第六章纤维的表面性质 纤维的表面性状是构筑纤维集合体的客观基础。 纤维的表面是外力,光、热辐射,电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体 纤维表面同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体 表6-1不同尺度材料表面结构所占体积比 材料 体积比 lm直径的圆柱体 (4~6)×10 m直径的圆柱体(4 纤维(lpum-100m)(46)×10 纳米材料(10nm-100nm)0.360.51 本章仅介绍一些基本概念及现象,并以传统的摩擦和浸润表达为主。 第一节纤维表面的内涵 表面的基本概念 纤维表面的表达与物理或物理化学所述表面一致,包括表面结构、表面性质和表面状态 纤维表面的定义 所谓纤维表面是指纤维表层05~5m内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。显 然,是微尺度( micro- scale),确切地说是形态亚微米尺度( submicro-scale)、厚度纳米尺度( nanoscale) 和分子尺度( molecular scale) 表层厚度/表面轮廓 o● 9 粒子 图6-1表面结构、形态及相互作用 纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的,如图6-1所示。 相对来说,界面要厚得多,因为其至少有两个“表面”完成过渡,见图6-2。但两个表面的过 渡互为“溶合”,或晶体缺陷的界面,其厚度亦可与纯表面一样,甚至更小
第六章 纤维的表面性质 纤维的表面性状是构筑纤维集合体的客观基础。 纤维的表面是外力，光、热辐射，电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体。 纤维表面同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体。 表 6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比 材料 体积比 1m 直径的圆柱体 (4~6)×10-9 1mm 直径的圆柱体 (4~6)×10-6 纤维（1m~100m） (4~6)×10-4 纳米材料（10nm~100nm） 0.36~0.51 本章仅介绍一些基本概念及现象，并以传统的摩擦和浸润表达为主。 第一节 纤维表面的内涵 一、表面的基本概念 纤维表面的表达与物理或物理化学所述表面一致，包括表面结构、表面性质和表面状态。 1. 纤维表面的定义 所谓纤维表面是指纤维表层 0.5~5nm 内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。显 然，是微尺度（micro-scale），确切地说是形态亚微米尺度（submicro-scale）、厚度纳米尺度（nanoscale） 和分子尺度（molecular scale）。 表层厚度 表面轮廓 粒子 图 6-1 表面结构、形态及相互作用 纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的，如图 6-1 所示。 相对来说，界面要厚得多，因为其至少有两个“表面”完成过渡，见图 6-2。但两个表面的过 渡互为“溶合”，或晶体缺陷的界面，其厚度亦可与纯表面一样，甚至更小
●●O●0●●O OOOOOO●ooo●o ●●●●●●●●●●●●● 图62AB物质的界面层示意图 2.表面能 所谓表面能,又称表面自由能,是指形成单位面积表面所消耗的功 E Ol△A 肥皂液膜|(v=FAD 图6-3液体表面增大所作的功 纤维表面涉及的内容 纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法 纤维表面结构内涵 纤维表面结构包括要素:表面厚度、表面形态、表面组成和表面结构(狭义的)。 表面形态是表层的外轮廓,同样是微尺度的,但跨度较大,在原子尺度~亚微米尺度范围内, 如扫描隧道电子显微镜STM( Scanning tunneling microscope)或原子力显微镜AFM( Atomic force microscope)所看到的表面原子排列轮廓,见图6-4,以及羊毛鳞片表面和兔毛的鳞片形态,分别 见图6-5(a)和(b) 图6-4AFM的表面原子像 (a)羊毛
LA LAB LB 界 面 层 图 6-2 A/B 物质的界面层示意图 2. 表面能 所谓表面能，又称表面自由能，是指形成单位面积表面所消耗的功。 = = = A W l G E (6-1) A (W=F l) F 肥皂液膜 l L 图 6-3 液体表面增大所作的功 二、纤维表面涉及的内容 纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法。 1. 纤维表面结构内涵 纤维表面结构包括要素：表面厚度、表面形态、表面组成和表面结构（狭义的）。 表面形态是表层的外轮廓，同样是微尺度的，但跨度较大，在原子尺度～亚微米尺度范围内， 如扫描隧道电子显微镜 STM（Scanning tunneling microscope）或原子力显微镜 AFM（Atomic force microscope）所看到的表面原子排列轮廓，见图 6-4，以及羊毛鳞片表面和兔毛的鳞片形态，分别 见图 6-5(a)和(b)。 图 6-4 AFM 的表面原子像 (a) 羊毛
(b)兔毛 图6-5羊毛和兔毛的鳞片像(SEM) 2.纤维表面所涉及的基本物理性质 纤维表面性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质,;浸润性质。还有纤维表面的热学、光学、电 学性质,以及表面缺陷引起的力学性质劣化等。 表面缺陷 0 B. (b) 图6-6纤维表面缺陷导致的断裂 3.纤维表面结构与性质的一般分析方法 表面分析是一个专门化的学科,涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术 电子 中性 离子 二次电子 发 背散射 电子区 线产生区 图6-7电子束激发的各类信息示意图 表6-2常用表面分析方法名称及用途 探针 表面分析方法 用途 激发粒子能量或分析深度 低能电子衍射LEED 表面及吸附层结构 能量Eo50-~500eV 反射高能电子衍射 RHEED表面结构 Eo 10-100 keV 俄歇电子谱AES 表面组分,结合能 Eo 2-5 keV 电子 扫描电子显微镜SEM 表面形貌 全膜覆盖表面 透射电子显微镜TEM表面形貌 表面复制膜形态 扫描隧道显微镜STM表面轮廓、结构与成分表面轮廓m 紫外光电子能谱UPS 电子束缚能,吸附态「深度1.0-5.0mm 光子 X射线光电子能谱XPS电子能态表面吸附 深度1.0~50m 次离子质谱SIMS 表面元素分析 E0>500eV 「“探针”原子力显微镜AFM表面结构、轮廓和成分<10mn
(b) 兔毛 图 6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（SEM） 2. 纤维表面所涉及的基本物理性质 纤维表面性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质，；浸润性质。还有纤维表面的热学、光学、电 学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等。 裂 口 孔 表 洞 面 缺 陷 裂隙 纤维 B A (a) (b) (c) 图 6-6 纤维表面缺陷导致的断裂 3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法 表面分析是一个专门化的学科，涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术。 电子束 电子 中性 粒子 离子 光子 电子 吸收 二次电子 发射区 背散射 电子区 特征X射 线产生区 图 6-7 电子束激发的各类信息示意图 表 6-2 常用表面分析方法名称及用途 探针 表面分析方法 用途 激发粒子能量或分析深度 电子 低能电子衍射 LEED 反射高能电子衍射 RHEED 俄歇电子谱 AES 扫描电子显微镜 SEM 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM 表面及吸附层结构 表面结构 表面组分，结合能 表面形貌 表面形貌 表面轮廓、结构与成分 能量 E0 50~500eV E0 10~100 keV E0 2~5 keV 全膜覆盖表面 表面复制膜形态 表面轮廓500eV “探针” 原子力显微镜 AFM 表面结构、轮廓和成分 <10nm
(1)表面组成分析 (2)表面结构分析 (3)表面形态分析 (4)表面电子能态分析 (5)表面性质分析 4.纤维的表面改性 纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的,是期望通过有效方便的表面处理获得理想、实 用、新型纤维的主要方法 第二节纤维的表面特征 天然纤维的表面特征 棉纤维 微条纹产生的“起绉”表面结构 图68棉纤维的表面形态 2.麻纤维 3.毛发类纤维 (1)羊毛 较大的横向突纹,称为伪棱脊:;存在较细小的平行于纤维轴向的条纹为微“鳞纹”。见图6-9。 图6-9羊毛纤维表面的鳞纹 次表皮层a 鳞片膜) 内表皮层 细胞间质CMC 图6-10羊毛纤维表面的鳞片结构
(1) 表面组成分析 (2) 表面结构分析 (3) 表面形态分析 （4）表面电子能态分析 （5）表面性质分析 4. 纤维的表面改性 纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的，是期望通过有效方便的表面处理获得理想、实 用、新型纤维的主要方法。 第二节 纤维的表面特征 一、天然纤维的表面特征 1. 棉纤维 微条纹产生的“起绉”表面结构。 图 6-8 棉纤维的表面形态 2. 麻纤维 3. 毛发类纤维 （1）羊毛 较大的横向突纹，称为伪棱脊；存在较细小的平行于纤维轴向的条纹为微“鳞纹”。见图 6-9。 图 6-9 羊毛纤维表面的鳞纹 外表皮层 （鳞片膜） 次表皮层 a 次表皮 层 b 内表皮层 细胞间质 CMC 图 6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构
(2)兔毛纤维 (3)羽绒纤维 图6-11羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM) 4.蚕丝纤维 二、化学纤维的表面特征 1.再生纤维 2.普通合成纤维 图6-12不同纺丝速度涤纶的表面结构(SEM) 图6-13腈纶纤维的表面形态与结构(SEM) 表面改性和高性能纤维的表面特征 1.纤维粗糙化改性 2.纤维柔软化改性 纤维柔软化的表面改性,就是改善纤维表面的摩擦性。最常用的方法是上柔软剂,或表面涂层 覆膜。 图6-14羊毛的等离子体刻蚀处理表面(SEM)
（2）兔毛纤维 （3）羽绒纤维 图 6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM) 4. 蚕丝纤维 二、化学纤维的表面特征 1. 再生纤维 2. 普通合成纤维 图 6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM） 图 6-13 腈纶纤维的表面形态与结构（SEM） 三、表面改性和高性能纤维的表面特征 1. 纤维粗糙化改性 2. 纤维柔软化改性 纤维柔软化的表面改性，就是改善纤维表面的摩擦性。最常用的方法是上柔软剂，或表面涂层 覆膜。 图 6-14 羊毛的等离子体刻蚀处理表面（SEM）
3.合成纤维的丝光改性 图6-15涤纶的丝光处理表面(SEM) 4.高性能纤维的表面特征 图6-16芳纶纤维的表面形貌(SEM 第三节纤维的摩擦性质 纤维的摩擦性质是指纤维与纤维,或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行 、纤维摩擦中的基本现象 1.摩擦系数 monton或 Leonard:F=N 但是,随后人们的实验发现这个表达存在局限,甚至有误。其中较为典型的实验现象如下 (1)相对滑移速度的影响 静摩擦力Fs大于动摩擦力FD,As> 表6-3纤维的动、静摩擦系数(ps,pD) 粘胶与粘胶 0.35 锦纶与锦纶 0.47 0.40 羊毛与 顺鳞片方向 0.13 0.11 羊毛 逆鳞片方向 61 同纤维方向 0.21 0.15 羊毛与 顺鳞片方向 0.11 0.09 粘胶 逆鳞片方向 0.39 0.35 羊毛与 顺鳞片方向 0.21 锦纶 逆鳞片方向 随后人们的实验又发现,摩擦力F或摩擦系数与滑动速度ν相关
3. 合成纤维的丝光改性 图 6-15 涤纶的丝光处理表面（SEM） 4. 高性能纤维的表面特征 图 6-16 芳纶纤维的表面形貌（SEM） 第三节 纤维的摩擦性质 纤维的摩擦性质是指纤维与纤维，或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行为。 一、纤维摩擦中的基本现象 1. 摩擦系数 Amontons 或 Leonard： F = N (6-2) 但是，随后人们的实验发现这个表达存在局限，甚至有误。其中较为典型的实验现象如下。 （1）相对滑移速度的影响 静摩擦力 FS大于动摩擦力 FD， S D (6-3) 表 6-3 纤维的动、静摩擦系数（μS，μD） 纤 维 μS μD 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 羊毛与 粘胶 顺鳞片方向 0.11 0.09 逆鳞片方向 0.39 0.35 羊毛与 锦纶 顺鳞片方向 0.26 0.21 逆鳞片方向 0.43 0.35 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
大多测试 流体润滑 边界润滑 图6-17滑动速度v与摩擦系数u的关系 (2)表观接触面积的影响 式中,a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6-18所示 硬 图6-18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.粘一滑现象 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),这种现象称为粘一滑(sick-slip)现象 上滑动块 下移动板 (a) (b) 图6-19粘一滑过程及擦力曲线
v O S D 流体润滑 边界润滑 大多测试段 图 6-17 滑动速度 v 与摩擦系数 μ 的关系 （2）表观接触面积的影响 F = N +A (6-4) 式中，α 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 μ 的关系如图 6-18 所示。 粗糙度r 摩 擦 系 数 O 硬体 软体 图 6-18 摩擦系数 μ 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。 FS F FD O x (FS ,FD) v 下移动板 上滑动块 F 弹簧 (a) (b) 图 6-19 粘－滑过程及摩擦力曲线
滑移速度(m/min) 图6-20纤维靡擦中的粘一滑现象 3.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 ↑定纤维∏ 纤维 大,Δ小 (a对称摩擦 (b非对称摩擦 图6-21纤维的对称和非对称廣擦示意图 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 == p逆一p顺 逆鳞片顺鳞片 弱作用,δ=0 强作用,且δ大 图6-22羊毛差微摩擦效应 拉伸 F递大 AA1111 移动量 图6-23羊毛毡缩过程示意图
T=75g T=50g T=25g 80 100 60 40 20 0 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 滑移速度(m/min) 摩擦力(g) 图 6-20 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 6-21 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 顺 逆 逆 >顺 图 6-22 羊毛差微摩擦效应 A A ' A '' 拉伸 拉伸 回缩 F逆大 F顺小 移动量 图 6-23 羊毛毡缩过程示意图
二、摩擦机理与测量 1.纤维的摩擦机理 2.纤维摩擦性质的测量 (1)绞盘法 (a)绞盘法机构(b)绞盘法原理 图6-24絞盘法测量原理示意图 (2)抽拔法 For(frd F=tid 剪应力 单纤维 L 微粘结d 图6-25纤维抽拔法实验原理 (3)刮动法 ①,②,③可以互换 W可调 ③纤维架 ②刀片 力传感器 图6-26刮动法测量装置原理图 第四节纤维的浸润性与芯吸 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
二、摩擦机理与测量 1. 纤维的摩擦机理 2. 纤维摩擦性质的测量 （1）绞盘法 F T0 T1 m m (a)绞盘法机构 (b)绞盘法原理 T0 T1 dS T d T+dT R 图 6-24 绞盘法测量原理示意图 （2）抽拔法 F0f (Ff ) L N N (a) d l F 微粘结点 单纤维 F= dl = F dl 剪应力 (b) 图 6-25 纤维抽拔法实验原理 （3）刮动法 ①刮杆 ②刀片 ③纤维架 W W可调 ①,②,③可以互换 移动v 力传感器 图 6-26 刮动法测量装置原理图 第四节 纤维的浸润性与芯吸 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
、纤维浸润现象 1.平衡与非平衡浸润 (1)平衡态浸润 Ysy -ysL =yLy cos 8 (6-21) 著名的 Young-Dupre方程。 图6-27平衡浸润模型 表64平衡浸润的几种形式 0可否浸润coso状态 完全浸润 或称铺展 90°>0>18 不可浸润 负浸润 0=180°完全不浸润-1随遇稳态 (2)铺展浸润 2.浸润的滞后性 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。 (1)形态的影响 图6-28粗糙表面浸润模型图 (2)组份的影响 A 图6-29不同组份表面的浸润模型
一、纤维浸润现象 1. 平衡与非平衡浸润 （1）平衡态浸润 SV − SL = LV cos (6-21) 著名的 Young-Dupré 方程。 固体 液体 x y θ a b SV LV SL 气体 图 6-27 平衡浸润模型 表 6-4 平衡浸润的几种形式 θ 可否浸润 cosθ 状态 θ＝0° 完全浸润 1 或称铺展 0<θ<90 可浸润 0 正浸润 θ=90 无浸润 0 零浸润 90θ180 不可浸润 0 负浸润 θ=180 完全不浸润 −1 随遇稳态 （2）铺展浸润 2. 浸润的滞后性 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。 （1）形态的影响 B B’ A A’ A A’ B’ B B滴 A滴 B’ A B 图 6-28 粗糙表面浸润模型图 （2）组份的影响 B A B A B A A B 图 6-29 不同组份表面的浸润模型