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第一章 纖維的分類及發(fā)展 2 棉 麻 絲 毛纖維的主要特性是什么 試述理由及應該進行的評價 棉纖維的主要特性 細長柔軟 吸濕性好 多層狀帶中腔結構 有天然扭轉 耐強堿 耐 有機溶劑 耐漂白劑以及隔熱耐熱 帶有果膠和蠟質(zhì) 分布于表皮初生層 彈性和彈性恢 復性較差 不耐強無機酸 易發(fā)霉 易燃 麻纖維的主要特性 麻纖維比棉纖維粗硬 吸濕性好 強度高 變形能力好 纖維以挺爽 為特征 麻的細度和均勻性是其特性的主要指標 結構成分和棉相似單細胞物質(zhì) 絲纖維的特性 具有高 強 伸度 纖維細而柔軟 平滑有彈性 吸濕性好 織物有光澤 有獨特 絲鳴 感 不耐酸堿 主要成分為蛋白質(zhì) 毛纖維的特性 高彈性 有天然卷曲 吸濕性好 易染色 不易沾污 耐酸不耐堿 角蛋 白分子側基多樣性 有氈化性 表面鱗片排列的方向性和纖維有高彈性 3 試述再生纖維與天然纖維和與合成纖維的區(qū)別 其在結構和性能上有何異同 在命名上 如何區(qū)分 答 一 命名 再生纖維 原料名稱 漿 纖維 或 原料名稱 黏膠 天然纖維 直接根據(jù)纖維來源命名 絲纖維是根據(jù) 植物名 蠶絲 構成 合成纖維 以化學組成為主 并形成學名及縮寫代碼 商用名為輔 形成商品名或俗 稱名 二 區(qū)別 再生纖維 已天然高聚物為原材料制成漿液 其化學組成基本不變并高純凈化后 的纖維 天然纖維 天然纖維是取自植物 動物 礦物中的纖維 其中植物纖維主要組成物 質(zhì)為纖維素 并含有少量木質(zhì)素 半纖維素等 動物纖維主要組成物質(zhì) 為蛋白質(zhì) 但蛋白質(zhì)的化學組成由較大差異 礦物纖維有 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 合成纖維 以石油 煤 天然氣及一些農(nóng)副產(chǎn)品為原料制成單體 經(jīng)化學合成為高聚 物 紡制的纖維 7 試述高性能纖維與功能纖維的區(qū)別依據(jù)及給出理由 高性能纖維 HPF 主要指高強 高模 耐高溫和耐化學作用纖維 是高承載能力和 高耐久性的功能纖維 功能纖維是滿足某種特殊要求和用途的纖維 即纖維具有某特定的物理和化學性質(zhì) 其中功能纖維有抗靜電和導電纖維 蓄熱纖維 遠紅外纖維 防紫外線纖維 阻燃纖 維 光導纖維 彈性纖維 抗菌防臭纖維 變色纖維 香味纖維 變色纖維等 均具有相 應的特殊用途 高性能化纖維有對位間位芳綸 PBO纖維 PEEK纖維 聚四氟乙烯纖維 碳 纖維等 具有高強 高模 耐高溫和耐化學作用等性質(zhì) 功能化纖維是以高感知性 高吸濕性 高防水性 高透濕行 發(fā)光 發(fā)電 導電 導 光 生物相容性 高吸波 高分離 高吸附 產(chǎn)生負離子 能量轉換 自適應和自行修復 等功能實現(xiàn)為目的 而高性能化纖維則以從高強 高模 耐高溫發(fā)展為超高強 超高模量 超耐高溫 耐化學作用為目的 9 你所認為的纖維未來應如何發(fā)展 你所感覺的纖維發(fā)展及未來最主要的問題是什么 1 在天然纖維方面 積極尋求和開發(fā)新的和可持續(xù)發(fā)展的天然纖維資源是極為重要 的 2 在再生纖維方面 依靠天然生長的纖維在纖維長度 細度 和性能上較難控制 有時無法用于紡紗 而且天然纖維素 蛋白質(zhì)物質(zhì) 并非能直接滿足紡用纖維的 要求 加上廢棄的纖維及其制品 人們極有必要解決這些物質(zhì)的再生利用 3 在合成纖維方面 仿生化 功能化 高性能化纖維將是今后的發(fā)展方向 最主要的問題 由于人口膨脹 環(huán)境的污染和惡化 自然資源與能源的匱乏 人類對物質(zhì)量的需 求提高 人類穿 用消耗的資源 纖維將成為未來發(fā)展中必須直面的問題 在纖維未來的 發(fā)展中 人類應該更多的關注已有纖維的使用和再生利用 可持續(xù)天然纖維的開發(fā)利用 低能耗 清潔化纖維的加工 即特別關注大宗類紡織品用纖維資源的可持續(xù)性 工藝纖維 馬海毛 山羊絨 馬克隆值 第二章 纖維的結構特征 3 天然纖維素纖維有哪些主要結構特征 棉纖維的結構與特征 1 分子構成及分子間結構 分子式為 C6H10O5 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)結構是固定的 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) 纖維中約 2 3 為結晶部分 結晶晶格是單斜晶系 見圖 2 9 棉纖維大分子取向度較高 主要是次生層原纖排列的螺旋角在 20 30 的影響 故 纖維強度較麻纖維低 但伸長較大 2 細胞形態(tài)與構成 棉纖維是細長的 有天然轉曲 纖維轉曲數(shù)一般為 6 10 個 mm 截面呈腰圓形帶中腔 為扁平管狀纖維 頭端變細 封閉 尾端稍細為截斷開口狀 是單細胞纖維 棉纖維的形態(tài)結構如圖 2 10 所示 最外層是表皮和初生層 中心是癟了的中腔 纖維 的主要構成是沉積生長增厚的次生層 S 層 3 各層次結構 表皮層是初生層外的一層薄薄的外皮 由蠟質(zhì) 脂肪與果膠的混合物組成 具有潤滑 防水作用 表皮層有細絲狀皺紋 是纖維干燥收縮形成的 一般與次生層的原纖方向 一致 皺紋深度和間距約為 0 2 長度可達以上 初生層在表皮層內(nèi)側 是纖維的初生胞壁 由網(wǎng)狀原纖組成 初生胞壁厚度僅為 0 1 重量占纖維重量的 2 5 2 7 網(wǎng)狀原纖結構 與纖維軸呈 70 90 傾角 梢部的傾角比基部大 形成對纖維整體的形態(tài)約束和保護 是纖維吸濕膨脹復圓后 直徑或周長不變的主機制 初生層不是結構均一的物質(zhì) 分為三層 外層基本是由果 膠物質(zhì)和蠟狀物質(zhì)組成 第二 第三層纖維素呈繞纖維軸旋轉的網(wǎng)狀結構 次生層在初生層里 是由纖維素在初生胞壁內(nèi)沉積而成的原組織 占纖維總質(zhì)量的 90 以 上 次生層分為三個基本層 S1 S2 S3 依次向內(nèi) 最外薄層為次生胞壁 S1 厚度小 于 由平行排列的原纖組成 原纖與纖維軸呈 20 35 螺旋狀排列 較為致密 S1 層的里層是次生層 S2 厚約 1 是棉纖維主體 全部為纖維素 原纖與纖維軸的螺 旋角約為 25 螺旋的方向周期性地換向 在一根纖維中換向可達 50 次以上 S2 層 由原纖呈平行螺旋狀相互堆砌而成 微原纖間形成空隙 使棉纖維具有多孔性 在 S2 次生胞壁的里面是第三層次生胞壁 S3 厚度小于 次生層有明顯的 日輪 結構 共有 25 40 層 每層厚 0 1 相鄰的 S1 S2 S3 層間 的螺旋方向往往是相反的 棉纖維的天然轉曲是由于次生層 S2 中的原纖螺旋排列所致 原纖螺旋方向大多與轉曲 方向一致 但也有例外 這是因為原纖的換向頻率遠高于纖維的轉曲頻率 棉纖維中 原纖的螺旋角因品種而異 除去纖維天然轉曲的影響后 大體都在 20 23 棉纖維的中腔又稱胞腔 腔壁存在原生質(zhì)殘渣 為蛋白質(zhì) 礦物鹽和色素等 胞腔的 復圓截面積約為棉纖維截面積的 1 10 其顏色確定了棉纖維的顏色 中腔是纖維內(nèi)最 大的空隙 是棉纖維染色和化學處理的重要通道 麻纖維的結構特征 由于麻的種類很多 雖有相關單纖維結構的研究 但較為專門化及各不相同 此處不 作詳述 僅在纖維鑒別中給出一般形態(tài)結構 作為非單纖維紡紗應用的麻纖維 還多 了一個結構層次 即單纖維加膠質(zhì)的復合結構 雖然連續(xù)相的膠質(zhì)含量少 約為 10 16 的截面積 但與單細胞麻纖維的作用因構成復雜而變得復雜 4 試討論羊毛和與蠶絲的不同層次結構及特征 并舉例說明其異同點 及對其性質(zhì)的影響 答 羊毛纖維是多細胞結構體 有兩類細胞 鱗片細胞和皮質(zhì)細胞 鱗片細胞是表皮細胞 由細胞間質(zhì) CMC 粘接組合成羊毛表面的連接覆蓋層 皮質(zhì)細胞有正皮層和副皮層之分 紡錘形的正 副皮層細胞也有細胞間質(zhì) CMC 粘接組合成連續(xù)的羊毛纖維芯層 有些羊毛 中還有仲皮層細胞 較粗的羊毛在皮質(zhì)層中心還有髓腔 成為髓質(zhì)層 卷曲 保暖 摩擦 氈化 羊毛的正皮質(zhì)細胞原纖化結構明顯 層次分明 基本組合方式是 基原纖 微原纖 巨原纖 細胞 羊毛的副皮質(zhì)細胞也是原纖化結構 但無明顯的巨原纖結構 即 基原纖 微原纖 細胞核殘留物 細胞 羊毛纖維的結構組成見下圖 蠶絲的各層次結構綜合示意圖如下 蠶絲由絲膠和絲素構成 絲膠包裹于絲素之外 絲素是蠶絲纖維的主體 絲膠有四層 包裹層 絲素由巨原纖 原纖 微原纖 基原纖四級結構組成 羊毛纖維中的皮質(zhì)層細胞和蠶絲纖維中的絲素均具有明顯的原纖化結構 但蠶絲無細 胞結構 7 何謂纖維的分子內(nèi)和分子間以及織態(tài)結構 對纖維的性能有何影響 通常將大分子結構分為分子內(nèi) 分子鏈 結構和分子間 超分子 結構兩部分 分子鏈結構是指單個分子的結構 也是大分子的化學結構 簡稱鏈結構或化學結構 鏈結構又分為討論鏈節(jié) 單基 組成及結構的近程結構和討論分子鏈空間形態(tài)的遠程結 構 近程結構 即構成和構型必須經(jīng)過化學鍵的斷裂和重組實現(xiàn) 屬一級結構 或稱一 次結構 大分子的構成是鏈節(jié)中原子和鍵的組成及序列 不涉及空間排列 大分子的 構型是指鏈節(jié)內(nèi)各原子和基團通過化學鍵固定的空間排列以及鏈節(jié)間的排列順序 遠 程結構包括大分子的大小及分布 尺寸和構象 分子的遠程結構屬二級結構 大小用 分子量 聚合度來表示 分布表示大分子量或聚合度或長短的離散性 尺寸是指分子 的占有空間 構象則是指大分子鏈在空間的形態(tài) 分為微構象 和宏構象 構象表達以 分子鏈節(jié)間鏈發(fā)生內(nèi)旋轉造形及其可能性 分子間的結構屬三級結構或稱三次結構 就是前面所提的聚集態(tài)結構 而若干大 分子聚集體或不同組份大分子聚集體的相互共混 復合 組合體是更高層次的結構體 屬高次結構 或稱織態(tài)結構 纖維的多重原纖結構就是典型的織態(tài)結構 三次結構及 其以上的結構不屬分子結構 顯然纖維大分子的構成表示不同原料的纖維 如棉 毛 滌 錦綸纖維等 不同 構型和構象的纖維表示組成大類中不同結構特征的纖維 如等規(guī)與間規(guī)聚丙烯纖維和 羊毛與蠶絲纖維 不同分子間結構的纖維則表示同種分子結構不同高次結構的纖維 如粘膠 富纖 Modal Lyocell 纖維 第三章 纖維形態(tài)的表征 3 何謂主體長度 品質(zhì)長度 上四分長度 上半部長度 其間有何關系 主體長度 是指一批棉樣中含量最多的纖維的長度 在長度頻率分布中是頻率值最大的 那組纖維的長度 即 dw l dl 0 時的 l 值 記為 LM 品質(zhì)長度 為棉紡工藝上確定工藝參數(shù)時采用的長度指標 又稱右半部平均長度 是指 比主體長度長的那一部分纖維的重量加權平均長度 若已知主體長度 LM 以上的纖維的含 量比 C 則以 r x C 處作 r x 曲線的切線交橫坐標的長度即為品質(zhì)長度 LQ O C 50 100 r x Lv2 為上半部平均長度 LQ 為品質(zhì)長度 L50 Lv2Lm L0 X L2 5 Lmax 上四分位長度 取 OL 的中點 A 作水平線交輪廓 L B 于 L1 由 L1 作垂線交 OB 于 B1 取 B2 令 OB2 OB1 4 作豎直線交輪廓 LB 于 L2 再取 L2B2的中點 A2作水平線交輪廓線 LB 于 L3 由 L3的垂線交 OB 軸得 B3 此時 取 OB3的上四分位 B4 即 OB4 OB3 4 由 B4作豎直 線交 LB 得 L4B4 稱為有效長度 也稱上四分位長度 C L A O B2 B4 B5 B1 B3 B 最大長度點 交叉點 上四分位長 L5 L1 L2 上半部平均長度 若取 r x 0 5 處與 r x 曲線的切線 則可得上半部平均長度 L1 2 8 纖維的細度不勻指哪些 纖維長度上的細度不勻和截面不勻如何測量 答 纖維的細度不勻主要包括兩層含義 一是纖維之間的粗細不勻 二是纖維本身 沿長度方向上的粗細不勻 纖維細度不勻的測量方法有 1 稱重與長度的測量 稱重與長度結合的測量 簡稱稱重法 主要解決纖維的線密度指標測量 2 直徑測量法 1 傳統(tǒng)的顯微鏡觀測法 此方法又稱為顯微鏡投影測量法 多用于圓形或近圓形纖維直徑的測量 源于近圓形羊毛 纖維的測量 2 OFDA 法 3 激光纖維直徑測量法 3 氣流儀法 4 振動測量法 其中常見的纖維所用的細度不勻的測量方法有 棉纖維較多地采用氣流儀法 其次為切斷稱重法 毛纖維幾乎采用 OFDA 和 LaserScan 方法 其次為顯微鏡法和氣流 儀法 麻纖維為切斷稱重法 其次套用顯微鏡法或 OFDA 法 絲纖維大多為絞絲稱重法 類切斷稱重 其次顯微鏡法 化纖短纖根據(jù)毛型 棉型分別采用各自纖維在紡織加工工藝體系中的測量方法 化纖長絲一般用絞絲稱重 或顯微鏡法 其次為振動法 纖維截面不勻的測量方法 纖維截面不勻特征的測量目前只能通過切片顯微鏡觀察進行 而 CCD 攝像和計算機圖像 處理 與分析技術的應用如內(nèi)凹 多葉不對稱 V 字形夾角等 通過形態(tài)準確定位測量 線性 回歸趨勢線等得到準確的表征 細度表達方式 及其相互轉化 第 4 章 纖維的吸濕性 4 纖維吸濕等溫 等濕 變壓線的條件與結果為何 答 等溫線條件 一定溫度和壓力 結果 相對濕度較小時 回潮率增加率較大 相對濕度在 15 70 范圍內(nèi) 纖 維材料的回潮率增加較小 當相對濕度很大時 平衡回潮率的增加率也較大 吸濕等 溫線呈反 S 型 等溫線條件 一定濕度和壓力 結果 溫度越高 平衡回潮率越低 高溫高濕時 平衡回潮率略有增大 等壓線條件 溫度 濕度基本不變 結果 近似正比線性關系 低氣壓易使水分蒸發(fā) 故平衡回潮率較低 但氣壓 引起的平衡回潮率相對變化較小 標準大氣壓 8 討論吸放濕滯后現(xiàn)象的因素并給出解釋 產(chǎn)生原因 1 能量獲得概率的差異 在吸濕過程中 水分子是高速的自由顆粒 本身具有動能和較大的運動過程 而在放 濕過程中 水分子是被吸附的水分子 或是液態(tài)的水分子 運動能量低 活動范圍小 要脫離和蒸發(fā)必須獲得能量 而這一能量的獲得 取決于其他高速運動粒子的碰撞 存在一個發(fā)生概率 或是取決于更高的溫度 但放濕與吸濕的環(huán)境條件是一致的 因 此存在明顯的能量與概率差異 2 水分子進出的差異 在纖維吸濕的過程中 纖維內(nèi)的通道和位置是敞開和空著的 水分子可以很方便的從 任意通道進入空位而被吸附 并且吸附可以同時 多位進行 而在放濕過程中 各通 道已經(jīng)被占位的水分子和液態(tài)水堵塞 水分子的進出必須挨個進行 是單方向的 而 且存在通道變化產(chǎn)生的死穴而無法退出 這種進容易 出困難 進快遞 出慢速 進 多通道 出單方向 是明顯的滯后 3 纖維結構的差異 纖維結構的差異主要體現(xiàn)在吸濕后纖維不可逆的膨脹與微結構的變化 由于水分子的 擠入 纖維分子間 微結構單元間的距離會被拉開 孔隙和內(nèi)表面增大 這種變形往 往是塑性的 因此在無外力的作用下 不會自動回復 因而導致吸濕條件的改善 纖 維能保持更多的水 阻礙水分子的離去 同時 水分子的進入會使部分不完整的結晶 體形成連續(xù)的無序區(qū) 這種變化也是無法回復的 因此 有更多的機制保留水分 4 水分子分布的差異 水分子在纖維吸放濕時的濃度不一致 而且濃度的分布也不是一致的 吸濕時 水氣 濃度外高內(nèi)低 是連續(xù)單調(diào)下降的 放濕時 水氣濃度是內(nèi)高外低 不僅分布不均勻 還時有不連續(xù)特征 連續(xù)的梯度差作用 可是水分子同步地向內(nèi)擴散 移動 不連續(xù)的 分布不均勻的濃度差會使部分水分子在移動外退 另一部分無梯度差而不移動 尤其 是液態(tài)水的內(nèi)層 因此 存在明顯的進入與退出的差別 5 熱能作用的差異 水分子進入纖維附著或停留將釋然放熱能 使纖維內(nèi)的溫度升高 有利于分子的在運 動和調(diào)整 或使纖維分子運動和纖維膨脹而消耗此功能 后者有利于水分的在進入 但水分子的退出需獲取能量而運動 這使纖維溫度降低 不利于水分的運動與擴散 因此 水分子的退出所需的主要能源形勢 熱能不足 即進來時的動能不可能都以熱 能的形式儲存 已經(jīng)耗散或發(fā)生其他的轉變 12 纖維吸濕后 其力學性質(zhì)如強力 模量 伸長 彈性 剛度等隨之變化 一般纖維 隨著回潮率的增大 其強力 模量 彈性 剛度下降 伸長率增加 其原因是 大分子鏈間的相互作用減弱 分子易于構象變化和滑移 故強力 模量下降 伸長增加 不吸濕的纖維 一般這類性質(zhì)不發(fā)生變化 分子量較大的棉 麻纖維還會吸濕而強度略微上升 這是因為吸濕使大分子受力的不均勻 性 由于分子間作用的部分解開與調(diào)整 得到改善 當纖維受力時 承力的大分子根數(shù)增 多 反而使纖維強度增大 纖維吸濕后 纖維的脆性 硬度有所減弱 塑性變形增加 摩 擦系數(shù)有所增大 吸濕平衡率 標準 公定 回潮率 實際回潮率 及其公式和計算 第 5 章 纖維的力學性質(zhì) 2 試描述典型的纖維拉伸曲線與纖維微觀結構間的關系 纖維開始受力時 其變形主要是纖維大分子鏈本身的拉伸 即鍵長 鍵角的變形 拉 伸曲線接近直線 基本符合虎克定律 當外力進一步增加 無定形區(qū)中大分子鏈克服分子鏈間次價鍵力而進一步伸展和取向 這 時一部分大分子鏈伸直 緊張的可能被拉斷 也有可能從不規(guī)則的結晶部分中抽拔出來 次價鍵的斷裂使非結晶區(qū)中的大分子逐漸產(chǎn)生錯位滑移 纖維變形比較顯著 模量相應逐 漸減小 纖維進入屈服區(qū) 當錯位滑移的纖維大分子鏈基本伸直平行時 大分子間距就靠近 分子鏈間可能形成新的 次價鍵 這時繼續(xù)拉伸纖維 產(chǎn)生的變形主要又是分子鏈的鍵長 鍵角的改變和次價鍵的破壞 進 入強化區(qū) 表現(xiàn)為纖維模量再次提高 直至達到纖維大分子主鏈和大多次價鍵的斷裂 致 使纖維解體 1 纖維的拉伸曲線 負荷 伸長曲線 和應力 應變曲線有何異同 如何由拉伸曲線轉變 成應力 應變曲線 在應力 應變曲線上可以得到哪些纖維力學性質(zhì)指標 并如何求得 3 試解釋初始模量 屈服點 斷裂比功 彈性回復率 粘彈性 動態(tài)力學性質(zhì)的物理意義 答 1 拉伸曲線是針對同種纖維來表示伸長和負荷的關系 而應力 應變曲線用來比較 各種纖維的拉伸性能 兩種曲線可用同一曲線表示 僅坐標單位標尺不同而已 2 如果將負荷除以試樣的線密度得到應力作縱坐標 將伸長除以試樣長度得到應變 作橫坐標 可得應力 應變曲線 3 強伸性能指標 強力 斷裂強度 斷裂應力 斷裂長度 斷裂伸長率 4 初始模量指纖維拉伸曲線的起始部分直線段的應力與應變的比值 初始模量越大 纖維易變形 彈性性能好 反之則纖維剛性強 彈性性能差 5 屈服點 在纖維的拉伸曲線上伸長變形突然變得很容易時的轉折點 6 斷裂比功 一是拉斷單位體積纖維所需做的功 二是拉斷單位線密度與單位長度 纖維材料所需做的功 7 彈性回復率 急彈性變形和一定時間內(nèi)彈性變形占總變形的百分比 8 粘彈性 纖維變形的回復能力 9 動態(tài)力學性質(zhì) 纖維在變負荷作用下的應力應變關系及由此表現(xiàn)出來的力學性質(zhì) 特征 9 紡織纖維彈性回復性能有哪些指標 討論其與紡織品性能之間的關系 答 1 彈性指針 表示纖維彈性的常用指針是彈性回復率 它是指急彈性變形 和一定時間內(nèi)的 e3 1 緩彈性變形 占總變形 的百分率 即 4 T 100 100 e14 T deo 還可以彈性回復率或功回復系數(shù) 表示纖維的彈性 即 W 100 100 式中 為彈性回復功 W 為拉伸伸長的總功 上eWcbeoa面 積面 積 e 述兩個彈性指針值隨采用拉伸的試驗機的類型不同而不同 a 為常用的等速伸長型的拉伸 機圖 2 羊毛纖維的大分子是 螺旋結構 大分子柔曲性好 又有氫鍵 鹽式鍵等結合點 還 有二硫鍵 形成網(wǎng)狀結構 所以性能良好 棉麻 粘膠纖維等大分子剛性強 柔曲性差 分子鏈間的極性強 彈性很差 錦綸的大分子是平面鋸齒形 大分子間結合點主要是極性基團 NH 與 CO 所形成的酰胺鍵 其中 N C 鏈段柔曲性好 彈性優(yōu)良 滌綸的彈性也很好 而急彈性變形所占的比2H 例要比錦綸大 錦綸的緩彈性變形部分較高 一般彈性好的纖維制成的織物耐磨性好 耐疲勞性能良好 錦綸的綜合彈性回復性最好 錦綸的織物耐磨性特別優(yōu)良均與其彈性優(yōu)良有關 13 試述纖維疲性能與纖維拉伸性能與彈性回復性能以及實驗條件間的關系 答 纖維的拉伸斷裂功大 纖維的彈性回復性能好 則在反復循環(huán)的加卸負荷過程中產(chǎn) 生的塑性變形不易積累 因而不易很快達到纖維的斷裂伸長率 或外力做功不易很快積累 到纖維的斷裂功 纖維疲勞壽命增加 纖維的結構缺陷多 易于疲勞 因為內(nèi)部結構的缺 陷和表面裂痕 裂縫等是材料受力時的應力集中源 它能加速材料的疲勞破壞 纖維材料 的正切內(nèi)耗 tg 越大 在疲勞過程中 材料易發(fā)熱 易使纖維產(chǎn)生熱老化 影響其疲勞壽 命 如輪胎簾子線 運輸帶等 在反復循環(huán)加減負荷過程中 如果每次加荷的值較小或每次循環(huán)伸長率較小 加負荷停 頓時間較短 卸負荷后停頓時間較長 都不易使纖維產(chǎn)生不可回復的塑性變形 累積的功 耗小 使纖維材料的耐久度提高 與其他材料一樣 纖維材料也有類似的疲勞曲線 隨著疲勞試驗中負荷 或變形 振幅 的降低 是纖維的疲勞壽命增加 當其振幅降低到一定值時 疲勞壽命在理論上可達到無 限大 這一負荷幅值的相應應力稱為臨界應力 c 即外力低于臨界應力時 纖維疲勞 壽命味無窮大而不會疲勞損壞 第六章 纖維的表面性質(zhì) 9 討論摩擦和浸潤的各向異性 答 摩擦是指兩物體間接觸并發(fā)生或將要發(fā)生相對滑移是的現(xiàn)象 影響摩擦效果的因素有 A 相對滑移速度 B 表觀接觸面積 C 正壓力的影響 D 表面粗糙程度 E 表面硬度 F 纖維外觀 形態(tài)及表面附著物 G 環(huán)境溫濕度 摩擦包括 1 對稱與非對稱摩擦 a 對稱摩擦 為雙變點接觸摩擦 稱為 X 摩擦 b 非對稱摩擦 為單變點接觸摩擦 稱為 摩擦 2 不同方向摩擦 a 摩擦的各向異性 b 差微摩擦效應 2 浸潤 1 平衡與非平衡浸潤纖維的浸潤 或稱纖維的潤濕 是指纖維與液體發(fā)生接 觸時的相互作用過程 這一過程有可以達到平衡不變的液體形狀的浸潤 稱為平衡態(tài) 浸潤 又稱靜態(tài)浸潤 但也有液體形態(tài)一直在變化鋪展的浸潤 稱為非平衡態(tài)浸潤 或稱鋪展浸潤 又稱動 態(tài)浸潤 A A A 拉 伸拉 伸 回 縮 F 順 小F 逆 大 移 動 量 固 體 液 體 x y a b SV LV S 氣 體 梢 T 逆 鱗 片 順 鱗 片 根 R 逆 順 T R弱 作 用 0 強 作 用 且 大逆 順 逆順 2 浸潤滯后性 浸潤滯后性是指固體表面第一次浸潤和第二次浸潤間存在的差異 且第 一次浸潤角 1 恒大于第二次浸潤角 2 3 偽浸潤現(xiàn)象 偽浸潤現(xiàn)象是指由于材料的表觀形態(tài)與真實形態(tài)存在差異 或材料表 面不同組份的組合使液滴的三相交匯點落在某一位置或組份中 而引起的表觀接觸角 不能表達或不能完全表達真實浸潤性的現(xiàn)象 前者稱為形態(tài)偽浸潤 后者稱為組份偽 浸潤 10 試給出纖維摩擦中的基本現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因和相互關系 1 相對滑移速度的影響 靜摩擦力 FS 大于動摩擦力 FD S 6 3 表 纖維的動 靜摩擦系數(shù) S D 隨后人們的實驗又發(fā)現(xiàn) 摩擦力 F 或摩擦系數(shù)與滑動速度 v 相關 v O S D流 體 潤 滑邊 界 潤 滑大 多 測 試 段 圖 滑動速度 v 與摩擦系數(shù) 的關系 纖 維 S D 粘膠與粘膠 0 35 0 26 錦綸與錦綸 0 47 0 40 羊毛與 羊毛 順鱗片方向 逆鱗片方向 同纖維方向 0 13 0 61 0 21 0 11 0 38 0 15 順鱗片方向 0 11 0 09羊毛與 粘膠 逆鱗片方向 0 39 0 35 順鱗片方向 0 26 0 21羊毛與 錦綸 逆鱗片方向 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 表觀接觸面積的影響 ANF 6 4 式中 為與粗糙度和材料硬度相關的常數(shù) 3 正壓力的影響 許多實驗證明 兩物質(zhì)間的正壓力 N 的大小與摩擦并非線性關系 即 4 表面粗糙度的影響 r 與 的關系如圖所示 粗 糙 度 r摩擦系數(shù) O 硬 體 軟 體 圖 摩擦系數(shù) 與粗糙度 r 的關系 5 表面硬度的影響 6 纖維外觀形態(tài)及表面附著物的影響 7 環(huán)境溫濕度的影響 2 粘 滑現(xiàn)象 纖維間相對低速滑移時 會發(fā)生時而保持不動 粘 纖維產(chǎn)生變形或同向移動 時而 又相對快速滑移 滑 這種現(xiàn)象稱為粘 滑 stick slip 現(xiàn)象 FSFF DxO FS D v下 移 動 板上 滑 動 塊F彈 簧 a b 圖 粘 滑過程及摩擦力曲線 T 75gT 50gT 25g801060 402001 410 310 210 1010102滑 移 速 度 m in 摩擦力 g 圖 纖維摩擦中的粘 滑現(xiàn)象 3 摩擦的對稱性及方向性 1 對稱與非對稱摩擦 a 對稱摩擦 纖 維接 觸 點 動 纖 維定 纖 維T小 T大 T大 T小 a 對 稱 摩 擦 b 非 對 稱 摩 擦 圖 纖維的對稱和非對稱摩擦示意圖 b 非對稱摩擦 2 不同方向摩擦 a 摩擦的各向異性 b 差微摩擦效應 梢 T 逆 鱗 片 順 鱗 片 根 R 逆 順 T R 弱 作 用 0強 作 用 且 大逆 順 逆順 圖 羊毛差微摩擦效應 A A A 拉 伸拉 伸 回 縮F順 小F逆 大 移 動 量 圖 羊毛氈縮過程示意圖 羊毛的縮絨 優(yōu)缺點 11 試討論浸潤中的各現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因 纖維的浸潤與芯吸都是討論纖維與液體 一般指水 的相互作用的 只是浸潤較多地 表達單纖維或纖維集合體表面或表觀與水的相互作用 一 纖維浸潤現(xiàn)象 1 平衡與非平衡浸潤 1 平衡態(tài)浸潤 對于平衡態(tài)浸潤 可以發(fā)現(xiàn)如圖 6 27 的穩(wěn)定狀態(tài) 所謂平衡 也就是說氣 液固三相 交匯點 b 不發(fā)生移動 該點受力達到平衡 X 軸向合力為 0 則有 cosLVSV 著名的 Young Dupr 方程 固 體 液 體 x y a b SV LV SL 氣 體 圖 6 27 平衡浸潤模型 根據(jù) 角的大小 可以將浸潤分成表 6 4 的五種情況 表 6 4 平衡浸潤的幾種形式 可否浸潤 cos 狀態(tài) 0 完全浸潤 1 或稱鋪展 0 恒成立 sll 2 浸潤的滯后性 指固體表面第一次浸潤和第二次浸潤間存在的差異 且第一次浸潤角 大于 即1 21 2 被稱為滯后角 1 原因 浸潤的滯后性是由浸潤的表面清潔作用 或殘留和固結水分子的親和作用 或材 料浸潤后的表面結構變化的作用引起的 解釋較多 是一值得探討和測量的問題 3 偽浸潤現(xiàn)象 所謂偽浸潤現(xiàn)象是指由于材料的表觀形態(tài)與真實形態(tài)存在差異 或材料表面不同 組份的組合使液滴的三相交匯點落在某一位置或組份中 而引起的表觀接觸角不能表 達或不能完全表達真實浸潤性的現(xiàn)象 原因 1 形態(tài)的影響 B B A A A B A滴 滴 B 圖 6 28 粗糙表面浸潤模型圖 2 組份的影響 B B B A A A A B 圖 6 29 不同組份表面的浸潤模型 13 說明纖維集合體芯吸和拒水的基本條件和控制參數(shù) 答 纖維集合體芯吸基本條件和控制參數(shù) 纖維幾何體的浸潤有毛細吸水的現(xiàn)象稱為芯吸 芯吸作用 除了單纖維的浸潤作用外 還 有孔隙形狀因子的影響 假如纖維和液體都固定 而只是孔隙尺寸的變化 芯吸的程度就 不同 典型的毛細光壓力 p 方程為 2 coslvr 式中 為毛細管的等效半徑 僅為形狀參數(shù) 當 增大 纖維間隙增大 芯吸壓力 p 下r 降 浸潤作用減弱 當 變小 即纖維間空隙變小 芯吸壓力上升 毛細浸潤作用加強 r 事實上 在毛細管垂直狀態(tài)下 當 值大于液體表面月牙弧的曲率半徑 時 芯吸便停止 r 即毛細管垂直狀態(tài)時 因重力作用存在極限值 當 時 P 0 水平狀態(tài)下 當 大到一r r 定程度時 一種是液體分離 回到浸潤的平衡或鋪展狀態(tài) 一種是如平常的水管 只要水 源 足夠 將不停地流動 2r毛 細 管 2r 液 體 少液 體 少 圖 6 38 無毛細作用時液體的狀態(tài) 纖維集合體拒水基本條件和控制參數(shù) 根據(jù)力學平衡原則 液面垂直方向的作用力之和應該為零 即 2cos 4dhg 式中 為液體表面張力 d 為孔隙的等效直徑 為液體的密度 h 為液柱高度 g 為 重力加速度的值 圖 a 中織物的拒水高度為 4cos 2lvpd 織物能夠拒水的必要條件是 越大 越大時 2 ph 織物拒水的第二條件才是孔隙等效直徑 d 在織物不可侵潤的條件下 與成反比 d 愈小 織物愈拒水 hW d hP d LV 織 物 LV 纖 維 表 面 a 90 180 拒水 b 0 90 導水 圖 6 39 纖維正 負浸潤時的芯吸模型圖 15 摩擦和浸潤作用對材料的粘結有何貢獻 如何提高浸潤性和摩擦性 答 1 在纖維成紗過程中 纖維是靠其相互間的摩擦作用成網(wǎng) 成條 滑移變細 糾纏結 合成紗的 并具有一定的力學性能 在織物成形過程中 也是靠紗線間的相互作用 使其 以交織點或編結固定 形成形狀穩(wěn)定 具有力學強度 又多孔通透 柔軟舒適的織物 對 于非織造布的成形 更是靠纖維表面的摩擦性能 使纖維可以在無任何粘結劑的幫助下 僅靠纖維間的糾纏和摩擦使其成形并具有很好的力學強度 即使對于添加粘結劑的非織造 布 摩擦作用仍起著作用 只是對象變成纖維與粘結劑 而不是纖維與纖維 纖維的浸潤是一種纖維與液體發(fā)生接觸時的相互作用過程 其中液體對固體的浸潤 是 固體對液體的吸附能所致 表示一種材料間的粘結作用 用粘著功表示 當粘著功等于零 時 則清楚地反映出纖維與液體間無任何粘著或吸附作用 2 影響纖維摩擦性能的因素非常多 首先是纖維的分子結構和微觀結構 一般說來 分子主鏈鍵能強 分子鏈柔曲性好 聚合度好 取向度高 結晶度適當 結晶顆粒較細較 勻 纖維的玻璃化溫度在使用溫度附近時 耐摩擦性能較好 同時 從纖維性能方面看 纖維表層硬度高 拉伸急彈性恢復率高 拉伸斷裂比功大 恢復功系數(shù)高時 耐磨擦性能 較好 適當改造纖維分子的微觀結構 增大聚合度 增大取向度等都會提高纖維的摩擦性 纖維集合體的浸潤有毛細吸水的現(xiàn)象稱作芯吸 芯吸作用 除了單纖維的浸潤作用 外還有孔隙形狀因子的影響 當纖維孔隙增大 浸潤作用減弱 纖維孔隙減小 芯吸壓力 上升 毛細浸潤作用加強 第七章 纖維的熱學 光學和電學性質(zhì) 1 試討論纖維的比熱容 C 和導熱系數(shù) 對纖維制品的隔熱性和觸摸冷暖的影響 比熱容的大小直接反映了溫度變化的難易程度 而 的大小決定了纖維傳遞熱量的快 慢程度 一種纖維 C 大 則升高 1 攝氏度需要更多的溫度 如果 小的話 則吸收熱量 會需要很長的時間 這樣有助于纖維的隔熱 并且觸摸時可以保持長時間的涼爽 若 大 則會很快吸收熱量 使纖維溫度升高 不利于隔熱 反之 纖維的 C 小 道理一致 4 纖維受熱時 力學狀態(tài)發(fā)生變化或轉變的基本機理及解釋 答 纖維受熱時性狀會發(fā)生變化 熱塑性紡織纖維其內(nèi)部存在結晶區(qū)和無定形區(qū) 纖維的宏 觀熱性狀與結晶度有關 當結晶度較低時 纖維的性質(zhì)接近非晶態(tài)高聚物所具有的力學三 態(tài)及其轉變特征 1 玻璃態(tài) 低溫時 由于分子熱運動能低 鏈段的熱運動能不足以克服內(nèi)旋轉的 勢壘 鏈段處于被 凍結 狀態(tài) 只有側基 鏈節(jié)和短小的支鏈等小運動單元 的局部振動及鍵長 鍵角的變化 因此 纖維的彈性模量很高 變形能力很小 具有虎克體行為 纖維堅硬 類是玻璃 故稱玻璃態(tài) 2 玻璃化轉變區(qū) 在該轉變區(qū)內(nèi) 由于溫度升高 分子鏈段開始解凍 其熱運動 可以克服主鏈的內(nèi)旋轉位壘繞主鏈軸旋轉 使分子的構象發(fā)生變化 3 高彈態(tài) 高彈態(tài)是指大分子鏈可以運動的狀態(tài) 但沒有分子鏈的滑移 溫度升 高 并達到一定的狀態(tài)后 Tg T Tf 分子鏈可以通過主鏈上單鍵的內(nèi)旋轉 來改變構象 但整個分子鏈雖仍處于被凍結狀態(tài) 當纖維受到外力拉伸時 分 子鏈可以通過主鏈上單鍵的內(nèi)旋轉和連段運動來改變構象 以適應外力作用 分子鏈被拉直 解除外力后 被拉直的分子鏈又可以通過內(nèi)旋轉和鏈段的移動 回復到原來的就卷曲狀態(tài) 因此纖維呈現(xiàn)出較高的彈性 故稱高彈態(tài) 4 粘性轉變區(qū) 由于溫度增高 鏈段熱運動逐漸加劇 鏈段沿作用力方向協(xié)同運 動 這不僅使分子鏈的構象改變 而且導致大分子鏈段在長范圍內(nèi)甚至整體位 移 纖維表現(xiàn)流動性 模量迅速下降 形變迅速增加 5 粘流態(tài) 當溫度高于 Tf 后 纖維大分子鏈段運動劇烈 各大分子鏈間可以發(fā) 生相對位移 從而產(chǎn)生不可逆變型 纖維呈現(xiàn)出粘性液體狀 6 熱定形與熱變形加工的主要依據(jù)及控制參數(shù)為何 試述交聯(lián)型與線型分子纖維熱定形的 區(qū)別 答 通過熱作用的變形加工主要是對熱塑性類纖維 在原理上和作用上與熱定形基本 一致 只是熱變形加工的速度更快 變形的溫度更高 張力較大 其不僅利用 T 溫度的構 想轉變 還可利用 T 的結晶變化 如假捻法 刀變法 都是在張力和熱作用下實現(xiàn)纖維在 不同部位的結構變化 而形成新的空間造型 這種結構的變化具有三個不同的特征 1 局 部性 雙邊 外層或某段 2 聚集態(tài)結構的變化 結晶和取向度改變 不同于原結構 3 由 空間形態(tài) 彎曲 螺旋 起圈 甚至還有截面形態(tài)的改變 需要控制的參數(shù)有溫度 張力 等 對于羊毛類維的熱定性 因為其無序區(qū)間存在交聯(lián)型 及 S S 鍵 故其主要采用熱濕 和張力作用打開部分二硫鍵 并在新的位置重建二硫鍵 達到分子間結構的穩(wěn)定 絲類纖 維屬高結構纖維 能通過熱濕作用打開氫鍵 進行無序區(qū)分子的構想調(diào)整 但作用甚微 與棉麻一樣 8 纖維的可燃性和燃燒性針對性評價指標為何 并給出理由 答 描述纖維燃燒性的指標有極限氧指數(shù) LOI 著火點溫度 Ti 燃燒時間 t 火焰溫度 Tb 等指標 極限氧指數(shù) LOI 表示紡織材料的可燃性 來定量區(qū)分纖維的燃燒性 極限氧指數(shù) LOI 是指在氧氣和氮氣的混合氣中 維持完全燃燒狀態(tài)所需的最低氧氣體積分數(shù) LOI 數(shù)值越 大 說明燃燒時所需氧氣的濃度越高 常態(tài)下越難燃燒 根據(jù) LOI 數(shù)值的大小 可將纖維 纖維燃燒性能分為四類即 不燃 難燃 可燃 易燃 點燃溫度 Ti 是指纖維產(chǎn)生燃燒所需的最低溫度 是燃燒的激發(fā)點溫度 稱為火點溫度 該值取決于纖維的熱降解溫度和裂解可燃氣的點燃溫度 其值越高纖維愈不容易被點燃 燃燒時間 t 是指纖維放入可燃環(huán)境 有氧 高溫 中 觀察纖維從放入到燃燒所需的時 間 燃燒時間反應纖維被點燃的快慢程度 取決于纖維的導熱系數(shù) 比熱容 熱降解速率 點燃溫度 纖維的燃燒時間愈短 愈易被快速點燃 燃燒溫度 Tb 是指材料燃燒時的火焰區(qū)中的最高溫度值 故又稱火焰最高溫度 Tb 反 應纖維材料在燃燒過程中的反應速度及其熱能的釋放量 Tb 值愈高 說明纖維的燃燒性愈 強 而且對纖維進一步燃燒的正反饋作用愈強 是表達材料著火后燃燒劇烈性的指標 該 指標取決于纖維的熱裂解速度以及氧化反應速率 量和完善程度 并與燃燒時纖維質(zhì)量的 損失率直接相關 9 纖維的熱穩(wěn)定性的內(nèi)涵及其應該采取的表征方法 答 1 質(zhì)量與組成的的穩(wěn)定性 纖維在熱作用下會發(fā)生熱降解 而引起分子量的下降和組成的變化 尤其是有氧條件 下會發(fā)生氧化降解 由于熱降解會使纖維分子變?yōu)榈头肿游飺]發(fā) 或碳化而質(zhì)量減少 2 結構的穩(wěn)定性 熱作用下纖維的聚集態(tài)結構會發(fā)生改變 這是熱穩(wěn)定性中最重要的表達內(nèi)容 也是耐 熱性高低的最主要機制 在熱作用下 纖維的結晶會解體 取向會下降 3 形態(tài)的穩(wěn)定性 形態(tài)的熱穩(wěn)定性 指在溫度作用下纖維外觀形態(tài)的穩(wěn)定 主要指纖維的熱收縮性 由 于纖維分子的取向排列及內(nèi)應力的存在 在加熱時會產(chǎn)生不可逆的熱收縮 這完全不同于 各向同性均勻介質(zhì)的物質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)表現(xiàn)出可逆熱脹冷縮 但合成纖維受熱后 卻往往發(fā) 生的是長度方向的熱收縮 其本質(zhì)是高牽伸行成的分子趨取向于伸直狀態(tài) 在熱作用下解 序回縮所致 熱收縮的大小用熱收縮率表示 它是指加熱后纖維縮短的長度占原來長度的百分率 根據(jù)加熱介質(zhì)不同 有廢水收縮率 熱空氣收縮率和飽和蒸汽收縮率之分 不同纖維的熱 收縮率也不相同 合成纖維的熱收縮率隨著溫度的提高而增大 當介質(zhì)不同時 合成纖維的收縮率也不 相同 合成纖維的熱收縮影響織物的服用性能 一般不希望產(chǎn)生熱收縮 或者熱收縮要小 而且要均勻 熱收縮率大 會影響織物的尺寸穩(wěn)定性 熱收縮現(xiàn)象也可以合理利用 有意 識地利用合成纖維熱收縮特性可以合理的利用合成纖維熱收縮特性可以產(chǎn)生膨體紗 纖維集合體的導熱系數(shù)及其與纖維集合體保暖性的關系 P142 144 17 試敘述靜電起電序列產(chǎn)生的依據(jù)或方法 為何摩擦序列會產(chǎn)生波動 減少和防止靜 電的方法 答 所謂靜電起電現(xiàn)象 是指不同纖維材料之間或纖維與其他材料之間由于接觸和摩擦作 用使纖維或其他材料產(chǎn)生電荷積聚的現(xiàn)象 當兩個絕緣體相互摩擦分開時 介電常數(shù) r 大 的取正電荷 小的取負電荷 介電常數(shù)的大小與靜電電位的高低有一定的關系 當靜電序 列中兩種材料摩擦 排在左邊的帶正電荷 右邊的帶負電荷 一般帶有酰胺鍵 CONH 的纖維如羊毛 蠶絲和錦綸等排在序列靠產(chǎn)生正電荷的一端 纖維素纖維在中 間 碳鏈纖維在序列負電荷的一端 摩擦時會發(fā)生電荷轉移 從而影響靜電序列波動 絲光 棉絲光 將棉織物浸扎在堿液中發(fā)生溶脹 在張力作用下增加纖維的取向度 以提高強 力 使棉纖維變成十分光滑的圓柱體 增加對光的漫反射 顯出絲一樣的光澤 降低織物縮 水率 并能夠消除織物表面皺紋 羊 毛 絲 光 毛 需 要 先 經(jīng) 氯 化 或 蛋 白 酶 處 理 破 壞 羊 毛 表 層 的 鱗 片 減 少 羊 毛 的 順 向 與 逆 向 運 動 時 摩 擦 系 數(shù) 之 差 異 處 理 后 的 羊 毛 其 光 澤 增 加 俗 稱 為 絲 光 羊 毛 主 要 特 性 是 防 縮 水 可 機 洗 抗 起 球