纺织物理 第五章 纤维的光学性质.doc

第五章 纤维的光学性质纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、折射和透射的性质，以及光在纤维中的传递性质。纤维在光照下会呈色发光，纤维对不同振动方向的光会产生不同的折射效果，纤维受光以后会老化降解，这些都是纤维的光学性质。纤维的光学性质直接取决于纤维的结构，纤维的分子结构能很好地将光线的光电场能转化成纤维分子或电子云的振动能，将使纤维的耐光老化性提高。纤维聚集态结构的不同将引起纤维反光、折光性质的变化，尤其是取向的分子排列将使纤维的光学各向异性特征明显，应该说纤维的光学各向异性是纤维结构的各向异性的最明显的表征，也是用的最多最为方便的传统测量方法。本章将重点介绍纤维的折射特征、双折射性质与测量、纤维的光老化及发光现象，以及纤维的红外光谱及性质。通常光学性质的讨论范围为紫外光（nm）、可见光（nm）和红外光（um）。光的波长不同，能量不同。可见光的波长不同其颜色不同，结果见表。 表51 各种颜色的波长及波长范围颜色标准波长波长范围红700620780橙610595620黄580575595绿510480575蓝470450480紫420380450第一节 纤维的反射与折射的性质一、 光与纤维 当光线照射在纤维上，在纤维与空气或与其他介质的界面处将发生反射与折射现象。该界面在纤维体内存在时，情况也一样。其光路与纤维的相互关系如图所示。 （5.1）式中，为光线在空气中或真空中的传播速度；为光线在纤维中的传播速度。二、 纤维的折射率 纤维是一个轴对称的各向异性体，其折射率在上是不同的。折射率大小的矢量在纤维中是一个空间椭球分布，如图所示。可以看出，沿纤维轴向（Z轴）的折射率较大，为椭球的长度。在纤维经向平面中的折射率为中心对称、值相等且较少。图52 纤维的折射率分布 设：纤维中的直角坐标系的z轴为纤维轴方向，则、分别表示纤维中沿x、y、z轴的折射率值。则有：= = 而纤维轴的整体平均折射率值，即将纤维看成一各向同性体时的折射率值为：=（+） （5.1）或 =（2+） （5.2） 通常纤维的折射率有=,即平行纤维轴的折射率较大，光的传播速度较低；垂直纤维轴的折射率较小，故光的传播速度较快。 光子在介质中的传递是受到介质的光密度影响的。而介质的光密度是由电子密度和电子云的易动性决定的。光子通过介质时，必然会与电子发生碰撞，和对电子云发生干扰，引起光子能量的转换与损耗，以及介质电子云的骚动，这将改变光子的运动速度与方向。在宏观上体现出光线的传递速度减慢，光波波长的变化和折射率的增大。因此，只要结构不同，分子排列方式不同、晶格参数（三轴方向和长短）不同，折射率值就会不同。三、 纤维的反射与光泽 由图可知，除了折射外另一主要的光学现象为光的反射。图中绘出的只是一种镜面反射和多层反射。实践中，镜面反射只是主反射线，在其他各个方向上也有反射，称为漫反射或者散射，如图（a）所示。这与纤维的表面形态不同引起的散射不同有关，见图（b）,形态不同是由主反射线的变化引起的。前者是微观结构作用；后者为宏观形态作用。入射主反射散射 (a)反射示意图 (b)形态散射示意图 光的反射直接影响被光照物的光泽特征。 光线由光疏介质入射到光密介质时所产生的反射量，可由Flamier公式来表达，反射系数R为： R= (5.3) R0= (5.4) 对纤维来说，反射系数R一般为0.20.23左右，折射率n在1.51.6内。第二节 纤维的双折射与测量一、 纤维的双折射 对物质来说，当沿着两个不同的光轴的光线传播时，由于在此二方向上光密度的不同，将使光线产生两种传递速度，即具有两个折射率值，这种现象就称为双折射现象，表征其的指标为双折射率n 。双折射现象的本质是材料结构的各向异性的光学反映，对于三轴方向的折射率不同的物质其双折射率有三个。若直角坐标系中的三个折射率分别、则双折射率为： （.） 由于纤维是轴对称的各向异性体，即只存在平行纤维轴的折射率和垂直纤维轴折射率，故纤维的双折射定义为：n （.） 即平行于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率与垂直于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率的差值n。其物理过程为，当一束平面偏振光进入纤维时，可将其分解为二组相互正交的平面偏振光如图所示一是沿纤维轴向振动的平面偏振光，其一般传播速度较慢，折射率值较大，称为非常光，或称慢光，又称e 光。另一是垂直纤维轴方向振动的平面偏振光，其一般传播速度较快，折射率较低，称为寻常光，或称快光，又称o光。故一般情况中光对纤维的作用结果是：v但也有不同情况，通常将：即n 0称为正晶体； 即n 即n 0称为零晶体（或者各向同性体）。纤维的双折射值有大有小，一般在范围内，而且其值有正有负如涤纶为n ，玻璃纤维n ，腈纶为n 。二、 影响纤维双折射值的因素 影响纤维双折射值的因素很多，但基本上可以从纤维结构影响的角度和环境条件上来讨论。、 纤维的结构因素（） 极性基团及其排列方向 极性基团的极性聚乙烯与聚氯乙烯a)-C-C-C-b)涤纶：粘胶与醋酸纤维：粘胶：极性基团的方向 因此光振动的方向与极性基团的偶极轴方向的一致性极为重要。相同时极化作用强，光传递损耗大，速度慢；垂直时，极化作用小，损耗小，光传导速度高。光电场对极性基团的极化度与折射率的关系为： 如腈纶分子结构，因机心风格基团方向的影响，加之分子间排列中的侧向有序和轴向短程有序，长程无序，使腈纶变为负晶体材料。（） 纤维的密度和结晶度纤维的结晶度增加意味着纤维密度的增加，而纤维密度与折射率的关系，根据Gladston & Dales方程可得：同理存在： 即折射率与密度成正比，双折射值也与密度成正比。这也就是说，对同种纤维来说，纤维得密度越高，其双折射值越大。（） 纤维大分子的构型（） 纤维种分子得取向排列根据：其中：N为链段数，为牵伸比。其中：前者为极性分子的极化度；后者为链段的双折射值（5（） 形状双折射率当两种各向同性体得物质（或同种物质不同形态）以一定方式有序排列组合时，该混合物将产生双折射现象，这种双折射定义为形状双折射。这种双折射现象的实质是界面的有序排列而致，故又称为界面取向双折射。如图所示，玻璃棒插入水中，会形成双折射。对于不同的界面形成的形状双折射值是不同的，如图所示。（） 水分对纤维双折射的影响纤维吸收水分后变为混合体，纤维自身的双折射和界面的双折射将会共同存在。即：则：令：所以，纤维与水的混合体的折射为：三、纤维双折射的测量 纤维双折射的测量方法有许多，有传统的、近代的；也有这些方法与现代计算机技术结合的方法；有基于折射率的测量方法；亦有根据双折射现象的直接双折射值的测量方法。虽然测量方法多种多样，但依据获得双折射值的途径可将这些方法分为直接法和间接法二类。、 间接方法所谓间接方法是利用纤维在某种介质中（通常为液体），其光学人折射性质与该介质相同时，即两物质的界面消失时，测量该介质的折射率，包括平行和垂直纤维轴的折射率，最终求得纤维得双折射率。其原理为：当nf=ns (5.13)式中nf、ns分别为纤维的折射率和溶液的折射率，如果入射光的平面振动方向分别垂直和平行与纤维轴时就可以得到：nfns或者nfns最终得到纤维的双折射率：nf（nn）f（nn）s (5.14)上式中溶液的折射率ns 可以阿贝折射仪直接测量获得。显然要实现上述测量原理，不许要解决两个问题：如何使溶液的折射率ns与纤维的折射率nf相等；怎样确切地知道 ns=nf，一般要求精度为1.6）的溶液（如溴代萘）；一种低折射率（nf时，溶液与纤维构成一个凹透镜的形式如图512（a）。其为一个发散透光，因此当聚焦平面向上移动时，倍克线向外移动，反之向内移动。当nsnf ，反之，nsnf时，纤维=凹透镜，光发散，当焦平面上升时，倍克线外移，有纤维内向纤维外移动。 当nsnf ；向上移物镜，倍克线向内，ns nf 。当光（）消失时，倍克线也不存在。（） 中央照明法原理与倍克线法基本相当，主要是物镜上下移动的距离较大，其是寻找在纤维中央（）存在的一根明亮的线条，如有，则根据物镜的上升还是下降确定溶液的折射率是大还是小，但此法对于高倍数时，下降距离往往不移。图：（） 相差显微镜法图： 光线通过折射率不同的物质，要发生速度的改变，产生光程差。光程差即反射光波的振动的相位差，利用相差显微镜检验是否存在0，而调节溶液的混合比或温度以致光波波长，使0成立，这时的ns= nf 。（） 干涉显微镜同上，利用干涉加强为同相位，干涉（ ）则有相位差，改变ns 、T 、使干涉光强最大，此时，ns= nf ，则ns 。比较：（1）、（2）简单，精度低；（3）、（4）设备要求高，精度高。517而已知纤维的折射率要求纤维的双折射，这将是一件很容易的事，只需采用平面偏振光，当平面偏振光的振动方向与纤维平行时，即测得n ；与纤维垂直时，即是n , n-n=n（二）平面偏振光通过纤维的现象1、滞后现象及椭圆偏振光（光程差的概念）当一束平面偏振光与纤维轴呈一定夹角射入纤维时，光线由于从光疏物质进入光密物质，就会发生速度减慢的现象，即单位时间通过的光程要发生变化，S=VCt n= VC/V ns= VCt由于纤维是各向异性体，因此平面偏振光进入纤维后，其沿纤维轴方向振动的光波不易于传播，速度较慢，一般称为非寻常光，用e表示；沿纤维轴垂直方向振动的光波易于传播，速度较快，一般称为寻常光，用o表示。显然：e光（平行于纤维轴）和o光（垂直于纤维轴）在出纤维后必将发生光程上的差异，此称为光程差。S=VCt-VCt=nS-nS=S(n- n)同样振动频率的光，有光程差，必然存在相位差。518如果纤维直径或厚度是一致的，那么光程差或相位差就正比例与双折射，n=n-nn= n-n 显然n，。这就是平面偏振光通过纤维时的滞后现象，其产生的原因很显然是纤维的各向异性所致。由于进入纤维的平面偏振光平行方向和垂直方向传播有滞后现象，结果进入纤维的平面偏振光在出纤维后就发生了变化，变成了椭圆偏振光，即e光和o光在出纤维后因相位差的原因相互合成为（ ）的椭圆振动，这就很方便的在理论上证明。图（ ）进入纤维的平面偏振光的振动方程为：则：显然：最后简化整理为：式很显然是一椭圆方程。一般采用入射平面偏振光的振动方向与纤维轴的夹角为，这时的振动为对称振动。=时，在这种情况下：=(2k+1)/2时，为圆偏振，y2+z2=A02/2；=k时，为平面振动，yz=0。此处k=0,1,2,.显然随变化，椭圆偏振光的椭圆率会发生变化，可有直线圆直线图：（）平面偏振光（) =VCt-VCt=d(n-n)S=VtnS=VCtn=VC/VnS-nS= VCt-VCt=VC(t-t)=S(n-n)、通过各种纤维时的现象在检测纤维时平面偏振光路是这样的。图：（）所以当纤维厚度一定时且同种纤维，即：=const。图：（）这样如果将一纤维放入正交的起偏器形成的视野中，视野应该是全显的，但纤维（）其各向异性的原因而产生椭圆偏振光，纤维就不一定是全显体，但随着纤维轴与起偏器夹角的改变，其亮暗程度会发生改变，如果是各向异性的纤维，n-n0。则k/2时，上述推导，A0I0纤维与周围视野一样，是显体，即、四个位置。可以想象的出在这些位置无分解现象。当(2k+1)/4时，这时纤维是明亮的，即在、四个位置上，由于纤维的各向异性不相同，这种情况也有差异。n-n0各向同性纤维，玻璃、醋脂、腈纶，即使在、位置也是显的，因为穿过纤维无椭圆偏振产生； 各种合成、人造、毛、丝纤维各向异性，同上分析； 棉、麻、复合纤维，因其小纤维的电子（）和排列形成的正反而交（），圆始终是亮的。、干涉色现象上面我们讲到的基本上都是单色偏振光，如采用自然光线，即全色光偏振后通过纤维，就会产生干涉色现象。因为自然光的光波波长为，其同时通过纤维时，不同波长的振动频率不一样，最后出来后，因纤维各向异性的影响，相位差也不一样。12.n12.n公式（）=2/这样通过纤维后，有的波长颜色的光全符合=(2k+1)，相干加强而显色，=2k时，相干减弱而不显色。（k=1、2、.n)此是空间问题不是平面问题，不要搞混。图：（）这样通过检偏器后，原来的全色光将变为只有某几种颜色的平面振动光而显不同的色彩。图表：（ ）523棉纤维的成熟度测量中所运用的正是这一原理。因为棉纤维的成熟度不同，其（）的厚度不同，d不同，而且对纤维的各向异性也有一定的影响，成熟度高的棉纤维（），取向排列成分多，各向异性大，(n-n)，这样，出纤维的光干涉情况发生变化，成熟与未成熟纤维的干涉色就会出现差异，根据这种干涉色的差异就可判断纤维的成熟与否。一般厚度影响是最为主要的，棉纤维的厚度一般在um，双折射：.左右，故：=100.025300.045=250um1350um但一般正常成熟棉纤维的左右范围，一般只有光程差mu，故色不丰富。（）加入补偿片如一级红（）片，增加mu，使纤维的干涉色更为丰富清晰。对一级红，成熟纤维为黄、绿、橙色；未成熟纤维为透明红、无色、紫、深蓝。如减去一个mu，为三级红，这时成熟纤维为黄绿；未成熟纤维为红色。不加补偿片，未成熟的为铁灰；成熟的为灰色。（三）直接方法 运用光学原理及仪器直接测量纤维的双折射和光程差，其根据：=d(n-n)则纤维的双折射为/d。采用这种方法，其中有一个很重要的参数d，一般较难确定，原因是：第一、纤维是非圆形的；第二，纤维的直径是变化的。因此这种方法要做到准确，就必须限制纤维的形态，要求被测纤维是圆形的，d=直径。 这样在已知纤维细度值的情况下，可以直接测得光程差而求出双折射值。直接方法有多种，其中有：石英楔子法； 干涉法； 萨那蒙补偿法； 其他补偿法。这里介绍的两种有代表性的，一是萨那蒙；一是干涉法。、 萨那蒙补偿法 光学彩光及原理 如图所示：纤维与起偏器撑度角，起偏器与检偏器正交，/补偿片的慢光方向与检偏器振动方向平行，这样只要通过纤维后产生椭圆偏振光，不管是何形式，其经/补偿片作用就会变成平面图：（） 偏振光，但其振动方向转动了角，而该角与实际的相位差成特定关系：=/2。这样只要转动检偏器角，就可达到与补偿后的平面偏振光相互垂直而完全消光的目的。因此，只要检偏器转动到视野中纤维全黑时，这时所转过的角度就为角，已知，根据：这时，已知，单色光，d：纤维直径已知。 原理的理论证明已知通过纤维的椭圆偏振方程为：为对称：=45图：（）实际上输入角度时，方块就会变成长方形，=0，就有斜线变成正椭圆。理论上：所以当纤维如前光路系统安排时，/4补偿片的插入，图：（）所以正椭圆被改变成与起偏器成角的平面偏振光。该角可根据求得。因为：代入：而通过/4补偿片的光已变成平行偏振光，则检偏器只要转动与其垂直视野就会黑。而转角与关系已知，所以可求出：这里我们只讨论了0的情况，实际纤维有时光程差会差几个波长。如涤纶纤维，其的纤维，如何测量其双折射，从理论与实际方法上加以说明（萨那蒙法）。、 试比较倍克线法与萨那蒙法对测量双折射方面的差异及特点。、 何为二色性，何为红外二色性，如何用红外光谱法测纤维的取向度？、 红外全反射（）技术在纤维材料科学中对于哪类问题的分析最为有利？