第七章纤维的热学、光学和电学性质 第一节纤维的热学性质 比热 1.比热的概念 单位质量的纤维,温度升高(或降低)1℃所需要吸收(或放出)的热量,叫纤维的比热 常见纺织纤维的比热 表7-1常见干燥纺织纤维的比热表(测定温度为20℃)单位:J/g·℃ 纤维种类 比热值 纤维种类 比热值 纤维种类 热值 棉 1.21~-1.34粘胶纤维126~1.36 羊毛 1.36 锦纶6 芳香聚酰胺纤维121 桑蚕丝1.38-1.39锦纶66 醋酯纤维 1.46 亚麻 1.34 涤纶 .34 玻璃纤维 大麻 腈纶 石棉 .05 黄麻 1.36 丙纶(0℃) 木棉 3.影响纺织纤维比热的主要因素 (1)水分的影响 1.5 0.5 图7-1羊毛纤维比热与回潮率三和温度的关系 (2)温度的影响 般认为,温度较高时,具有一定回潮率纤维的比热增大。 3)纤维结构的影响 在220℃附近,出现第二次熔前结晶,比热稍有下降。而后者为缓慢上升曲线,无再结晶的现
第七章 纤维的热学、光学和电学性质 第一节 纤维的热学性质 一、比热 1．比热的概念 单位质量的纤维，温度升高(或降低)1℃所需要吸收(或放出)的热量，叫纤维的比热。 2．常见纺织纤维的比热 表 7-1 常见干燥纺织纤维的比热表（测定温度为 20℃） 单位：J/g·℃ 3．影响纺织纤维比热的主要因素 (1) 水分的影响 ( ) 0 w 0 1 C C W W C C − + = + 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 10 20 30 40 回潮率(%) 比热(J/g·℃) 80℃ 40℃ 20℃ 0℃ 图 7-1 羊毛纤维比热与回潮率三和温度的关系 (2) 温度的影响 一般认为，温度较高时，具有一定回潮率纤维的比热增大。 (3) 纤维结构的影响 在 220℃附近，出现第二次熔前结晶，比热稍有下降。而后者为缓慢上升曲线，无再结晶的现 象。 纤维种类 比热值 纤维种类 比热值 纤维种类 比热值 棉 1.21～1.34 粘胶纤维 1.26～1.36 羽绒 羊毛 1.36 锦纶 6 1.84 芳香聚酰胺纤维 1.21 桑蚕丝 1.38～1.39 锦纶 66 2.05 醋酯纤维 1.46 亚麻 1.34 涤纶 1.34 玻璃纤维 0.67 大麻 1.35 腈纶 1.51 石棉 1.05 黄麻 1.36 丙纶(50℃) 1.80 木棉
H=202J/g H=175]/g 80 140 160 T℃ 图7-2不同取向聚乙烯纤维的Dsc图谱 1.6 淬火PET 0.8 0.6 退火PET 04080120160200240 温度(℃) 图7-3两种涤纶丝的比热随温度的变化规律 4.比热对纤维加工和使用的影响 二、导热系数 1.导热的概念与导热系数 导热主要通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。单纤维的热传递性是极困难的,一般采 用纤维集合体的方式 Q=2.I. S 72(72>71) 图7-4热传递示意图
图 7-2 不同取向聚乙烯纤维的 DSC 图谱 图 7-3 两种涤纶丝的比热随温度的变化规律 4．比热对纤维加工和使用的影响 二、导热系数 1．导热的概念与导热系数 导热主要通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。单纤维的热传递性是极困难的，一般采 用纤维集合体的方式。 t s dx dT Q = （7-3） 图 7-4 热传递示意图 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0 4 0 8 0 120 160 200 240 温度(℃) 比热(J/g·℃) 系 列1 系 列2 淬火 PET 退火 PET dH/dt (J.s -1 ) 1270 1350 H=175J/g H=202J/g 80 100 120 140 160 T/℃ Q d T1 T2 (T2 T1) S λ
表7-2常见纺织纤维的导热系数 纤维制品 A(W/m C) 棉纤维 0071~0.0731.12590.1598 羊毛纤维0052~00550.47890.1610 蚕丝纤维 0.05~0.055.83020.1557 粘胶纤维 0.055~0.0710.71800.1934 醋酯纤维 羽绒 0.02 木棉 1.66240.2062 涤纶 0.084 0.97450.1921 腈纶 0.051 0.74270.2175 锦纶 0.244~0.3370.59340.2701 丙纶 氯纶 0.042 静止干空气 0.026 纯水 0.697 2.影响纤维导热系数的因素 (1)纤维的结晶与取向 (2)纤维集合体密度 两端压差大 两端无压差 静止空气 00.050.10.150.20.25 体积重量(6) 图7-5纤维层体积重量和导热系数间的关系 (3)纤维排列方向 热辐 纤维排列方向角ar() 图7-6纤维排列方向角af与导热系数的关系
表 7-2 常见纺织纤维的导热系数 纤维制品 λ(W/m·℃) λ∥ λ⊥ 棉纤维 0.071～0.073 1.1259 0.1598 羊毛纤维 0.052～0.055 0.4789 0.1610 蚕丝纤维 0.05～0.055 0.8302 0.1557 粘胶纤维 0.055～0.071 0.7180 0.1934 醋酯纤维 0.05 羽绒 0.024 木棉 0.32 麻 1.6624 0.2062 涤纶 0.084 0.9745 0.1921 腈纶 0.051 0.7427 0.2175 锦纶 0.244～0.337 0.5934 0.2701 丙纶 0.221～0.302 氯纶 0.042 静止干空气 0.026 — — 纯水 0.697 — — 2．影响纤维导热系数的因素 (1) 纤维的结晶与取向 (2) 纤维集合体密度 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 体积重量(δ) 导热系数λ 两端压差大 两端无压差 静止空气 图 7-5 纤维层体积重量和导热系数间的关系 （3）纤维排列方向 (2) 图 7-6 纤维排列方向角 αf 与导热系数的关系 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25 0.275 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 纤维排列方向角αf (°) 热传导能力 热辐 αf 射 方向 纤 维 层 方 向 导热系 数
(4)纤维细度和中空度 (5)环境温湿度 表7-3温度与纤维导热系数间的关系 导热系数λ(W/m℃) 纤维 30℃ 100℃ 0.058 0.063 羊毛 0.035 0.058 亚麻 0.046 0.053 0.062 丝 0.046 0.052 0.059 3.导热系数对加工和使用的影响 三、热作用时的纤维性状 1.两种转变和三种力学状态 (a) 玻璃态 高弹态 交联型分子 T(℃) 温度 Tf(℃) (b)玻璃化 转变区 转变区 高弹态 温度 图77非晶态材料的热机械性质 2.三态及转变的分子运动机理 (1)玻璃态 (2)玻璃化转变区 (3)高弹态
(4) 纤维细度和中空度 (5) 环境温湿度 表 7-3 温度与纤维导热系数间的关系 纤 维 导热系数λ(W/m·℃) 0℃ 30℃ 100℃ 棉 0.058 0.063 0.069 羊毛 0.035 0.049 0.058 亚麻 0.046 0.053 0.062 蚕丝 0.046 0.052 0.059 3．导热系数对加工和使用的影响 三、热作用时的纤维性状 1．两种转变和三种力学状态 图 7-7 非晶态材料的热机械性质 2．三态及转变的分子运动机理 (1) 玻璃态 （2）玻璃化转变区 (3) 高弹态 温度 形变 玻璃态 高弹态 粘流态 玻 璃 化 转 变 区 粘 弹 转 变 区 交联型分子 Tg(℃) Tf(℃) (a) 温度 lgE Tg(℃) Tf(℃) 交联型 分子 玻 璃 态 高弹态 粘 流 态 玻璃化 转变区 粘弹 转变区 (b)
(4)粘弹转变区 (5)粘流态 3.常见纺织纤维的三态转变温度 热定形与变形 (1)热定形及其机理 表7-4常见纺织纤维的热学性能 纤维玻璃化温度T(℃) 化点Tm(℃) 熔点T℃)分解点T(℃)熨烫温度( 羊毛 60或80 135 丝 粘胶 260~300 110 110 锦纶6 47,65 125~145 锦纶66 120~14 涤纶 235~240 腈纶 90~240 280~300 维纶 干:220-230水:110 丙纶 145~150 163~175 100~120 (2)热定形效果的持久性 (3)热定形的方法 (4)影响热定形效果的主要因素 表7-5几种纤维织物的常用热定形温度 执 120~130120~130190~210 锦纶 100~120 120~130130~140 (5)热变形加工 四、纤维的耐热性和热稳定性 1.耐热性
(4) 粘弹转变区 (5) 粘流态 3．常见纺织纤维的三态转变温度 4．热定形与变形 (1) 热定形及其机理 表 7-4 常见纺织纤维的热学性能 纤维 玻璃化温度 Tg(℃) 软化点 Tm(℃) 熔点 Tf(℃) 分解点 Td(℃) 熨烫温度(℃) 棉 230 — — 150 200 羊毛 60 或 80 — 63.1 135 180 蚕丝 — — — 150 160 麻 — — — 253 100 粘胶 260~300 110 醋酯 186 195~205 290~300 — 110 锦纶 6 47, 65 180 215 — 125~145 锦纶 66 82 225 253 300 120~140 涤纶 80, 67, 90 235~240 256 — 160 腈纶 90 190~240 — 280~300 130~140 维纶 85 干: 220~230 水: 110 — — 干: 150 丙纶 -35 145~150 163~175 — 100~120 氯纶 82 90~100 200 — 30~40 (2) 热定形效果的持久性 (3) 热定形的方法 (4) 影响热定形效果的主要因素 表 7-5 几种纤维织物的常用热定形温度 纤维品种 热定形温度(℃) 热水定形 蒸汽定形 干热定形 涤纶 120~130 120~130 190~210 羊毛 90~100 100~120 130~150 锦纶 66 100~120 110~120 170~190 腈纶 125～135 130～140 丙纶 100~120 120~130 130~140 (5) 热变形加工 四、纤维的耐热性和热稳定性 1．耐热性
表7-6常见纺织纤维受热后的剩余强度(%) 纤维在20℃在100℃在100℃c在130℃在130℃ 未加热经过20天经过80天经过20天经过80天 棉 10 亚麻 70 41 蚕丝 39 粘胶 100 锦纶 涤纶 100 腈纶 100 玻璃纤维 100 100 100 100 2.热稳定性 (1)质量与组成的稳定性 T=355° air(DTG) UHMW-PE 图7-9高强高模聚乙烯的热重曲线 (2)结构的稳定性 表7-7 Kevlar@纤维的聚集态结构变化数据 隹样 结晶度(%)双折射值 Kevlar129-未处理 67.8 Kevlar129-300°C 67.3 0.731 Kevlar29-400°C 67.2 0.729 (3)形态的稳定性
表 7-6 常见纺织纤维受热后的剩余强度(%) 纤维 在 20℃ 未加热 在 100℃ 经过 20 天 在 100℃ 经过 80 天 在 130℃ 经过 20 天 在 130℃ 经过 80 天 棉 100 92 68 38 10 亚麻 100 70 41 24 12 苎麻 100 62 26 12 6 蚕丝 100 73 39 — — 粘胶 100 90 62 44 32 锦纶 100 82 43 21 13 涤纶 100 100 96 95 75 腈纶 100 100 100 91 55 玻璃纤维 100 100 100 100 100 2．热稳定性 （1）质量与组成的稳定性 0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 Ti'=320oc air(TG) air(DTG) N2(TG) temperature(oC) m(%) N2(DTG) Ti=355oC UHMW-PE -40 -30 -20 -10 0 10 dm/dt (%/min) (2) 结构的稳定性 表 7-7 Kevlar®纤维的聚集态结构变化数据 纤维样品 结晶度(%) 双折射值 Kevlar129-未处理 67.8 0.736 Kevlar129-200°C 67.6 0.734 Kevlar129-300°C 67.3 0.731 Kevlar129-400°C 67.2 0.729 (3) 形态的稳定性 图 7-９ 高强高模聚乙烯的热重曲线
16口沸水口热空气口饱和蒸汽 图7-10合成纤维的热收缩率 五、纤维的燃烧性能 表7-8主要纺织纤维的燃烧性比较 纤维 (℃) 850 醋酯 18.6 羊毛 锦纶6 875 涤纶 20.6 阻燃棉 710 430:576 2500 1.极限氧指数 LOI ×100%
收缩率(%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PA6 PA66 PET 纤维品种 沸水 热空气 饱和蒸汽 图 7-10 合成纤维的热收缩率 五、纤维的燃烧性能 表 7-8 主要纺织纤维的燃烧性比较 纤维 TI（℃） TB（℃） LOI(%) 棉 400 860 20.1 粘胶 420 850 19.7 醋酯 475 960 18.6 三醋酯 540 885 18.4 羊毛 600 941 25.2 锦纶 6 530 875 20.1 锦纶 66 532 — 涤纶 450 697 20.6 腈纶 560 855 18.2 丙纶 570 839 18.6 阻燃棉 370 710 26~30 Nomex 430 27~30 kynol 430; 576 2500 29~30 杜勒特 35~38 1．极限氧指数 100% 2 2 2 + = O N O V V V LOI
表7-9L0对纤维燃烧性能的分类 分类LOI(%)燃烧状态 纤维品种 不燃≥35常态环境及多数金属纤维、碳 火源作用后纤维、石棉、硼纤 短时间不燃维、玻璃纤维及 PBO、PBI、PPS纤 难燃26~34接触火焰燃芳纶、氟纶、氯纶、 烧,离火自熄改性腈纶、改性涤 可燃20~26可点燃,能续涤纶、锦纶、维纶 燃,但燃烧速羊毛、蚕丝、醋酯 度慢 纤维等 易燃≤20易点燃,燃烧丙纶、腈纶、棉 粘胶纤维等 2.点燃温度和燃烧时间 3.燃烧温度 4.纤维难燃的途径及形式
表 7-9 LOI 对纤维燃烧性能的分类 分类 LOI(%) 燃烧状态 纤维品种 不燃 ≥35 常态环境及 火源作用后 短时间不燃 烧 多数金属纤维、碳 纤维、石棉、硼纤 维 、 玻 璃 纤 维 及 PBO、PBI、PPS 纤 维 难燃 26~34 接触火焰燃 烧，离火自熄 芳纶、氟纶、氯纶、 改性腈纶、改性涤 纶、改性丙纶等 可燃 20~26 可点燃，能续 燃，但燃烧速 度慢 涤纶、锦纶、维纶、 羊毛、蚕丝、醋酯 纤维等 易燃 ≤20 易点燃，燃烧 速度快 丙纶、腈纶、棉、 麻、粘胶纤维等 2．点燃温度和燃烧时间。 3．燃烧温度 4．纤维难燃的途径及形式
第二节纤维的光学性质 、光在纤维中的反射与折射现象 当光线照射在纤维上,在纤维(介质2)与空气或液体(介质1)的界面处将发生反射与折射 现象。 主反射次反射 折射3 反射3 介质1a (空气或液体) 介质2 折射1 Qy○O (纤维) 介质1 (空气或液体)}F 反射 (a)层状结构 主透射次透射 折射2 (b)纤维 (c)纤维集合体 图7-11层状结构纤维多层反射和折射对光泽影响的示意图 光泽 1.纤维层状结构对光泽的影响 反射 层3 层 图7-12层状结构纤维多层反射与折射示意图 2.纤维纵向形态对光泽的影响 3.纤维横截面形状对光泽的影响 光的双折射 1.双折射现象 和n分别为光波振动方向平行于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n和垂直于纤维轴的 平面偏振光传播时的折射率n。其物理过程为,可由图7-13表示,当一束平面偏振光E以电矢量 振动方向与纤维轴夹角O入射纤维后,可被分解为两组相互正交的平面偏振光
第二节 纤维的光学性质 一、光在纤维中的反射与折射现象 当光线照射在纤维上，在纤维（介质 2）与空气或液体（介质 1）的界面处将发生反射与折射 现象。 图 7-11 层状结构纤维多层反射和折射对光泽影响的示意图 二、光泽 1．纤维层状结构对光泽的影响 图 7-12 层状结构纤维多层反射与折射示意图 2．纤维纵向形态对光泽的影响 3．纤维横截面形状对光泽的影响 三、光的双折射 1．双折射现象 △n = nmax─ nmin n∥和 n⊥分别为光波振动方向平行于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率 n∥和垂直于纤维轴的 平面偏振光传播时的折射率 n⊥。其物理过程为，可由图 7-13 表示，当一束平面偏振光 E 以电矢量 振动方向与纤维轴夹角 θ 入射纤维后，可被分解为两组相互正交的平面偏振光。 入射 主反射 次反射 主透射 次透射 介质 1 (空气或液体) 介质 1 (空气或液体) 介质 2 (纤维) 2 2 1 1 (a) 层状结构 i r t t 2 t 3 tr tr2 trt t 2 r tr (c) 纤维集合体 入射 反射 反射 1 3 折射 2 折射 1 折射 3 反射 2 (b)纤维 入射 反射 1 2 3 4 空气 层 1 层 2 层 3 层…
纤维轴 光V 平面偏振光 滞后δ椭圆偏振 图7-13纤维内平面偏振光的分解与双折射现象 2.常见纺织纤维的双折射率 3.双折射率与纤维内部结构的关系 表7-10常见纤维的折射率、双折射和纤维密度(温度20士2℃,相对湿度65%± 纤维 密度(gcm3) 丙纶 乙纶 0.95 1.552 1.507 锦纶6 1.14~1.15 1568 1.515 0.053 锦纶66 1.14~1.15 1.570~1.5801.520~1.530 0.040~0.060 腈纶 1.14~1.19 1.510~1.516 1.510-~1.516 0.000~0.005 羊毛 1.30~1.321.553~1.5561.542~1.547 0.009-0.012 三醋酯 蚕丝 1.00~1.36 1.578~1.585 1.537~1.538 0.040~0.047 涤纶 1.38-1.39 1.537 氯纶 1.37~140 1.500~1.510 1.500~1.505 0.000~0.005 1.54~1.55 1.595~1.599 1.527~1.540 0.057~0.058 粘胶 1.52~1.53 1.539~1.5501.514~1.523 0.018-0.036 棉 154~1.55 1.573~1.581 1.524~1.534 0.041~0.051 亚麻 1.54~1.55 1.532 玻璃纤维 2.54 1.547 1.547 4.双折射率的测定 四、耐光性及光照稳定性 耐光性 图7-14PB0光照后的力学性能保持率 纤维耐光性的大致排序为:腈纶>羊毛>麻>棉>粘胶>涤纶>锦纶>蚕丝
图 7-13 纤维内平面偏振光的分解与双折射现象 2．常见纺织纤维的双折射率 3．双折射率与纤维内部结构的关系 表 7-10 常见纤维的折射率、双折射和纤维密度（温度 20±2℃，相对湿度 65%±2%） 纤维 密度(g·㎝-3 ) n∥ n⊥ n∥ — n⊥ 丙纶 0.91 1.523 1.491 0.032 乙纶 0.95 1.552 1.507 0.045 锦纶 6 1.14~1.15 1.568 1.515 0.053 锦纶 66 1.14~1.15 1.570~1.580 1.520~1.530 0.040~0.060 腈纶 1.14~1.19 1.510~1.516 1.510~1.516 0.000~0.005 维纶 1.26~1.30 1.547 1.522 0.025 羊毛 1.30~1.32 1.553~1.556 1.542~1.547 0.009~0.012 三醋酯 1.30 1.474 1.479 —0.005 蚕丝 1.00~1.36 1.578~1.585 1.537~1.538 0.040~0.047 涤纶 1.38~1.39 1.725 1.537 0.188 氯纶 1.37~1.40 1.500~1.510 1.500~1.505 0.000~0.005 苎麻 1.54~1.55 1.595~1.599 1.527~1.540 0.057~0.058 粘胶 1.52~1.53 1.539~1.550 1.514~1.523 0.018~0.036 棉 1.54~1.55 1.573~1.581 1.524~1.534 0.041~0.051 亚麻 1.54~1.55 1.594 1.532 0.062 玻璃纤维 2.54 1.547 1.547 0.000 4．双折射率的测定 四、耐光性及光照稳定性 1．耐光性 0 20 40 60 80 100 120 140 160 30 40 50 60 70 80 90 100 110 保 持率 (%) 时 间(h) X-Te C-Te X-Ex C-Ex X-Mo C-Mo PBO 图 7-14 PBO 光照后的力学性能保持率 纤维耐光性的大致排序为：腈纶＞羊毛＞麻＞棉＞粘胶＞涤纶＞锦纶＞蚕丝。 光入射 平面偏振光 纤维 E⊥ E θ 纤维轴 δ E e 光 V∥ o 光 V⊥ 滞后δ椭圆偏振 E∥
