Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,,*,,,,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,第一章 纖維結構基礎知識,,,,,一、,,纖維大分子鏈的化學組成及連接方式,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,三．線型非晶態(tài)高聚物的物理形態(tài),,,1.,纖維大分子結構,一、,,纖維大分子鏈的化學組成及連接方式,,,纖維大分子是由許多結構相同或相近的結構單元（單基）以化學健的方式連接而成的線型長鏈分子。由于纖維材料的分子量很大，約在一萬以上，因而被稱為“大分子”或“高分子”。,,網狀型,(b),枝杈型,(c),直線型,,圖,2-1,纖維的長鏈分子,2.,,纖維大分子鏈的支化、構型：,一、,,纖維大分子鏈的化學組成及連接方式,,,3.,鏈原子的類型與排列,（,1,）碳鏈高分子：主鏈是以碳原子的共價鍵,(C-C,健,),形式組成大分子鏈；,,（,2,）雜鏈高分子：主鏈是由兩種以上的原子（如,C-O,、,C-N,、,C-S,等）以共價鍵相連接而成；,,（,3,）元素有機高分子：大分子主鏈上含有磷、硼、呂、硅、鈦等元素，并在其側鏈上含有有機集團。,,按構成主鏈的化學組成不同，纖維大分子可以分為以下三類：,,,4.,,纖維大分子的單體、鏈節(jié)、聚合度：,高分子化合物的相對分子質量雖然很大，但其化學組成一般卻比較簡單。,例 聚氯乙烯的分子是由許多氯乙烯結合而成：,,單體,聚合物,聚合度,鏈節(jié),*平均聚合度,n ×,鏈節(jié)的式量,=,高聚物的平均相對分子質量,簡寫：,鏈節(jié),單 體,——,聚合成高分子化合物的低分子化合物,鏈 節(jié),——,組成高分子鏈的重復結構單元,聚合度,——,高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目,,,則纖維大分子的通式可簡約表達為：,5.,纖維大分子鏈的單基、側基、端基,及聚合度：,錦綸分子式：,滌綸分子式：,R R R R R R,,A/ — A — A — A — … — A — A — A — A//,,,,如果纖維大分子的通式可簡約表達為：,,,,,則式中,A,為,單基,,,則,A/,、,A//,為分子的,端基,，,R,為,側基,。,5.,,纖維大分子鏈的單基、側基、端基：,單基的定義：,構成纖維大分子主鏈的基本結構單元稱為“單基”。,側基的定義：,分布在大分子主鏈兩側并通過化學鍵與主鏈連接的化學基團。,端基的定義：,指大分子主鏈兩端的結構單元，且與主鏈單基結構有很大差別的基團。,R R R R R R,,A/ — A — A — A — … — A — A — A — A//,,,單基的化學結構、官能團的種類決定了該材料的最基本的物質屬性，即耐酸、耐堿、耐光以及染色等化學性能。,,側基的結構、性能對于大分子的柔順性、凝聚態(tài)和功能化都具有重要影響。,,端基對于纖維的熱、光學的穩(wěn)定能等性能具有重要影響。,,聚合度對于聚合物的加工型、最終纖維的性能等都具有較大的影響，棉、麻的聚合度高，成千上萬；羊毛,576,；蠶絲,400,；粘膠,300,－,600,；化學纖維聚合度不宜過高。同時一根纖維中各個大分子的,n,不盡相同，具有一定的分布。,,,6.,常用纖維的單基,纖維素纖維：,?,-,葡萄糖?；?蛋白質纖維：?,-,氨基酸剩基,滌綸：對苯二甲酸乙二酯,錦綸：己內酰胺,丙綸：丙烯,腈綸：丙烯腈,,,,常用纖維的單基結構式,,,,,,,7.,纖維大分子鏈的內旋性、構象及柔曲性,分子的內旋轉示意圖,,1,、內旋性,：,纖維大分子內的單基之間在鍵長鍵角保持不變條件下，相鄰單基可繞單鍵旋轉的特性。,,,2,、構象,：由于單鍵內旋轉而產生的分子在空間的不同形態(tài)稱為構象,(,或內旋轉異構體,),,構象與構型的根本區(qū)別在于，構象通過單鍵內旋轉可以改變，而構型無法通過內旋轉改變。,,8.,纖維大分子鏈的內旋性、構象及柔曲性,,,蛋白質的兩種二次結構（構象）,,,8.,纖維大分子鏈的內旋性、構象及柔性,3,、柔性,：指纖維大分子在一定條件下，通過內旋轉或振動而形成各種形狀的難易程度的特性。,,,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,,,1.,分子間的相互作用,,★作用力的類型,共價鍵,主價力（又稱化學鍵）　配位鍵,作用力的類型　 　　 離子鍵,,次價力（又稱分子間力，包括：范德華力、氫鍵）,高分子鏈的形成主要靠主價力（化學鍵）,高分子鏈聚集成高聚物主要靠次價力（分子間的力）。,,,,,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,,,★,范德華力,,,,,范,,,德,,,華,,,力,類型,定義,特點,本質,,取向力,極性分子永久偶極之間的靜電相互作用產生的吸引力,分子極性越大，取向力越大；溫度高、距離大，取向力越小。,,范圍：,4.2,×,10,4,～,2.1,×,10,4,J/mol,靜電引力,,誘導力,極性分子與非極性分子、極性分子作用產生的誘導偶極之間的吸引力,與極性分子偶極距的平方成正比，與被誘導分子的變形性成正比；距離大，誘導力小；與溫度無關。,,范圍：,0.6,×,10,4,～,1.2,×,10,4,J/mol,靜電引力,,色散力,各種分子之間的瞬間偶極距相互作用的吸引力,具有普遍性、加和性，與溫度無關。分子變形大、電離程度大，色散力大；距離大，色散力小,,范圍：,0.8,×,10,3,～,8.4,×,10,3,J/mol,靜電引力,,,取向,非取向,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,（,1,）取向與取向度,分子取向：纖維大分子的分子鏈段在分子間相互作用力或外力作用下相互平行排列，稱之為大分子取向。,,取向度：大分子排列方向與纖維軸向的吻合度，稱為取向度。,2.,纖維的凝聚態(tài)結構,高分子的聚集態(tài)結構是指纖維內部大分子的取向與結晶結構，也稱為纖維材料的超分子結構。,,,晶 區(qū),非晶區(qū),晶態(tài)聚合物：,線型聚合物固化時可以結晶，但由于分子鏈運動較困難，不可能完全結晶。所以晶態(tài)聚合物實際為晶區(qū)（分子有規(guī)律排列）和非晶區(qū)（分子無規(guī)律排列）兩相結構，一般結晶度（晶區(qū)所占有的重量百分比）只有50%～85%，特殊情況可達到98%。在結晶聚合物中，晶區(qū)與非晶區(qū)相互穿插，緊密相連，一個大分子鏈可以同時穿過許多晶區(qū)和非晶區(qū)。,非晶態(tài)聚合物：,聚合物凝固時，分子不能規(guī)則排列，呈長程無序、近程有序狀態(tài)。非晶態(tài)聚合物分子鏈的活動能力大，彈性和塑性較好。由于其聚集態(tài)結構態(tài)是均相的，因而材料各個方向的性能是相同的。,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,高分子的聚集態(tài)結構是指纖維內部大分子的取向與結晶結構，也稱為纖維材料的超分子結構。,（,2,）結晶與結晶度,,,取向和無序排列的纓狀微胞（fringed micelle ）結構,“兩相結構” 模型 ：纖維中存在明顯邊界的晶區(qū)與非晶區(qū)，一些大分子的長度可以遠超過晶區(qū)或無定形區(qū)各自的長度﹐足夠把若干個晶區(qū)和無定形區(qū)串連起來形成網絡結構,,。,纓狀：無序區(qū)中分子排列的狀態(tài)；微胞：分子有序排列的結構塊,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,,,Hearle,教授的纓狀原纖結構,模型,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,,,取向和非取向折疊鏈片晶,（,fringed lamellar crystal,）,結構模型,,折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個晶區(qū)內﹐也可以穿過無定形區(qū)進入另一晶區(qū)折疊,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,,,（,3,）結晶態(tài)與非晶態(tài)：,結晶態(tài)：,,非晶態(tài)：,纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的狀態(tài)；,,纖維大分子無規(guī)則聚集排列的狀態(tài)。,,（,4,）結晶區(qū)與非結晶區(qū),結晶區(qū),,非結晶區(qū),纖維大分子有規(guī)律地整齊排列的區(qū)域；,,纖維大分子無規(guī)則聚集排列的區(qū)域。,結晶區(qū)的特點：,,非晶區(qū)特點：,大分子鏈段排列規(guī)整；,,a.,大分子鏈段排列混亂，無規(guī)律；,b.,結構緊密，縫隙，孔洞較少；,,b.,結構松散，有較多的縫隙、孔洞；,c.,相互間結合力強，互相接近的基團,,c.,相互間結合力小，互相接近的基,結合力飽和。,團,結合力不飽和。,,（,5,）,結晶度,：纖維內部結晶區(qū)占整個纖維的百分率,重量結晶度：纖維內部結晶區(qū)的重量占纖維總重量的百分率。,體積結晶度：纖維內部結晶區(qū)的體積占纖維總體積的百分率。,二、纖維高分子材料的聚集態(tài)結構,,,不同晶系及晶格參數(shù)表,七大晶系,,晶格軸長及夾角關系,,三斜,,triclinic,,a≠b≠c,；,α≠β≠γ,,單斜,,monoclinic,,a≠b≠c,；,α=γ=90,o,≠β,,正交,,rthorhombic,,a≠b≠c,；,α=β=γ=90,o,,四方,,tetragonal,,a=b≠c,；,α=β=γ=90,o,,三方,,trigonal,,a=b=c,；,α=β=γ≠90,o,<120,o,,六方,,hexagonal,,a=b≠c,；,α=β=90,o,；,γ=120,o,,立方,,cubic,,a=b=c,；,α=β=γ=90,o,,,從點陣中取出一個仍能保持點陣特征的最基本單元叫,晶胞,。將陣點用一系列平行直線連接起來，構成一空間格架叫,晶格。,,纖維高分子的晶胞結構,,,,,,,玻璃態(tài)：,分子鏈節(jié)或整個分子鏈無法產生運動，高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài)。例如常溫下的塑料。,,高彈態(tài)：,鏈節(jié)可以較自由地旋轉，但整個分子鏈不能移動。例如常溫下的橡膠。高彈態(tài)是高聚物所獨有的罕見的一種物理形態(tài)，能產生很大形變，除去外力后能可逆恢復原狀。,,粘流態(tài)：,高聚物分子鏈節(jié)可以自由地旋轉，整個分子鏈也能自由移動，從而成為能流動的粘液，比液態(tài)低分子化合物的粘度要大得多，又稱為塑性態(tài)。例如膠粘劑或涂料。,三．線型非晶態(tài)高聚物的物理形態(tài),線性非晶態(tài)聚合物的物理形態(tài)與溫度的關系,,,高聚物的各種特征溫度與測定,,●,常見的高聚物特征溫度,,,,,,,,,,玻璃化溫度,,●,定義,高聚物分子鏈開始運動或凍結的溫度。,,●,玻璃化溫度的使用價值,玻璃溫度是非晶態(tài)高聚物作為塑料使用的最高溫度；是作為橡膠使用的最低溫度。,,●,影響玻璃化溫度的因素,,,高聚物特征溫度,T,g,-,玻璃化溫度（,glass-transition temperature,）,T,m,-,熔點（,melting point,）,T,f,-,黏流溫度（,viscous flow temperature,）,T,s,-,軟化溫度（,softening temperature,）,T,d,-,熱分解溫度（,thermal destruction temperature,）,T,b,-,脆化溫度（,brittlenss temperature,）,,,,玻璃化溫度：,由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉變的溫度，用,T,g,,,表示。,,粘流化溫度：,由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉變的溫度，用,T,f,表示。,,塑料與纖維,:,,要求,T,g,,高，,T,f,低（較耐熱，加工成型溫度不高）,橡膠：,要求,T,g,低，,T,f,,高（耐寒又耐熱）,一些非晶態(tài)高聚物的,T,g,和,T,f,值：,聚氯乙烯,T,g,=81,℃,,T,f,,=175,℃,聚苯乙烯,T,g,=100,℃,,T,f,,=135,℃,聚丁二烯,(,順丁橡膠,),T,g,=-108,℃,天然橡膠,T,g,=-73,℃,,T,f,,=122,℃,,,第二節(jié) 纖維的結構特征與測量,典型天然纖維的結構與特征,棉纖維,麻纖維,羊毛,蠶絲,典型再生纖維素纖維的結構特征,典型合成纖維的結構,常規(guī)合成纖維,差別化纖維,,纖維結構特征的測量,,,三、纖維結構的測試方法,光學顯微鏡,,,掃描電子顯微鏡,,,纖維,化學,結構的測量,質譜分析,,通過對纖維樣品的氣相離子的質量電荷比，對纖維的組成和鏈結構進行定量化的表征,紅外吸收光譜,可對高聚物或混合物的極性基團及其含量的吸收帶強度進行識別和定量分析,紫外與可見光譜,,可測定在,10,～,400,nm,紫外吸收光譜范圍及,400,～,800,nm,可見光范圍具有不飽和鏈及不對稱電子的分子。,核磁共振光譜,可測定在外部磁場作用下，分子內部發(fā)生化學位移的核群及吸收帶，以及相鄰核的信息，計算出各吸收強度與各核群的比例?？捎糜诖蠓肿拥臉嬓图皹嬒蠛头肿恿康姆治?。,,,,,,纖維種類,,,制樣方法,,,主要吸收譜帶及其特性頻率,,,cm,-1,,,棉麻纖維,,,壓片法,,,3450～3200,1640,1160,1064～980,893,671～667,610,,,毛纖維,,,壓片法,,,3450～3300,1658,1534,1163,1124,926,,,絲纖維,,,壓片法,,,3450～3300,1650,1520,1220,1163～149,1064,993,970,550,,,粘膠纖維,,,壓片法,,,3450～3250,1650,1430～1370,1060～970,890,,,醋酯纖維,,,薄膜法,,,1745,1376,1237,1075～1042,900,602,,,滌綸,,,熱壓成膜,,,3040,2358,2208,2079,1957,1724,1242,1124,1090,870,725,,,錦綸,6,,,甲酸成膜,,,3300,3050,1639,1540,1475,1263,1200,687,,,錦綸,66,,,甲酸成膜,,,3300,1635,1535,1467,1237,1190,936,689,,,腈綸,,,壓片法,,,2242,1449,1250,1075,,,維綸,,,壓片法,,,3300,1449,1242,1149,1099,1020,848,,,乙綸,,,熱壓成膜,,,2925,2868,1471,1460,730,719,,,丙綸,,,熱壓成膜,,,1451,1475,1357,1166,997,972,,,芳綸,1313,,,壓片法,,,3072,1642,1602,1528,1482,1239,856,818,779,718,684,,,芳綸,1414,,,壓片法,,,3057,1647,1602,1545,1516,1399,1308,1111,893,865,824,786,726,664,,,,,,纖維聚集態(tài)結構的測量,,結晶結構及非晶結構,,纖維是結晶與非晶結構共存的材料。主要指標有結晶度、晶體類型、結晶大小和形狀、晶區(qū)分布及非晶區(qū)結構等。,測量方法常采用密度法、,X,射線衍射法、熱分析法、紅外光譜法、電子顯微鏡法等。,取向結構,纖維取向度的測量可有顯微鏡觀察法、,X,射線或電子衍射法、紅外二色性法、光學偏振法、聲速模量法、染色二色性法、導熱系數(shù)法、介電系數(shù)法等,,,纖維形態(tài)結構特征的測量,,對,>0.2,μm,以上的微細及外觀形態(tài)結構，一般采用光學顯微鏡的方法，，可以采用透射、反射、偏光、熒光干涉。,對于觀察結構,≤0.2,μm,以下的須借助掃描電鏡,(,SEM),和透射電鏡,(,TEM),進行觀察與記錄,SEM,和,TEM,試樣制備與觀察流程示意圖,,,,作業(yè)：,名詞解釋：,,差別化纖維、復合纖維、異形纖維、原纖、兩相結構、結晶度、取向度,,P41 T7,,P60 T3、T4,,,演講完畢，謝謝觀看！,內容總結,第一章 纖維結構基礎知識。（1）碳鏈高分子：主鏈是以碳原子的共價鍵(C-C健)形式組成大分子鏈。聚合度——高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目。端基對于纖維的熱、光學的穩(wěn)定能等性能具有重要影響。同時一根纖維中各個大分子的n不盡相同，具有一定的分布。3、柔性：指纖維大分子在一定條件下，通過內旋轉或振動而形成各種形狀的難易程度的特性。分子變形大、電離程度大，色散力大。范圍：0.8×103～8.4×103J/mol。折疊鏈纓狀微胞模型中大分子可以折疊在一個晶區(qū)內﹐也可以穿過無定形區(qū)進入另一晶區(qū)折疊。α=γ=90o≠β。α=β=γ≠90o<120 o。α=β=90o。玻璃溫度是非晶態(tài)高聚物作為塑料使用的最高溫度。Tg-玻璃化溫度（glass-transition temperature）。粘流化溫度：由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉變的溫度，用Tf 表示?？蓪Ω呔畚锘蚧旌衔锏臉O性基團及其含量的吸收帶強度進行識別和定量分析。演講完畢，謝謝觀看,