东华大学纺织材料学第二章 纤维的结构特征课件.ppt

第二章 纤维的结构特征 第一节 纤维基本结构的构成 一、纤维的形态结构 1. 基本内容 是指纤维在光学显微镜或电子显微镜，乃至原子力显微镜(AFM)下能被直接观察到的结构。诸如纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在于纤维中的各种裂隙与空洞等 表观形态、表面结构和微细结构 表观形态，主要讨论纤维外观的宏观形状与尺寸，包括纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等，这在第三章中介绍。 表面结构，主要涉及纤维表面的形态及表层的构造，是微观形态与尺度的问题，这在第六章纤维的表面性质中表述。 微细结构，是指纤维内部的有序区(结晶或取向排列区)和无序区(无定形或非结晶区)的形态、尺寸和相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。 2. 纤维的原纤结构 定义：纤维中的原纤(fibril)是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构 基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞 各层次原纤的特征 基原纤(proto-fibril或elementary fibril)是原纤中最小、最基本的结构单元，亦称晶须，无缺陷。 微原纤(micro-fibril)是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，亦称微晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。 原纤(fibril)是一个统称，有时可代表由若干基原纤或含若干根微原纤，大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束。 巨原纤(macro-fibril)是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。 细胞(cell)是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。 定义：指构成该纤维的大分子链之间的作用形式与堆砌方式，又称为超分子结构或分子间结构。 聚集态结构的基础： 大分子间作用力（次价键力） ? 纤维大分子的次价键力包括范得华力、氢键、盐式键、化学键、其产生的原因及特点如下  四种结合力的能量大小： 化学键＞盐式键＞氢键＞范得华力 四种结合力的作用距离： 化学键＜盐式键＜氢键＜范得华力 总结： 纤维大分子链间的作用力 范德华力 存在于一切分子之间的一种吸引力。 包括定向力、诱导力、色散力。 作用范围小于1纳米，作用能比化学键小1-2个数量级。 氢键 极性很强的X-H键上的氢原子，与另一个键上电负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引而形成的一种键（X—H···Y)。 发生在分子极性基团之间的作用力。 键能与范德华力的数量级相同 纺织纤维中常见的氢键： O—H···O N—H ··· O N—H ··· N C—H ··· N 盐式键 存在于部分纤维大分子间。 如羊毛、蚕丝大分子侧基上的羧基（—COOH）和氨基（—NH 2 ）可形成盐式键 —COOˉ ···+ H 3 N— 盐式键键能大于氢键，小于化学键 化学键 网状构造的大分子可由化学键构成交联。 部分纤维，如羊毛和蚕丝的桥式侧基中存在二硫键和（—S—S—）酯键（—C—O—） 1. 纤维的结晶结构 将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，形成有较大内聚能和密度并有明显转变温度的稳定点阵结构，称为结晶结构。 将具有结晶结构的区域称作结晶区 对纤维甚至原纤来说，很少存在完善的结晶区，往往是结晶与非晶区的混合体，以及与某些结构缺陷区或其他掺杂成份组合的结构 聚集态结构发展的过程 缨状微胞模型 缨状原纤结构模型 折叠链片晶结构 这种模型称为缨状微胞模型。缨状是指无序区中分子排列的状态；微胞是指分子有序排的结构块。对从晶区到非晶区是否存在逐步转化的过渡区，尚有不同解释。 Kellel等人于1957年用透射电镜观察得到聚乙烯高分子单晶薄片的厚度约为12nm，其厚度与分子量无关，并测得分子链垂直于晶片平面，见图2-4。依此提出了著名的折叠链片晶结构假说，并认为，线形高分子链长可达几百到几千纳米，具有很大的表面能，极易在一定条件下自发地折叠，而形成片状晶体(片晶)。 2、纤维的非晶结构 纤维大分子高聚物呈不规则聚集排列的区域称为非晶区，或无定形区。 晶区特点  1)大分子链段排列规整 2)结构紧密，缝隙，孔洞较少 3)相互间结合力强，互相接近的基团结合力饱和 ? 结晶度↑