砌和混雜所組成的，并決定纖

維的性質(zhì)。因此我們研究纖維的任務(wù)和目的主要是：一是了解纖維結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，正確選

擇和使用纖維；二是通過各種途徑改變纖維結(jié)構(gòu)，有效地改變纖維性能。

纖維結(jié)構(gòu)：是指組成纖維的結(jié)構(gòu)單元相互作用達(dá)到平衡時在空間的幾何排列。

盡管纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但人們對其認(rèn)識一般分為三個方面，最為直觀的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)、較

為間接的纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和更為微觀的纖維分子結(jié)構(gòu)。

形態(tài)結(jié)構(gòu)：縱橫向幾何形態(tài)、徑向結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、孔洞結(jié)構(gòu)等

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：晶態(tài)、非晶態(tài)、結(jié)晶度、晶粒大小、取向度、側(cè)序分布等

大分子結(jié)構(gòu)：化學(xué)組成、單基結(jié)構(gòu)、端基組成、聚合度及其分布、大分子構(gòu)象、大分

子鏈柔曲性等

一、纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)是指纖維在光學(xué)顯微鏡（宏形態(tài)結(jié)構(gòu)）或電子顯微鏡（微形態(tài)結(jié)構(gòu)），

乃至原子力顯微鏡（AFM）下能被直接觀察到的結(jié)構(gòu)。包括纖維的外觀形貌、表面結(jié)構(gòu)、斷面

結(jié)構(gòu)、細(xì)胞構(gòu)成和多重原纖結(jié)構(gòu)，以及存在于纖維中的各種裂隙與空洞等。

纖維的原纖結(jié)構(gòu)

（1）原纖結(jié)構(gòu)特征

纖維中的原纖是大分子有序排列的結(jié)構(gòu)，或稱結(jié)晶結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格意義上是帶有缺陷并為多

層次堆砌的結(jié)構(gòu)。原纖在纖維中的排列大多為同向平行排列，能提供給纖維良好的力學(xué)性質(zhì)

和彎曲能力。

纖維的原纖按其尺度大小和堆砌順序可分為：基原纖一微原纖t原纖一巨原纖-細(xì)胞。

（2）各層次原纖的特征

基原纖（elementaryfibril）是原纖中最小、最基本的結(jié)構(gòu)單元，亦稱晶須，無缺陷。

微原纖（micro-fibril）是由若干根基原纖平行排列組合在一起的大分子束，亦稱微晶須，

帶有在分子頭端不連續(xù)的結(jié)晶缺陷，是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

大分子

I

基原纖

I

微原纖

圖27微原纖的堆砌形式示意圖

原纖（fibril）是一個統(tǒng)稱，有時可代表由若干基原纖或含若干根微原纖，大致平行組合在

一起的更為粗大的大分子束。

巨原纖（macro-自bril）是由多個微原纖或原纖堆砌而成的結(jié)構(gòu)體。

細(xì)胞（cell）是由巨原纖或微原纖直接堆砌而成的，并有明顯的細(xì)胞邊界。

二、纖維的大分子結(jié)構(gòu)

1.大分子結(jié)構(gòu)的基本概念

紡織纖維除了無機(jī)纖維（玻纖、石棉纖維、金屬纖維）等外，絕大多數(shù)都是高分子化合物（即

高聚物），分子量很大。紡織纖維的分子一般都是線形長鏈分子，量很大，由n個（〃約為102~105

數(shù)量級）重復(fù)結(jié)構(gòu)單元（稱鏈節(jié)或單基）相互連接而成的。

大分子結(jié)構(gòu)分為分子內(nèi)（分子鏈）結(jié)構(gòu)和分子間（超分子）結(jié)構(gòu)兩部分。

分子鏈結(jié)構(gòu)是指單個分子的結(jié)構(gòu)，也是大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，簡稱鏈結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)。

鏈結(jié)構(gòu)又分為討論鏈節(jié)（單基）組成及結(jié)構(gòu)的近程結(jié)構(gòu)和討論分子鏈空間形態(tài)的遠(yuǎn)程結(jié)

構(gòu)。

（1）單基（鏈節(jié)）：構(gòu)成纖維大分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)單元。

常用纖維的單基：纖維素纖維：B-葡萄糖?；?/p>

蛋白質(zhì)纖維：a-氨基酸?；?/p>

滌綸：對苯二甲酸乙二酯

錦綸：己內(nèi)酰胺

丙綸：丙烯

ffi綸：丙烯月青

單基的化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類決定了纖維的耐酸、耐堿、耐光、吸濕、染色性等，單

基中極性官能團(tuán)的數(shù)量、極性強(qiáng)弱對纖維的性質(zhì)影響很大。

（2）聚合度：構(gòu)成纖維大分子的單基的數(shù)目，或一個大分子中的單基重復(fù)的次數(shù)（n）?

若纖維大分子的分子量為單基的分子量為m則聚合度（重復(fù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)〃）為：

n-lnt（M/m）

或者大分子的分子量乂=單基的分子量mX聚合度n

一根纖維中各個大分子的n不盡相同，具有一定的分布一高聚物大分子的多分散性。

常用纖維的聚合度n：

棉麻的聚合度很高，成千f上萬；

羊毛n=576；

蠶絲n=400

再生纖維素纖維300-600

滌綸130

晴綸1000-1500

維綸n=1700

丙綸n=310-430

聚合度與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

n-n臨，纖維開始具有強(qiáng)力；nt,纖維強(qiáng)力t（：nt；大分子間的結(jié)合鍵t結(jié)合能

量變大）；但n增加至一定程度，強(qiáng)力趨于不變。n低時，一般來說，纖維的強(qiáng)度低些，濕

強(qiáng)度也低些，脆性明顯些。

n的分布：希望n的分布集中些，分散度小些，這對纖維的強(qiáng)度，耐磨性、耐疲勞性、

彈性都有好處。

制造北斜時，要控制n的大小

聚合度與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

(3)纖維大分子鏈的支化、構(gòu)型

纖維大分子的形狀由于單基的鍵接方式的不同，可以分為三種構(gòu)造形式：線型、枝型、

網(wǎng)型。

圖5-3大分子三種構(gòu)造名式

1一線大分子2一枝51大分子3-刊F大分子

(4)纖維大分子鏈的內(nèi)旋性、構(gòu)象

鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)：大分子鏈中的單鍵能繞著它相鄰的鍵按一定鍵角旋轉(zhuǎn)

構(gòu)象：分子鏈由于圍繞單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的原子在空間的不同排列形式。紡織纖維大分

子一般都呈卷曲著的構(gòu)象。

o

分子間的結(jié)構(gòu)屬三級結(jié)構(gòu)或稱三次結(jié)構(gòu)，就是后面要提的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

若干大分子聚集體或不同組份大分子聚集體的相互共混、復(fù)合，組合體是更高層次的

結(jié)構(gòu)體，屬高次結(jié)構(gòu)，或稱織態(tài)結(jié)構(gòu)。

（5）纖維大分子鏈的柔曲性

1、定義：指纖維大分子在一定條件下，通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)或振動而形成各種形狀的難易程度的

特性。

2、纖維大分子結(jié)構(gòu)與柔曲性的關(guān)系

單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是大分子鏈產(chǎn)生柔曲性的根源。對于高聚物而言，其中的大分子鏈的內(nèi)旋

轉(zhuǎn)除了受分子內(nèi)原子或基團(tuán)相互影響外分子間作用力也有很大影響。

①主鏈上原子鏈彈性好，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，，柔曲性t；

②側(cè)鏈較少，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，，柔曲性t

③主鏈四周側(cè)基分布對稱，鏈節(jié)易繞主軸旋.?.柔曲性t;

④側(cè)基間（大分子間）作用力較少，鏈節(jié)易繞主軸旋轉(zhuǎn)，，柔曲性t;

⑤溫度t,內(nèi)旋轉(zhuǎn)加劇，大分子鏈柔曲性t。

大分子的柔曲性是判斷高聚物彈性的主要條件之一，長鏈分子由于熱運(yùn)動而變成彎曲形

狀使高度柔曲性，這就是高聚物產(chǎn)生彈性的原因。柔順性好的纖維，受外力易變形，伸長大,

彈性較好，結(jié)構(gòu)不易堆砌的十分密集，但在外力作用下，易被拉伸，易形成結(jié)晶。

H

…-C

H

HHH

4UU

CHSHCH3HCH3

HHH

HCNHCNH

…一OOC/^SCOOCH2cHzOOC'k^COQCHzCHz—??

H

—CO—NH-—

RiRz

HOHCH20H

C-CC------O

4Z匕*

urH「「n

HAi\O

CH20HOH

HtH*HzH

7H/c7H/c7H/c、C

ccc

NN

大分子鏈原子的類型與排列

1—聚丙烯（丙綸）1c一聚丙烯殖（礴綸）

2a—聚對笨二甲酸乙二酯（滌綸）2?蛋白質(zhì)大分子（&】，&…不同的基團(tuán)）

2c-纖維索大分子3-碳纖維大分子4—石鬢纖維大分子

三'纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

定義：聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（超分子結(jié)構(gòu)）是指具有一定構(gòu)象的大分子鏈通過分子鏈間的作用

力而相互排列、堆砌而成的結(jié)構(gòu)。

纖維的超分子結(jié)構(gòu)是在天然纖維的生長過程或化學(xué)纖維的紡絲成形及后加工過程中形

成的具體是指纖維高聚物的結(jié)晶與非晶結(jié)構(gòu)、取向與非取向結(jié)構(gòu)、以及通過某些分子間共混

方法形成的“織態(tài)結(jié)構(gòu)'’等。高聚物的基本性質(zhì)取決于大分子結(jié)構(gòu)，而實際高聚物材料或制品

的使用性能則直接取決于在加工過程中形成的超分子結(jié)構(gòu)（聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）。

1.纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

將纖維大分子以三維有序方式排列，形成穩(wěn)定點(diǎn)陣，形成有較大內(nèi)聚能和密度并有明

顯轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)定點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

晶區(qū)特點(diǎn)

1）大分子鏈段排列規(guī)整

2）結(jié)構(gòu)緊密，縫隙，孔洞較少

3）相互間結(jié)合力強(qiáng)，互相接近的基團(tuán)結(jié)合力飽和

結(jié)晶度t-纖維的拉伸強(qiáng)度、初始模量、硬度、尺寸穩(wěn)定性、密度t,纖維的吸濕性、

染料吸著性、潤脹性、、柔軟性、化學(xué)活潑性I。

對于纖維聚集態(tài)的形式，上世紀(jì)40年代出現(xiàn)了“兩相結(jié)構(gòu)”的模型。

圖2-2取向和無序排列的纓狀微胞結(jié)構(gòu)

Hearle教授提出的纓狀原纖結(jié)構(gòu)模型（圖2-3）對此作了很好的解釋，并與纖維的原纖結(jié)

構(gòu)形成很好的對應(yīng)。

圖2-3纓狀原纖結(jié)構(gòu)圖2-4折疊鏈片晶

2.纖維的非晶結(jié)構(gòu)

纖維大分子高聚物呈不規(guī)則聚集排列的區(qū)域稱為非晶區(qū)，或無定形區(qū).

圖2-5取向和非取向折疊鏈片晶結(jié)構(gòu)模型

非晶區(qū)特點(diǎn)

1）大分子鏈段排列混亂，無規(guī)律；

2）結(jié)構(gòu)松散，有較多的縫隙，孔洞；

3）相互間結(jié)合力小，互相接近的基團(tuán)結(jié)合力沒飽和。

結(jié)晶度I~纖維吸濕性t；容易染色；拉伸強(qiáng)度較小，變形較大，纖維較柔軟，耐沖擊

性，彈性有所改善，密度較小，化學(xué)反應(yīng)性比較活潑。

3.纖維的取向結(jié)構(gòu)

不管天然纖維還是化學(xué)纖維，其大分子的排列都會或多或少地與纖維軸相一致，這種大

分子排列方向與纖維軸向吻合的程度稱作取向度。

結(jié)晶與取向是兩個概念，結(jié)晶度大不一定取向度高，取向應(yīng)包括微晶體的取向.除了卷

繞絲，一般說來，結(jié)晶度高，取向度也高。

取向度與纖維性能間的關(guān)系：纖維的取向結(jié)構(gòu)使纖維許多性能產(chǎn)生各向異性。纖維的

取向度大，大分子可能承受的軸向拉力也大，拉伸強(qiáng)度較大，伸長較小，模量較高，光澤教

好，各向異性明顯。

第二節(jié)纖維素纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

纖維素纖維較多，主要為天然纖維素纖維（如棉、麻）和合成纖維素纖

維（粘膠）。下面我們將分別對常用的典型纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一一講解。

纖維素纖維大分構(gòu)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的最小單元（晶胞）是由五個平行排列的纖

維素大分子在兩個氧六環(huán)的一段上組成:

如圖所示圖5-15纖維素纖維的單方晶格

棉纖維的結(jié)構(gòu)與特征

（1）分子構(gòu)成及分子間結(jié)構(gòu)

棉纖維和麻纖維的主要成分是纖維素，其分子式為（C6H10O5），化學(xué)結(jié)構(gòu)式為:

棉纖維大分子的聚合度為6000?15000,分子量為1?2.43百萬，其氧六環(huán)結(jié)構(gòu)是固定

的，但六環(huán)之間夾角可以改變，所以分子在無外力作用的非晶區(qū)中，可呈自由彎曲狀態(tài)。

圖2-9棉纖維原纖中(纖維素I)的晶胞結(jié)構(gòu)

(2)細(xì)胞形態(tài)與構(gòu)成

中腔

圖2-10棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)模型

(3)棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

棉纖維由外向內(nèi)是由初生層、次生層和中腔三個部分組成：

①初生層：其外皮是一層極薄的蠟質(zhì)與果膠的淀積層，外層之內(nèi)是纖維的初生胞壁。

一般認(rèn)為初生胞壁由原纖呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成。初生層很薄，纖維素含量不多。

②次生層：次生胞壁占棉纖維的絕大部分。它在棉纖維生長期間由外向內(nèi)逐漸分層沉

淀，形成日輪。次生胞壁也分為三層：外層S1,中層S2,內(nèi)層S3。次生層有明顯的“日輪”

結(jié)構(gòu)。

③中腔：棉纖維的中空部分，其內(nèi)留有少數(shù)原生質(zhì)和細(xì)胞核殘余，它對棉纖維顏色有影

響。

棉纖維成熟后截面呈腰圓形，次生胞壁各個位置上的密度發(fā)生變化，微原纖的集積方式

也要隨之改變，因此原纖的膨化能力和試劑的可及性都不一樣。

R

二、麻纖維的結(jié)構(gòu)特征

麻纖維成束聚集生長在植物的韌皮部或葉中。單纖維是管狀的植物細(xì)胞，兩端封閉。纖

維之間用果膠相粘接，經(jīng)脫膠后纖維分離。

麻纖維具有初生層，次生層和第三層，其內(nèi)纖維素分層沉積，纖維素大分子也將集成原

纖結(jié)構(gòu)。

三、粘膠纖維的典型結(jié)構(gòu)

粘膠纖維中纖維素大分子聚集成微原纖，原纖和聚原纖再形成纖維；粘膠纖維部分初生

層和次生層，沒有“日輪”層。但有皮芯結(jié)構(gòu)和鋸齒形截面；一般而言，皮芯層凝固速度差別

越大，截面形狀越不規(guī)則，皮層與芯層相比，具有較小的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，結(jié)構(gòu)比較均一,

溶脹性較小，可能存在亞纖維管空隙，密度較小，取向度較高。

表再生纖維素纖維的結(jié)晶度與聚合度表纖維素纖維的光學(xué)取向因子比較

纖維結(jié)晶度（％）聚合度纖維取向因子

普通粘膠30?35250?300粘膠低牽伸（普通粘膠）0.54

富強(qiáng)粘膠45?50500左右高牽伸（強(qiáng)力粘膠）0.88

強(qiáng)力粘膠50?55300?350銅氨粘膠0.74

Modal42?46350?450苧麻0.97

Tencel?48?52500?550海島棉0.72

漿粕55?65>600陸地棉0.62

圖纖維素II的晶格結(jié)構(gòu)示意圖

粘膠富纖強(qiáng)力粘膠高濕模量

圖幾種再生纖維素纖維的截面形態(tài)

四、Lyocell纖維

Lyocell纖維是可回收溶劑法制備的再生纖維素纖維。

結(jié)晶區(qū)

圖2-20水中膨潤后的纖維結(jié)構(gòu)示意圖

第三節(jié)蛋白質(zhì)纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)纖維的大分子結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)大分子的基本鏈節(jié)是a-氨基酸?；揽侩逆I連結(jié)而成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是如下圖。

a-氨基酸殘基

圖5-17蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)

R基團(tuán)不同形成的a-氨基酸也不同，有酸性，堿性和中性的。蛋白質(zhì)大分子可以是直

線狀的曲折鏈

（6型），也可

以是螺旋鏈（a

型）（見后頁

圖）。羊毛纖

維中兩種都有，

蠶絲基本是直

線狀的曲折鏈。

一、羊毛纖維的

結(jié)構(gòu)特征

（1）羊毛纖維的

大分子結(jié)構(gòu)

羊毛纖維

的基本組成是aBH5-18多肽長燃分子的空間結(jié)構(gòu)示意圖

1一直線狀曲折短2—螺旋鏈＜。型＞

氨基酸螺旋大

分子，a氨基酸是哺乳動物組織的基本組成。羊毛角蛋白大分子的構(gòu)成及相互鏈接作用如圖

2-11所示，是多交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，尤其是二硫鍵（一S—S-）。

HCYHjYOO，*CHj—CH?-CHj-CH,"CM

天.MR松如?CO

c?a

BM：(

、O應(yīng)，NH

HC—CHj-CHj-CH,—CH2-C-NH；-QOC-CHz-CH,-€H

/HIR?MH答口<?

CO

)8NW

弋一CHt>?-3----------------CHj^CO

圖2-11角蛋白大分子的構(gòu)成及分子間作用

⑵羊毛的超分子結(jié)構(gòu)

羊毛中大分子間依靠范德華力，氫鍵，鹽式鍵和二硫鍵相結(jié)合，形成網(wǎng)型構(gòu)造形式；

毛纖維的微原纖是由幾個基原纖平行排列組成。若干個微原纖再結(jié)晶區(qū)基本平行排列形

成原纖。

(3)羊毛纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

羊毛纖維是多細(xì)胞結(jié)構(gòu)體，有兩類細(xì)胞：鱗片細(xì)胞和皮質(zhì)細(xì)胞。

每一個鱗片是一個細(xì)胞，稱為表皮細(xì)胞(cuticlecell),由細(xì)胞間質(zhì)CMC(cellmembrane

complex)粘結(jié)組合成羊毛表面的連續(xù)覆蓋層。

皮質(zhì)細(xì)胞(cortexcell)有正皮質(zhì)(ortho-cortex)細(xì)胞和副皮質(zhì)(para-cortex)細(xì)胞之分。

羊毛的髓質(zhì)層。

外表皮層］次表皮層

高蕨細(xì)胞核ir內(nèi)表皮層鱗片

蛋白質(zhì)T物必力,表皮層〉

左螺旋低硫

分子組合蛋白質(zhì)

卷

6帶/金根，

右螺旋

尸帶」副皮質(zhì)」KJL正皮質(zhì)

大分子基原纖微原纖巨原纖

,1111細(xì)胞間質(zhì)'一斗生一

CMC皮質(zhì)細(xì)胞

inm2nm7nm200nm

2Hm20pm--形態(tài)尺寸

圖272羊毛纖維各層次結(jié)構(gòu)綜合示意圖

(3)羊毛的鱗片

鱗片為角質(zhì)化細(xì)胞，在成形后失去了細(xì)胞核和原生質(zhì)，形成為死細(xì)胞組織的角質(zhì)薄片。

圖273羊毛鱗片表層膜結(jié)構(gòu)示意圖

(4)羊毛的皮質(zhì)細(xì)胞

由于正、副皮質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致一剛一柔，一伸一縮，是羊毛的整體外觀形態(tài)呈彎曲

狀。正皮質(zhì)位于彎曲的外側(cè)；副皮質(zhì)位于彎曲的內(nèi)側(cè)。

(5)細(xì)胞間質(zhì)(CMC)

圖2-15羊毛纖維的細(xì)胞間質(zhì)

4.蠶絲的結(jié)構(gòu)特征

(1)蠶絲的大分子結(jié)構(gòu)

蠶絲是昆蟲加工的纖維，無細(xì)胞結(jié)構(gòu)。大分子也是a氨基酸結(jié)構(gòu)，稱絲骯或絲蛋白質(zhì)。

圖2-16蠶絲分子結(jié)構(gòu)

(2)蠶絲的形態(tài)結(jié)構(gòu)

蠶絲由絲膠和絲素構(gòu)成,絲膠包覆于絲素之外，絲素則是蠶絲纖維的主體，如圖2-17所示。

圖2-17蠶絲的各層次結(jié)構(gòu)綜合示意圖

第四節(jié)合成纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.常規(guī)合成纖維

(1)滌綸纖維(PET)

滌綸纖維或聚酯纖維，其大分子鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：

00

+C^Q^C-O-CH-CH—

單基由一個苯環(huán)、兩個酯基和兩個亞甲基(一CH2)構(gòu)成。一CH2—CH2一是柔性鏈；苯環(huán)

使分子鏈的剛性增大，熔融焙減小，結(jié)晶速率減緩，所以按傳統(tǒng)的熔體紡絲法得到的初生纖

維一般為非晶態(tài)，但經(jīng)過拉伸取向可誘導(dǎo)快速結(jié)晶，不僅取向度高，而且結(jié)晶度也高。

圖2-21滌綸纖維的分子及晶格示意圖

(2)錦綸纖維(PA)

錦綸或聚酰胺纖維或尼龍主要特征是大分子鏈由酰胺鍵(一CONH-)連接，主要品種錦

綸6和錦綸66,化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

「HO

、IH\II

尼龍66：―(CH2)—

-H0-

尼龍6：---1(>]—(CH2)-C--

⑶睛綸纖維(PAN)

旗綸纖維即聚丙烯旗纖維，其主要重復(fù)單元化學(xué)式為：

-CH2-CH(CN)-。

月青綸在內(nèi)部大分結(jié)構(gòu)上很獨(dú)特，呈不規(guī)則的螺旋形構(gòu)

象，且沒有嚴(yán)格的結(jié)晶晶區(qū)，屬準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)，但有高序排列與

低序排列之分。

囪9-99FB4I7AA的導(dǎo)，的延珈囪

圖2-23睛綸分子堆砌與單元晶格結(jié)構(gòu)

(4)丙綸纖維(PP)

根據(jù)甲基在鏈上的排列位置不同，形成不同的立體構(gòu)型，分為等規(guī)，間規(guī)、和無規(guī)。

全

同

立

構(gòu)

間同

立

構(gòu)

IHIRfHI-IHIRI

HHHHRHHHtactic

規(guī)

無

立

構(gòu)

KIHIHIRIHIXIRI

HHHHHHHatactic

圖2-24聚丙烯纖維的構(gòu)型示意圖

圖2-25丙綸纖維分子螺旋構(gòu)型

(5)維綸纖維(PVA)

圖2-26維綸纖維的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖

(6)氯綸纖維(PVC)

2.差別化纖維

(1)異形與多孔

差別化纖維在形態(tài)上改變，可引入異形和多孔。

例：(a)為單開孔，以增加表面積和內(nèi)凹蓄水和快速導(dǎo)水，但受壓后易于反滲水；

(b)為中空帶微孔，若微孔與中空相通，則可以形成導(dǎo)水和擴(kuò)散；

(c)為變異三葉形，大凹反射光性能優(yōu)良和減少接觸，葉頂小溝槽有利于導(dǎo)水和點(diǎn)

狀接觸；(d)為表面多坑結(jié)構(gòu)，可柔和光澤和增加表面積極蓄水點(diǎn)。

圖2-27中空微孔纖維SEM照片

(2)復(fù)合與超細(xì)

復(fù)合纖維的常見結(jié)構(gòu)如圖2-28所示，主要為雙組份的，但也可以是多組份的，此時結(jié)

構(gòu)將變得復(fù)雜。

——①并列型d區(qū)異形

-雙層一⑥④偏芯

—②芯鞘型

復(fù)

合——③并列型

—④木紋型

纖

—⑤放射型⑥輜中空放射型

維

1?——⑥多芯型

—多層多重型

—⑦鑲嵌型

——⑧海島型

—⑨星云型

圖2-28多種復(fù)合纖維的截面結(jié)構(gòu)示意

對環(huán)芯多層結(jié)構(gòu)的夾層大量摻入碳黑，并在纖維主體中，并在纖維主體中也摻入碳黑,

制成耐久性抗靜電、導(dǎo)電纖維。

圖2-29復(fù)合紡絲法制成的夾層導(dǎo)電纖維

超細(xì)纖維。

溶解式分離式或劈裂式

圖2-30典型超細(xì)纖維成形方法示意圖

(3)彈性結(jié)構(gòu)

彈性結(jié)構(gòu)的獲得主要是通過纖維的分子結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)獲得，分子結(jié)構(gòu)中最為主要的是

分子鏈的柔性和構(gòu)象。

圖2-31兩種彈性

第二章紡織纖維的形態(tài)及基本性質(zhì)

教學(xué)目標(biāo)：

1、使學(xué)生了解紡織纖維的形態(tài)及基本性質(zhì)。

2、使學(xué)生掌握紡織纖維的形態(tài)、基本性質(zhì)、衡量指標(biāo)及對紡織性能的影響。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

1、蔡學(xué)重2：幾種主要紡織纖維的特性及其性能指標(biāo)。

2、教學(xué)難點(diǎn)：指標(biāo)體系及表述。

教學(xué)與學(xué)習(xí)建議：

1、教學(xué)建議

授課形式：講解與討論，實驗

準(zhǔn)備常規(guī)紡織纖維的實物樣品和顯微鏡標(biāo)樣，讓學(xué)生觀察認(rèn)識常規(guī)紡織纖維

的形態(tài)特征；建立清晰的概念，對在后面章節(jié)還會出現(xiàn)的長度、細(xì)度、強(qiáng)度等的

概念和指標(biāo)可采用螺旋上升的方法教學(xué)，成熟度要講透；

充分做好實驗準(zhǔn)備。

2、學(xué)習(xí)建議

通過觀察紡織纖維的實物樣品和顯微鏡標(biāo)樣認(rèn)識紡織纖維的形態(tài)特征；

通過記憶和理解，掌握纖維的形態(tài)特征、基本性能、衡量指標(biāo)及對紡織性能

的影響；

通過實驗掌握主要性質(zhì)的測試方法，熟悉有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

第一節(jié)纖維的細(xì)度與纖密度

一、定義

纖維細(xì)度是指纖維粗細(xì)的程度。

纖密度是指在公定回潮率時，1000m長的纖維或紗線所具有的質(zhì)量克數(shù)。

特克斯（tex）是我國法定的纖密度計量單位，對于同一種紗線，纖密度越大，

紗線越粗；反之，纖密度越小，紗線越細(xì)。纖密度表達(dá)式為：

T1000Gk

Gk—公定回潮率時的紗線重量，g；L--紗線長度，m

2.旦數(shù)ND

旦數(shù)即旦尼爾數(shù)（Denier）,較多地用于絲和化纖長絲中，又稱纖度。。是

指9000m長的纖維在公定回潮率時的質(zhì)量克數(shù)，即

=97；

3.公制支數(shù)Nm

公制支數(shù)N.簡稱支數(shù),是指在公定回潮率時1g纖維或紗線所具有的長度米

（m）數(shù)，即

N」=也

mGk

4、直徑與截面積

通過光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡觀測直徑。和截面積A,常用于羊毛及其他動

物毛，圓形化學(xué)纖維的細(xì)度表達(dá)。由于纖維很細(xì)，以微米（pm）為單位，近似

圓形的計算為

A=TK/2/4

由于紗線為纖維與空隙的共構(gòu)物，紗線的界面形狀并不是圓形的，紗線表面

存在毛羽，纖維在紗線橫截面內(nèi)的分布是非均勻的，同時沿紗線長度方向的的截

面尺寸又存在非均勻變化的特征，因此紗線直徑的理論計算值與實際測量值之間

存在一定的差異。

第二節(jié)纖維的形態(tài)及其對紡織品的性能影響

纖維的形態(tài)主要是指:纖維的長度、細(xì)度、截面、卷曲或轉(zhuǎn)曲等。纖維的形

態(tài)與纖維的可紡性、成紗質(zhì)量、手感、保暖性等關(guān)系密切.

一、纖維的長度

1、基本概念

纖維長度：一般指伸直長度，即纖維伸直而未伸長時兩端的距離。

另有自然長度（自然長度：纖維在自然伸展?fàn)顟B(tài)下的長度）：例毛叢長度

①天然纖維一一隨動物、植物的種類、品系與生長條件而不同。

棉、麻、毛：短纖維，纖維長度一般25?250mm；長度差異很大(不同品

種或同品種)

蠶絲：長絲，一個繭子上的繭絲長度可達(dá)數(shù)百米至上千米。

天然纖維長度(mm)范圍

棉纖維：25-45亞麻單纖維：15-20亞麻工藝?yán)w維:

500-750

黃麻單纖維：2-4黃麻工藝?yán)w維：2000-3000大麻單纖維：

10-15

大麻工藝?yán)w維：700-1500細(xì)毛、半細(xì)毛：50-100粗毛、半粗毛:

50-200

②化學(xué)纖維一一人工制造，可根據(jù)需要而定。

化學(xué)纖維分類:長絲：可無限長；短纖維：等長或不等長。

長度離散性小，但超長纖維和倍長纖維對紡紗工藝危害較大。

短纖維分類：棉型化纖：30-40mm用棉紡設(shè)備紡紗純紡或混紡

毛型化纖：70-150mm用毛紡設(shè)備紡紗純紡或混紡

中長纖維：51-65mm用棉紡或化纖專紡設(shè)備紡紗仿毛織

物

2、纖維長度的測試

①手扯法

指標(biāo)：手扯長度。手扯長度接近原棉中大多數(shù)纖維的長度，即接近纖維的主

體長度。在原棉的工商貿(mào)易中使用，人工操作。

②儀器檢測法

通過儀器測量得到纖維長度分布情況，根據(jù)統(tǒng)計理論計算得到相應(yīng)的纖維長

度指標(biāo)。

3、纖維長度的指標(biāo)

纖維長度的指標(biāo)有：主體長度、平均長度、品質(zhì)長度、短絨率

①主體長度：纖維中含量最多的纖維長度。

(1)根數(shù)主體長度：纖維中根數(shù)最多的一部分纖維的長度。

(2)重量主體長度：纖維中重量最重的一部分纖維的長度。

棉的手扯長度心主體長度

細(xì)絨棉手扯長度以1mm為級距，分級如下：

25mm25.9mm以下；

26mm26.0-26.9mm；

30mm30.0-30.9mm；

31mm31mm以上。

28mm為標(biāo)準(zhǔn)級

②平均長度：是纖維長度的平均值。

（1）根數(shù)平均長度L：各根纖維長度之和的平均數(shù)。

L=

其中：Li為各組纖維的長度，Ni為各組纖維的根數(shù)。

（2）重量加權(quán)平均長唐Le：各組長度的重量加權(quán)平均數(shù)。

L一

其中：Li