纺织材料学 (于伟东-中国纺织出版社)课后答案

第一章 纤维的分类及发展 2 棉 麻 丝 毛纤维的主要特性是什么 试述理由及应该进行的评价 棉纤维的主要特性 细长柔软 吸湿性好 多层状带中腔结构 有天然扭转 耐强碱 耐 有机溶剂 耐漂白剂以及隔热耐热 带有果胶和蜡质 分布于表皮初生层 弹性和弹性恢 复性较差 不耐强无机酸 易发霉 易燃 麻纤维的主要特性 麻纤维比棉纤维粗硬 吸湿性好 强度高 变形能力好 纤维以挺爽 为特征 麻的细度和均匀性是其特性的主要指标 结构成分和棉相似单细胞物质 丝纤维的特性 具有高 强 伸度 纤维细而柔软 平滑有弹性 吸湿性好 织物有光泽 有独特 丝鸣 感 不耐酸碱 主要成分为蛋白质 毛纤维的特性 高弹性 有天然卷曲 吸湿性好 易染色 不易沾污 耐酸不耐碱 角蛋 白分子侧基多样性 有毡化性 表面鳞片排列的方向性和纤维有高弹性 3 试述再生纤维与天然纤维和与合成纤维的区别 其在结构和性能上有何异同 在命名上 如何区分 答 一 命名 再生纤维 原料名称 浆 纤维 或 原料名称 黏胶 天然纤维 直接根据纤维来源命名 丝纤维是根据 植物名 蚕丝 构成 合成纤维 以化学组成为主 并形成学名及缩写代码 商用名为辅 形成商品名或俗 称名 二 区别 再生纤维 已天然高聚物为原材料制成浆液 其化学组成基本不变并高纯净化后 的纤维 天然纤维 天然纤维是取自植物 动物 矿物中的纤维 其中植物纤维主要组成物 质为纤维素 并含有少量木质素 半纤维素等 动物纤维主要组成物质 为蛋白质 但蛋白质的化学组成由较大差异 矿物纤维有 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 合成纤维 以石油 煤 天然气及一些农副产品为原料制成单体 经化学合成为高聚 物 纺制的纤维 7 试述高性能纤维与功能纤维的区别依据及给出理由 高性能纤维 HPF 主要指高强 高模 耐高温和耐化学作用纤维 是高承载能力和 高耐久性的功能纤维 功能纤维是满足某种特殊要求和用途的纤维 即纤维具有某特定的物理和化学性质 其中功能纤维有抗静电和导电纤维 蓄热纤维 远红外纤维 防紫外线纤维 阻燃纤 维 光导纤维 弹性纤维 抗菌防臭纤维 变色纤维 香味纤维 变色纤维等 均具有相 应的特殊用途 高性能化纤维有对位间位芳纶 PBO纤维 PEEK纤维 聚四氟乙烯纤维 碳 纤维等 具有高强 高模 耐高温和耐化学作用等性质 功能化纤维是以高感知性 高吸湿性 高防水性 高透湿行 发光 发电 导电 导 光 生物相容性 高吸波 高分离 高吸附 产生负离子 能量转换 自适应和自行修复 等功能实现为目的 而高性能化纤维则以从高强 高模 耐高温发展为超高强 超高模量 超耐高温 耐化学作用为目的 9 你所认为的纤维未来应如何发展 你所感觉的纤维发展及未来最主要的问题是什么 1 在天然纤维方面 积极寻求和开发新的和可持续发展的天然纤维资源是极为重要 的 2 在再生纤维方面 依靠天然生长的纤维在纤维长度 细度 和性能上较难控制 有时无法用于纺纱 而且天然纤维素 蛋白质物质 并非能直接满足纺用纤维的 要求 加上废弃的纤维及其制品 人们极有必要解决这些物质的再生利用 3 在合成纤维方面 仿生化 功能化 高性能化纤维将是今后的发展方向 最主要的问题 由于人口膨胀 环境的污染和恶化 自然资源与能源的匮乏 人类对物质量的需 求提高 人类穿 用消耗的资源 纤维将成为未来发展中必须直面的问题 在纤维未来的 发展中 人类应该更多的关注已有纤维的使用和再生利用 可持续天然纤维的开发利用 低能耗 清洁化纤维的加工 即特别关注大宗类纺织品用纤维资源的可持续性 工艺纤维 马海毛 山羊绒 马克隆值 第二章 纤维的结构特征 3 天然纤维素纤维有哪些主要结构特征 棉纤维的结构与特征 1 分子构成及分子间结构 分子式为 C6H10O5 棉纤维大分子的聚合度为 6000 15000 分子量为 1 2 43 百万 其氧六环结构是固定的 但六环之间夹角可以改变 所以分子在无外力作用的非晶区 中 可呈自由弯曲状态 纤维中约 2 3 为结晶部分 结晶晶格是单斜晶系 见图 2 9 棉纤维大分子取向度较高 主要是次生层原纤排列的螺旋角在 20 30 的影响 故 纤维强度较麻纤维低 但伸长较大 2 细胞形态与构成 棉纤维是细长的 有天然转曲 纤维转曲数一般为 6 10 个 mm 截面呈腰圆形带中腔 为扁平管状纤维 头端变细 封闭 尾端稍细为截断开口状 是单细胞纤维 棉纤维的形态结构如图 2 10 所示 最外层是表皮和初生层 中心是瘪了的中腔 纤维 的主要构成是沉积生长增厚的次生层 S 层 3 各层次结构 表皮层是初生层外的一层薄薄的外皮 由蜡质 脂肪与果胶的混合物组成 具有润滑 防水作用 表皮层有细丝状皱纹 是纤维干燥收缩形成的 一般与次生层的原纤方向 一致 皱纹深度和间距约为 0 2 长度可达以上 初生层在表皮层内侧 是纤维的初生胞壁 由网状原纤组成 初生胞壁厚度仅为 0 1 重量占纤维重量的 2 5 2 7 网状原纤结构 与纤维轴呈 70 90 倾角 梢部的倾角比基部大 形成对纤维整体的形态约束和保护 是纤维吸湿膨胀复圆后 直径或周长不变的主机制 初生层不是结构均一的物质 分为三层 外层基本是由果 胶物质和蜡状物质组成 第二 第三层纤维素呈绕纤维轴旋转的网状结构 次生层在初生层里 是由纤维素在初生胞壁内沉积而成的原组织 占纤维总质量的 90 以 上 次生层分为三个基本层 S1 S2 S3 依次向内 最外薄层为次生胞壁 S1 厚度小 于 由平行排列的原纤组成 原纤与纤维轴呈 20 35 螺旋状排列 较为致密 S1 层的里层是次生层 S2 厚约 1 是棉纤维主体 全部为纤维素 原纤与纤维轴的螺 旋角约为 25 螺旋的方向周期性地换向 在一根纤维中换向可达 50 次以上 S2 层 由原纤呈平行螺旋状相互堆砌而成 微原纤间形成空隙 使棉纤维具有多孔性 在 S2 次生胞壁的里面是第三层次生胞壁 S3 厚度小于 次生层有明显的 日轮 结构 共有 25 40 层 每层厚 0 1 相邻的 S1 S2 S3 层间 的螺旋方向往往是相反的 棉纤维的天然转曲是由于次生层 S2 中的原纤螺旋排列所致 原纤螺旋方向大多与转曲 方向一致 但也有例外 这是因为原纤的换向频率远高于纤维的转曲频率 棉纤维中 原纤的螺旋角因品种而异 除去纤维天然转曲的影响后 大体都在 20 23 棉纤维的中腔又称胞腔 腔壁存在原生质残渣 为蛋白质 矿物盐和色素等 胞腔的 复圆截面积约为棉纤维截面积的 1 10 其颜色确定了棉纤维的颜色 中腔是纤维内最 大的空隙 是棉纤维染色和化学处理的重要通道 麻纤维的结构特征 由于麻的种类很多 虽有相关单纤维结构的研究 但较为专门化及各不相同 此处不 作详述 仅在纤维鉴别中给出一般形态结构 作为非单纤维纺纱应用的麻纤维 还多 了一个结构层次 即单纤维加胶质的复合结构 虽然连续相的胶质含量少 约为 10 16 的截面积 但与单细胞麻纤维的作用因构成复杂而变得复杂 4 试讨论羊毛和与蚕丝的不同层次结构及特征 并举例说明其异同点 及对其性质的影响 答 羊毛纤维是多细胞结构体 有两类细胞 鳞片细胞和皮质细胞 鳞片细胞是表皮细胞 由细胞间质 CMC 粘接组合成羊毛表面的连接覆盖层 皮质细胞有正皮层和副皮层之分 纺锤形的正 副皮层细胞也有细胞间质 CMC 粘接组合成连续的羊毛纤维芯层 有些羊毛 中还有仲皮层细胞 较粗的羊毛在皮质层中心还有髓腔 成为髓质层 卷曲 保暖 摩擦 毡化 羊毛的正皮质细胞原纤化结构明显 层次分明 基本组合方式是 基原纤 微原纤 巨原纤 细胞 羊毛的副皮质细胞也是原纤化结构 但无明显的巨原纤结构 即 基原纤 微原纤 细胞核残留物 细胞 羊毛纤维的结构组成见下图 蚕丝的各层次结构综合示意图如下 蚕丝由丝胶和丝素构成 丝胶包裹于丝素之外 丝素是蚕丝纤维的主体 丝胶有四层 包裹层 丝素由巨原纤 原纤 微原纤 基原纤四级结构组成 羊毛纤维中的皮质层细胞和蚕丝纤维中的丝素均具有明显的原纤化结构 但蚕丝无细 胞结构 7 何谓纤维的分子内和分子间以及织态结构 对纤维的性能有何影响 通常将大分子结构分为分子内 分子链 结构和分子间 超分子 结构两部分 分子链结构是指单个分子的结构 也是大分子的化学结构 简称链结构或化学结构 链结构又分为讨论链节 单基 组成及结构的近程结构和讨论分子链空间形态的远程结 构 近程结构 即构成和构型必须经过化学键的断裂和重组实现 属一级结构 或称一 次结构 大分子的构成是链节中原子和键的组成及序列 不涉及空间排列 大分子的 构型是指链节内各原子和基团通过化学键固定的空间排列以及链节间的排列顺序 远 程结构包括大分子的大小及分布 尺寸和构象 分子的远程结构属二级结构 大小用 分子量 聚合度来表示 分布表示大分子量或聚合度或长短的离散性 尺寸是指分子 的占有空间 构象则是指大分子链在空间的形态 分为微构象 和宏构象 构象表达以 分子链节间链发生内旋转造形及其可能性 分子间的结构属三级结构或称三次结构 就是前面所提的聚集态结构 而若干大 分子聚集体或不同组份大分子聚集体的相互共混 复合 组合体是更高层次的结构体 属高次结构 或称织态结构 纤维的多重原纤结构就是典型的织态结构 三次结构及 其以上的结构不属分子结构 显然纤维大分子的构成表示不同原料的纤维 如棉 毛 涤 锦纶纤维等 不同 构型和构象的纤维表示组成大类中不同结构特征的纤维 如等规与间规聚丙烯纤维和 羊毛与蚕丝纤维 不同分子间结构的纤维则表示同种分子结构不同高次结构的纤维 如粘胶 富纤 Modal Lyocell 纤维 第三章 纤维形态的表征 3 何谓主体长度 品质长度 上四分长度 上半部长度 其间有何关系 主体长度 是指一批棉样中含量最多的纤维的长度 在长度频率分布中是频率值最大的 那组纤维的长度 即 dw l dl 0 时的 l 值 记为 LM 品质长度 为棉纺工艺上确定工艺参数时采用的长度指标 又称右半部平均长度 是指 比主体长度长的那一部分纤维的重量加权平均长度 若已知主体长度 LM 以上的纤维的含 量比 C 则以 r x C 处作 r x 曲线的切线交横坐标的长度即为品质长度 LQ O C 50 100 r x Lv2 为上半部平均长度 LQ 为品质长度 L50 Lv2Lm L0 X L2 5 Lmax 上四分位长度 取 OL 的中点 A 作水平线交轮廓 L B 于 L1 由 L1 作垂线交 OB 于 B1 取 B2 令 OB2 OB1 4 作竖直线交轮廓 LB 于 L2 再取 L2B2的中点 A2作水平线交轮廓线 LB 于 L3 由 L3的垂线交 OB 轴得 B3 此时 取 OB3的上四分位 B4 即 OB4 OB3 4 由 B4作竖直 线交 LB 得 L4B4 称为有效长度 也称上四分位长度 C L A O B2 B4 B5 B1 B3 B 最大长度点 交叉点 上四分位长 L5 L1 L2 上半部平均长度 若取 r x 0 5 处与 r x 曲线的切线 则可得上半部平均长度 L1 2 8 纤维的细度不匀指哪些 纤维长度上的细度不匀和截面不匀如何测量 答 纤维的细度不匀主要包括两层含义 一是纤维之间的粗细不匀 二是纤维本身 沿长度方向上的粗细不匀 纤维细度不匀的测量方法有 1 称重与长度的测量 称重与长度结合的测量 简称称重法 主要解决纤维的线密度指标测量 2 直径测量法 1 传统的显微镜观测法 此方法又称为显微镜投影测量法 多用于圆形或近圆形纤维直径的测量 源于近圆形羊毛 纤维的测量 2 OFDA 法 3 激光纤维直径测量法 3 气流仪法 4 振动测量法 其中常见的纤维所用的细度不匀的测量方法有 棉纤维较多地采用气流仪法 其次为切断称重法 毛纤维几乎采用 OFDA 和 LaserScan 方法 其次为显微镜法和气流 仪法 麻纤维为切断称重法 其次套用显微镜法或 OFDA 法 丝纤维大多为绞丝称重法 类切断称重 其次显微镜法 化纤短纤根据毛型 棉型分别采用各自纤维在纺织加工工艺体系中的测量方法 化纤长丝一般用绞丝称重 或显微镜法 其次为振动法 纤维截面不匀的测量方法 纤维截面不匀特征的测量目前只能通过切片显微镜观察进行 而 CCD 摄像和计算机图像 处理 与分析技术的应用如内凹 多叶不对称 V 字形夹角等 通过形态准确定位测量 线性 回归趋势线等得到准确的表征 细度表达方式 及其相互转化 第 4 章 纤维的吸湿性 4 纤维吸湿等温 等湿 变压线的条件与结果为何 答 等温线条件 一定温度和压力 结果 相对湿度较小时 回潮率增加率较大 相对湿度在 15 70 范围内 纤 维材料的回潮率增加较小 当相对湿度很大时 平衡回潮率的增加率也较大 吸湿等 温线呈反 S 型 等温线条件 一定湿度和压力 结果 温度越高 平衡回潮率越低 高温高湿时 平衡回潮率略有增大 等压线条件 温度 湿度基本不变 结果 近似正比线性关系 低气压易使水分蒸发 故平衡回潮率较低 但气压 引起的平衡回潮率相对变化较小 标准大气压 8 讨论吸放湿滞后现象的因素并给出解释 产生原因 1 能量获得概率的差异 在吸湿过程中 水分子是高速的自由颗粒 本身具有动能和较大的运动过程 而在放 湿过程中 水分子是被吸附的水分子 或是液态的水分子 运动能量低 活动范围小 要脱离和蒸发必须获得能量 而这一能量的获得 取决于其他高速运动粒子的碰撞 存在一个发生概率 或是取决于更高的温度 但放湿与吸湿的环境条件是一致的 因 此存在明显的能量与概率差异 2 水分子进出的差异 在纤维吸湿的过程中 纤维内的通道和位置是敞开和空着的 水分子可以很方便的从 任意通道进入空位而被吸附 并且吸附可以同时 多位进行 而在放湿过程中 各通 道已经被占位的水分子和液态水堵塞 水分子的进出必须挨个进行 是单方向的 而 且存在通道变化产生的死穴而无法退出 这种进容易 出困难 进快递 出慢速 进 多通道 出单方向 是明显的滞后 3 纤维结构的差异 纤维结构的差异主要体现在吸湿后纤维不可逆的膨胀与微结构的变化 由于水分子的 挤入 纤维分子间 微结构单元间的距离会被拉开 孔隙和内表面增大 这种变形往 往是塑性的 因此在无外力的作用下 不会自动回复 因而导致吸湿条件的改善 纤 维能保持更多的水 阻碍水分子的离去 同时 水分子的进入会使部分不完整的结晶 体形成连续的无序区 这种变化也是无法回复的 因此 有更多的机制保留水分 4 水分子分布的差异 水分子在纤维吸放湿时的浓度不一致 而且浓度的分布也不是一致的 吸湿时 水气 浓度外高内低 是连续单调下降的 放湿时 水气浓度是内高外低 不仅分布不均匀 还时有不连续特征 连续的梯度差作用 可是水分子同步地向内扩散 移动 不连续的 分布不均匀的浓度差会使部分水分子在移动外退 另一部分无梯度差而不移动 尤其 是液态水的内层 因此 存在明显的进入与退出的差别 5 热能作用的差异 水分子进入纤维附着或停留将释然放热能 使纤维内的温度升高 有利于分子的在运 动和调整 或使纤维分子运动和纤维膨胀而消耗此功能 后者有利于水分的在进入 但水分子的退出需获取能量而运动 这使纤维温度降低 不利于水分的运动与扩散 因此 水分子的退出所需的主要能源形势 热能不足 即进来时的动能不可能都以热 能的形式储存 已经耗散或发生其他的转变 12 纤维吸湿后 其力学性质如强力 模量 伸长 弹性 刚度等随之变化 一般纤维 随着回潮率的增大 其强力 模量 弹性 刚度下降 伸长率增加 其原因是 大分子链间的相互作用减弱 分子易于构象变化和滑移 故强力 模量下降 伸长增加 不吸湿的纤维 一般这类性质不发生变化 分子量较大的棉 麻纤维还会吸湿而强度略微上升 这是因为吸湿使大分子受力的不均匀 性 由于分子间作用的部分解开与调整 得到改善 当纤维受力时 承力的大分子根数增 多 反而使纤维强度增大 纤维吸湿后 纤维的脆性 硬度有所减弱 塑性变形增加 摩 擦系数有所增大 吸湿平衡率 标准 公定 回潮率 实际回潮率 及其公式和计算 第 5 章 纤维的力学性质 2 试描述典型的纤维拉伸曲线与纤维微观结构间的关系 纤维开始受力时 其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸 即键长 键角的变形 拉 伸曲线接近直线 基本符合虎克定律 当外力进一步增加 无定形区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向 这 时一部分大分子链伸直 紧张的可能被拉断 也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来 次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移 纤维变形比较显著 模量相应逐 渐减小 纤维进入屈服区 当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时 大分子间距就靠近 分子链间可能形成新的 次价键 这时继续拉伸纤维 产生的变形主要又是分子链的键长 键角的改变和次价键的破坏 进 入强化区 表现为纤维模量再次提高 直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂 致 使纤维解体 1 纤维的拉伸曲线 负荷 伸长曲线 和应力 应变曲线有何异同 如何由拉伸曲线转变 成应力 应变曲线 在应力 应变曲线上可以得到哪些纤维力学性质指标 并如何求得 3 试解释初始模量 屈服点 断裂比功 弹性回复率 粘弹性 动态力学性质的物理意义 答 1 拉伸曲线是针对同种纤维来表示伸长和负荷的关系 而应力 应变曲线用来比较 各种纤维的拉伸性能 两种曲线可用同一曲线表示 仅坐标单位标尺不同而已 2 如果将负荷除以试样的线密度得到应力作纵坐标 将伸长除以试样长度得到应变 作横坐标 可得应力 应变曲线 3 强伸性能指标 强力 断裂强度 断裂应力 断裂长度 断裂伸长率 4 初始模量指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值 初始模量越大 纤维易变形 弹性性能好 反之则纤维刚性强 弹性性能差 5 屈服点 在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得很容易时的转折点 6 断裂比功 一是拉断单位体积纤维所需做的功 二是拉断单位线密度与单位长度 纤维材料所需做的功 7 弹性回复率 急弹性变形和一定时间内弹性变形占总变形的百分比 8 粘弹性 纤维变形的回复能力 9 动态力学性质 纤维在变负荷作用下的应力应变关系及由此表现出来的力学性质 特征 9 纺织纤维弹性回复性能有哪些指标 讨论其与纺织品性能之间的关系 答 1 弹性指针 表示纤维弹性的常用指针是弹性回复率 它是指急弹性变形 和一定时间内的 e3 1 缓弹性变形 占总变形 的百分率 即 4 T 100 100 e14 T deo 还可以弹性回复率或功回复系数 表示纤维的弹性 即 W 100 100 式中 为弹性回复功 W 为拉伸伸长的总功 上eWcbeoa面 积面 积 e 述两个弹性指针值随采用拉伸的试验机的类型不同而不同 a 为常用的等速伸长型的拉伸 机图 2 羊毛纤维的大分子是 螺旋结构 大分子柔曲性好 又有氢键 盐式键等结合点 还 有二硫键 形成网状结构 所以性能良好 棉麻 粘胶纤维等大分子刚性强 柔曲性差 分子链间的极性强 弹性很差 锦纶的大分子是平面锯齿形 大分子间结合点主要是极性基团 NH 与 CO 所形成的酰胺键 其中 N C 链段柔曲性好 弹性优良 涤纶的弹性也很好 而急弹性变形所占的比2H 例要比锦纶大 锦纶的缓弹性变形部分较高 一般弹性好的纤维制成的织物耐磨性好 耐疲劳性能良好 锦纶的综合弹性回复性最好 锦纶的织物耐磨性特别优良均与其弹性优良有关 13 试述纤维疲性能与纤维拉伸性能与弹性回复性能以及实验条件间的关系 答 纤维的拉伸断裂功大 纤维的弹性回复性能好 则在反复循环的加卸负荷过程中产 生的塑性变形不易积累 因而不易很快达到纤维的断裂伸长率 或外力做功不易很快积累 到纤维的断裂功 纤维疲劳寿命增加 纤维的结构缺陷多 易于疲劳 因为内部结构的缺 陷和表面裂痕 裂缝等是材料受力时的应力集中源 它能加速材料的疲劳破坏 纤维材料 的正切内耗 tg 越大 在疲劳过程中 材料易发热 易使纤维产生热老化 影响其疲劳寿 命 如轮胎帘子线 运输带等 在反复循环加减负荷过程中 如果每次加荷的值较小或每次循环伸长率较小 加负荷停 顿时间较短 卸负荷后停顿时间较长 都不易使纤维产生不可回复的塑性变形 累积的功 耗小 使纤维材料的耐久度提高 与其他材料一样 纤维材料也有类似的疲劳曲线 随着疲劳试验中负荷 或变形 振幅 的降低 是纤维的疲劳寿命增加 当其振幅降低到一定值时 疲劳寿命在理论上可达到无 限大 这一负荷幅值的相应应力称为临界应力 c 即外力低于临界应力时 纤维疲劳 寿命味无穷大而不会疲劳损坏 第六章 纤维的表面性质 9 讨论摩擦和浸润的各向异性 答 摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移是的现象 影响摩擦效果的因素有 A 相对滑移速度 B 表观接触面积 C 正压力的影响 D 表面粗糙程度 E 表面硬度 F 纤维外观 形态及表面附着物 G 环境温湿度 摩擦包括 1 对称与非对称摩擦 a 对称摩擦 为双变点接触摩擦 称为 X 摩擦 b 非对称摩擦 为单变点接触摩擦 称为 摩擦 2 不同方向摩擦 a 摩擦的各向异性 b 差微摩擦效应 2 浸润 1 平衡与非平衡浸润纤维的浸润 或称纤维的润湿 是指纤维与液体发生接 触时的相互作用过程 这一过程有可以达到平衡不变的液体形状的浸润 称为平衡态 浸润 又称静态浸润 但也有液体形态一直在变化铺展的浸润 称为非平衡态浸润 或称铺展浸润 又称动 态浸润 A A A 拉 伸拉 伸 回 缩 F 顺 小F 逆 大 移 动 量 固 体 液 体 x y a b SV LV S 气 体 梢 T 逆 鳞 片 顺 鳞 片 根 R 逆 顺 T R弱 作 用 0 强 作 用 且 大逆 顺 逆顺 2 浸润滞后性 浸润滞后性是指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在的差异 且第 一次浸润角 1 恒大于第二次浸润角 2 3 伪浸润现象 伪浸润现象是指由于材料的表观形态与真实形态存在差异 或材料表 面不同组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中 而引起的表观接触角 不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象 前者称为形态伪浸润 后者称为组份伪 浸润 10 试给出纤维摩擦中的基本现象及其产生原因和相互关系 1 相对滑移速度的影响 静摩擦力 FS 大于动摩擦力 FD S 6 3 表 纤维的动 静摩擦系数 S D 随后人们的实验又发现 摩擦力 F 或摩擦系数与滑动速度 v 相关 v O S D流 体 润 滑边 界 润 滑大 多 测 试 段 图 滑动速度 v 与摩擦系数 的关系 纤 维 S D 粘胶与粘胶 0 35 0 26 锦纶与锦纶 0 47 0 40 羊毛与 羊毛 顺鳞片方向 逆鳞片方向 同纤维方向 0 13 0 61 0 21 0 11 0 38 0 15 顺鳞片方向 0 11 0 09羊毛与 粘胶 逆鳞片方向 0 39 0 35 顺鳞片方向 0 26 0 21羊毛与 锦纶 逆鳞片方向 0 43 0 35 B B A A A A B B A滴 B滴 B A B B B B A A A A B 2 表观接触面积的影响 ANF 6 4 式中 为与粗糙度和材料硬度相关的常数 3 正压力的影响 许多实验证明 两物质间的正压力 N 的大小与摩擦并非线性关系 即 4 表面粗糙度的影响 r 与 的关系如图所示 粗 糙 度 r摩擦系数 O 硬 体 软 体 图 摩擦系数 与粗糙度 r 的关系 5 表面硬度的影响 6 纤维外观形态及表面附着物的影响 7 环境温湿度的影响 2 粘 滑现象 纤维间相对低速滑移时 会发生时而保持不动 粘 纤维产生变形或同向移动 时而 又相对快速滑移 滑 这种现象称为粘 滑 stick slip 现象 FSFF DxO FS D v下 移 动 板上 滑 动 块F弹 簧 a b 图 粘 滑过程及摩擦力曲线 T 75gT 50gT 25g801060 402001 410 310 210 1010102滑 移 速 度 m in 摩擦力 g 图 纤维摩擦中的粘 滑现象 3 摩擦的对称性及方向性 1 对称与非对称摩擦 a 对称摩擦 纤 维接 触 点 动 纤 维定 纤 维T小 T大 T大 T小 a 对 称 摩 擦 b 非 对 称 摩 擦 图 纤维的对称和非对称摩擦示意图 b 非对称摩擦 2 不同方向摩擦 a 摩擦的各向异性 b 差微摩擦效应 梢 T 逆 鳞 片 顺 鳞 片 根 R 逆 顺 T R 弱 作 用 0强 作 用 且 大逆 顺 逆顺 图 羊毛差微摩擦效应 A A A 拉 伸拉 伸 回 缩F顺 小F逆 大 移 动 量 图 羊毛毡缩过程示意图 羊毛的缩绒 优缺点 11 试讨论浸润中的各现象及其产生原因 纤维的浸润与芯吸都是讨论纤维与液体 一般指水 的相互作用的 只是浸润较多地 表达单纤维或纤维集合体表面或表观与水的相互作用 一 纤维浸润现象 1 平衡与非平衡浸润 1 平衡态浸润 对于平衡态浸润 可以发现如图 6 27 的稳定状态 所谓平衡 也就是说气 液固三相 交汇点 b 不发生移动 该点受力达到平衡 X 轴向合力为 0 则有 cosLVSV 著名的 Young Dupr 方程 固 体 液 体 x y a b SV LV SL 气 体 图 6 27 平衡浸润模型 根据 角的大小 可以将浸润分成表 6 4 的五种情况 表 6 4 平衡浸润的几种形式 可否浸润 cos 状态 0 完全浸润 1 或称铺展 0 恒成立 sll 2 浸润的滞后性 指固体表面第一次浸润和第二次浸润间存在的差异 且第一次浸润角 大于 即1 21 2 被称为滞后角 1 原因 浸润的滞后性是由浸润的表面清洁作用 或残留和固结水分子的亲和作用 或材 料浸润后的表面结构变化的作用引起的 解释较多 是一值得探讨和测量的问题 3 伪浸润现象 所谓伪浸润现象是指由于材料的表观形态与真实形态存在差异 或材料表面不同 组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中 而引起的表观接触角不能表 达或不能完全表达真实浸润性的现象 原因 1 形态的影响 B B A A A B A滴 滴 B 图 6 28 粗糙表面浸润模型图 2 组份的影响 B B B A A A A B 图 6 29 不同组份表面的浸润模型 13 说明纤维集合体芯吸和拒水的基本条件和控制参数 答 纤维集合体芯吸基本条件和控制参数 纤维几何体的浸润有毛细吸水的现象称为芯吸 芯吸作用 除了单纤维的浸润作用外 还 有孔隙形状因子的影响 假如纤维和液体都固定 而只是孔隙尺寸的变化 芯吸的程度就 不同 典型的毛细光压力 p 方程为 2 coslvr 式中 为毛细管的等效半径 仅为形状参数 当 增大 纤维间隙增大 芯吸压力 p 下r 降 浸润作用减弱 当 变小 即纤维间空隙变小 芯吸压力上升 毛细浸润作用加强 r 事实上 在毛细管垂直状态下 当 值大于液体表面月牙弧的曲率半径 时 芯吸便停止 r 即毛细管垂直状态时 因重力作用存在极限值 当 时 P 0 水平状态下 当 大到一r r 定程度时 一种是液体分离 回到浸润的平衡或铺展状态 一种是如平常的水管 只要水 源 足够 将不停地流动 2r毛 细 管 2r 液 体 少液 体 少 图 6 38 无毛细作用时液体的状态 纤维集合体拒水基本条件和控制参数 根据力学平衡原则 液面垂直方向的作用力之和应该为零 即 2cos 4dhg 式中 为液体表面张力 d 为孔隙的等效直径 为液体的密度 h 为液柱高度 g 为 重力加速度的值 图 a 中织物的拒水高度为 4cos 2lvpd 织物能够拒水的必要条件是 越大 越大时 2 ph 织物拒水的第二条件才是孔隙等效直径 d 在织物不可侵润的条件下 与成反比 d 愈小 织物愈拒水 hW d hP d LV 织 物 LV 纤 维 表 面 a 90 180 拒水 b 0 90 导水 图 6 39 纤维正 负浸润时的芯吸模型图 15 摩擦和浸润作用对材料的粘结有何贡献 如何提高浸润性和摩擦性 答 1 在纤维成纱过程中 纤维是靠其相互间的摩擦作用成网 成条 滑移变细 纠缠结 合成纱的 并具有一定的力学性能 在织物成形过程中 也是靠纱线间的相互作用 使其 以交织点或编结固定 形成形状稳定 具有力学强度 又多孔通透 柔软舒适的织物 对 于非织造布的成形 更是靠纤维表面的摩擦性能 使纤维可以在无任何粘结剂的帮助下 仅靠纤维间的纠缠和摩擦使其成形并具有很好的力学强度 即使对于添加粘结剂的非织造 布 摩擦作用仍起着作用 只是对象变成纤维与粘结剂 而不是纤维与纤维 纤维的浸润是一种纤维与液体发生接触时的相互作用过程 其中液体对固体的浸润 是 固体对液体的吸附能所致 表示一种材料间的粘结作用 用粘着功表示 当粘着功等于零 时 则清楚地反映出纤维与液体间无任何粘着或吸附作用 2 影响纤维摩擦性能的因素非常多 首先是纤维的分子结构和微观结构 一般说来 分子主链键能强 分子链柔曲性好 聚合度好 取向度高 结晶度适当 结晶颗粒较细较 匀 纤维的玻璃化温度在使用温度附近时 耐摩擦性能较好 同时 从纤维性能方面看 纤维表层硬度高 拉伸急弹性恢复率高 拉伸断裂比功大 恢复功系数高时 耐磨擦性能 较好 适当改造纤维分子的微观结构 增大聚合度 增大取向度等都会提高纤维的摩擦性 纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象称作芯吸 芯吸作用 除了单纤维的浸润作用 外还有孔隙形状因子的影响 当纤维孔隙增大 浸润作用减弱 纤维孔隙减小 芯吸压力 上升 毛细浸润作用加强 第七章 纤维的热学 光学和电学性质 1 试讨论纤维的比热容 C 和导热系数 对纤维制品的隔热性和触摸冷暖的影响 比热容的大小直接反映了温度变化的难易程度 而 的大小决定了纤维传递热量的快 慢程度 一种纤维 C 大 则升高 1 摄氏度需要更多的温度 如果 小的话 则吸收热量 会需要很长的时间 这样有助于纤维的隔热 并且触摸时可以保持长时间的凉爽 若 大 则会很快吸收热量 使纤维温度升高 不利于隔热 反之 纤维的 C 小 道理一致 4 纤维受热时 力学状态发生变化或转变的基本机理及解释 答 纤维受热时性状会发生变化 热塑性纺织纤维其内部存在结晶区和无定形区 纤维的宏 观热性状与结晶度有关 当结晶度较低时 纤维的性质接近非晶态高聚物所具有的力学三 态及其转变特征 1 玻璃态 低温时 由于分子热运动能低 链段的热运动能不足以克服内旋转的 势垒 链段处于被 冻结 状态 只有侧基 链节和短小的支链等小运动单元 的局部振动及键长 键角的变化 因此 纤维的弹性模量很高 变形能力很小 具有虎克体行为 纤维坚硬 类是玻璃 故称玻璃态 2 玻璃化转变区 在该转变区内 由于温度升高 分子链段开始解冻 其热运动 可以克服主链的内旋转位垒绕主链轴旋转 使分子的构象发生变化 3 高弹态 高弹态是指大分子链可以运动的状态 但没有分子链的滑移 温度升 高 并达到一定的状态后 Tg T Tf 分子链可以通过主链上单键的内旋转 来改变构象 但整个分子链虽仍处于被冻结状态 当纤维受到外力拉伸时 分 子链可以通过主链上单键的内旋转和连段运动来改变构象 以适应外力作用 分子链被拉直 解除外力后 被拉直的分子链又可以通过内旋转和链段的移动 回复到原来的就卷曲状态 因此纤维呈现出较高的弹性 故称高弹态 4 粘性转变区 由于温度增高 链段热运动逐渐加剧 链段沿作用力方向协同运 动 这不仅使分子链的构象改变 而且导致大分子链段在长范围内甚至整体位 移 纤维表现流动性 模量迅速下降 形变迅速增加 5 粘流态 当温度高于 Tf 后 纤维大分子链段运动剧烈 各大分子链间可以发 生相对位移 从而产生不可逆变型 纤维呈现出粘性液体状 6 热定形与热变形加工的主要依据及控制参数为何 试述交联型与线型分子纤维热定形的 区别 答 通过热作用的变形加工主要是对热塑性类纤维 在原理上和作用上与热定形基本 一致 只是热变形加工的速度更快 变形的温度更高 张力较大 其不仅利用 T 温度的构 想转变 还可利用 T 的结晶变化 如假捻法 刀变法 都是在张力和热作用下实现纤维在 不同部位的结构变化 而形成新的空间造型 这种结构的变化具有三个不同的特征 1 局 部性 双边 外层或某段 2 聚集态结构的变化 结晶和取向度改变 不同于原结构 3 由 空间形态 弯曲 螺旋 起圈 甚至还有截面形态的改变 需要控制的参数有温度 张力 等 对于羊毛类维的热定性 因为其无序区间存在交联型 及 S S 键 故其主要采用热湿 和张力作用打开部分二硫键 并在新的位置重建二硫键 达到分子间结构的稳定 丝类纤 维属高结构纤维 能通过热湿作用打开氢键 进行无序区分子的构想调整 但作用甚微 与棉麻一样 8 纤维的可燃性和燃烧性针对性评价指标为何 并给出理由 答 描述纤维燃烧性的指标有极限氧指数 LOI 着火点温度 Ti 燃烧时间 t 火焰温度 Tb 等指标 极限氧指数 LOI 表示纺织材料的可燃性 来定量区分纤维的燃烧性 极限氧指数 LOI 是指在氧气和氮气的混合气中 维持完全燃烧状态所需的最低氧气体积分数 LOI 数值越 大 说明燃烧时所需氧气的浓度越高 常态下越难燃烧 根据 LOI 数值的大小 可将纤维 纤维燃烧性能分为四类即 不燃 难燃 可燃 易燃 点燃温度 Ti 是指纤维产生燃烧所需的最低温度 是燃烧的激发点温度 称为火点温度 该值取决于纤维的热降解温度和裂解可燃气的点燃温度 其值越高纤维愈不容易被点燃 燃烧时间 t 是指纤维放入可燃环境 有氧 高温 中 观察纤维从放入到燃烧所需的时 间 燃烧时间反应纤维被点燃的快慢程度 取决于纤维的导热系数 比热容 热降解速率 点燃温度 纤维的燃烧时间愈短 愈易被快速点燃 燃烧温度 Tb 是指材料燃烧时的火焰区中的最高温度值 故又称火焰最高温度 Tb 反 应纤维材料在燃烧过程中的反应速度及其热能的释放量 Tb 值愈高 说明纤维的燃烧性愈 强 而且对纤维进一步燃烧的正反馈作用愈强 是表达材料着火后燃烧剧烈性的指标 该 指标取决于纤维的热裂解速度以及氧化反应速率 量和完善程度 并与燃烧时纤维质量的 损失率直接相关 9 纤维的热稳定性的内涵及其应该采取的表征方法 答 1 质量与组成的的稳定性 纤维在热作用下会发生热降解 而引起分子量的下降和组成的变化 尤其是有氧条件 下会发生氧化降解 由于热降解会使纤维分子变为低分子物挥发 或碳化而质量减少 2 结构的稳定性 热作用下纤维的聚集态结构会发生改变 这是热稳定性中最重要的表达内容 也是耐 热性高低的最主要机制 在热作用下 纤维的结晶会解体 取向会下降 3 形态的稳定性 形态的热稳定性 指在温度作用下纤维外观形态的稳定 主要指纤维的热收缩性 由 于纤维分子的取向排列及内应力的存在 在加热时会产生不可逆的热收缩 这完全不同于 各向同性均匀介质的物质 固态物质表现出可逆热胀冷缩 但合成纤维受热后 却往往发 生的是长度方向的热收缩 其本质是高牵伸行成的分子趋取向于伸直状态 在热作用下解 序回缩所致 热收缩的大小用热收缩率表示 它是指加热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率 根据加热介质不同 有废水收缩率 热空气收缩率和饱和蒸汽收缩率之分 不同纤维的热 收缩率也不相同 合成纤维的热收缩率随着温度的提高而增大 当介质不同时 合成纤维的收缩率也不 相同 合成纤维的热收缩影响织物的服用性能 一般不希望产生热收缩 或者热收缩要小 而且要均匀 热收缩率大 会影响织物的尺寸稳定性 热收缩现象也可以合理利用 有意 识地利用合成纤维热收缩特性可以合理的利用合成纤维热收缩特性可以产生膨体纱 纤维集合体的导热系数及其与纤维集合体保暖性的关系 P142 144 17 试叙述静电起电序列产生的依据或方法 为何摩擦序列会产生波动 减少和防止静 电的方法 答 所谓静电起电现象 是指不同纤维材料之间或纤维与其他材料之间由于接触和摩擦作 用使纤维或其他材料产生电荷积聚的现象 当两个绝缘体相互摩擦分开时 介电常数 r 大 的取正电荷 小的取负电荷 介电常数的大小与静电电位的高低有一定的关系 当静电序 列中两种材料摩擦 排在左边的带正电荷 右边的带负电荷 一般带有酰胺键 CONH 的纤维如羊毛 蚕丝和锦纶等排在序列靠产生正电荷的一端 纤维素纤维在中 间 碳链纤维在序列负电荷的一端 摩擦时会发生电荷转移 从而影响静电序列波动 丝光 棉丝光 将棉织物浸扎在碱液中发生溶胀 在张力作用下增加纤维的取向度 以提高强 力 使棉纤维变成十分光滑的圆柱体 增加对光的漫反射 显出丝一样的光泽 降低织物缩 水率 并能够消除织物表面皱纹 羊 毛 丝 光 毛 需 要 先 经 氯 化 或 蛋 白 酶 处 理 破 坏 羊 毛 表 层 的 鳞 片 减 少 羊 毛 的 顺 向 与 逆 向 运 动 时 摩 擦 系 数 之 差 异 处 理 后 的 羊 毛 其 光 泽 增 加 俗 称 为 丝 光 羊 毛 主 要 特 性 是 防 缩 水 可 机 洗 抗 起 球