第六章 纤维的表面性质
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第六章 纤维的表面性质. 表 6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比. 第一节 纤维表面的内涵. 一、表面的基本概念 1. 纤维表面的定义 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。 形态亚微米尺度( submicro-scale )、厚度纳米尺度( nanoscale )和分子尺度( molecular scale ). 图 6-1 表面结构、形态及相互作用. 纤维表面结构与组成:非对称、不均匀、结构和形态不稳定. 表层厚度 :表层粒子间相互作用的非对称性达到基本对称时的厚度。

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第六章 纤维的表面性质

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第六章 纤维的表面性质


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表6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比


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第一节 纤维表面的内涵

一、表面的基本概念

1. 纤维表面的定义

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。

形态亚微米尺度(submicro-scale)、厚度纳米尺度(nanoscale)和分子尺度(molecular scale)


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图6-1 表面结构、形态及相互作用

纤维表面结构与组成:非对称、不均匀、结构和形态不稳定

表层厚度:表层粒子间相互作用的非对称性达到基本对称时的厚度。

表观形态:最外层粒子排列的轮廓线


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图6-2 A/B物质的界面层示意图

纤维表面更多地关注界面问题 :纤维与其他物质间、纤维中不同组份间、纤维中不同结构相间结合面或区域的特征


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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。

γ=F/L ,为表面张力,指单位线长垂直移动或开裂所需的力

图6-3 液体表面增大所作的功


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二、纤维表面涉及的内容

1. 纤维表面结构内涵

表面厚度(2nm~50nm )、表面形态、表面组成(表层内粒子的构成及分布 )、和表面结构(狭义的:表面中分子的聚集态结构 )

(a) 羊毛

图6-4 AFM的表面原子像

(b) 兔毛

图6-5 羊毛和兔毛的鳞片像(SEM)


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2. 纤维表面所涉及的基本物理性质

摩擦性质、浸润性质、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

图6-6 纤维表面缺陷导致的断裂


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3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法

图6-7 电子束激发的各类信息示意图


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表6-2 常用表面分析方法名称及用途


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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


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第二节 纤维的表面特征

一、天然纤维的表面特征

1. 棉纤维棱脊状条纹:棉纤维干瘪收缩,表层和S1层起拱所致。交叉移动时轻微跳动,铮铮作响,可纺性,“起绉”表面结构

图6-8 棉纤维的表面形态


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2. 毛发类纤维

图6-9 羊毛纤维表面的鳞纹

图6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构

伪棱脊(较大的横向突纹)、鳞纹(较细小的平行于纤维轴向的条纹) 、类膜物质(2~4nm厚)


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兔毛纤维:极好的滑糯性

羽绒纤维:表层结构为排列规整的原纤,表面存在 “膜层”

蚕丝纤维:表层一排原纤紧密,表层呈层状结构,具有丝胶及微细沟槽,以及一些毛丝,纵向滑爽、横向略糙,有丝鸣

图6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)


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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)


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图6-13 腈纶纤维的表面形态与结构(SEM)


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三、表面改性和高性能纤维的表面特征

1. 纤维粗糙化改性

增加纤维的有效外露面积,增加单位面积表面的吸附能(表面张力)

2. 纤维柔软化改性

改善纤维表面的摩擦性,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)


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3. 合成纤维的丝光改性

主要是通过表面刻蚀的方式,在纤维表面产生微坑,通过微坑的反光聚焦作用产生闪光点

图6-15 涤纶的丝光处理表面(SEM)


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4. 高性能纤维的表面特征

芳纶(Kevlar)是液晶纺丝,无明确的表层结构,受剪切作用后,产生原纤劈裂伸出的表面

图6-16 芳纶纤维的表面形貌(SEM)


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第三节 纤维的摩擦性质

一、纤维摩擦中的基本现象

1. 摩擦系数

传统表达的局限


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(1)相对滑移速度的影响

表6-3 纤维的动、静摩擦系数(μS,μD)


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摩擦力F或摩擦系数与滑动速度v相关

图6-17 滑动速度v与摩擦系数μ的关系


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(2)表观接触面积的影响

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

两物质间的正压力N的大小与摩擦并非线性关系

式中,a,b,c均为常数,n为2/3~1的常数


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(4)表面粗糙度的影响

光滑表面增加物体间的相互接触面积;粗糙表面增加两物体间的机械锁结

图6-18 摩擦系数μ与粗糙度r的关系


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(5)表面硬度的影响

接触点塑变,增大接触面积,导致机械锁结的解体

(6)纤维外观形态及表面附着物的影响

  • 纤维的截面形状:非圆形纤维易于产生螺旋状的转曲, 影响相互靠近,相互间接触概率低,摩擦作用弱

  • 纤维的卷曲:影响纤维间的相互纠缠,抱合力增加

抱合力:指纤维间的正压力N=0时的纤维间的滑移阻力,是纤维成网、成条的根本机制

(7)环境温湿度的影响


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2. 粘-滑现象

产生粘-滑现象的本质原因是纤维的静、动摩擦力或静、动摩擦系数的差异所致

图6-19 粘-滑过程及摩擦力曲线

下板块以v被拖动时,由于FS,上滑块与其同步粘合移动,弹簧拉力F增大。当F>FS,上滑块因F作用回退,动摩擦产生;当F<FD时,粘合移动→粘-滑周而复始。


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图6-20 纤维摩擦中的粘-滑现象

涤纶丝与涤纶丝的粘-滑作用产生与消失的相对移动速度范围

相对移动速度>0.1m/min时粘-滑现象将消失


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3. 摩擦的对称性

图6-21 纤维的对称和非对称摩擦示意图

对称摩擦:双变点接触摩擦,“X”摩擦,瞬间接触作用,温差小、摩擦作用程度小

非对称:单变点接触摩擦, “+”摩擦,动纤维温度逐渐上升


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4、摩擦的方向性

a. 摩擦的各向异性:μ∥≠μ⊥

b. 差微摩擦效应:羊毛特有,Δμ=μ逆-μ顺>0

图6-22 羊毛差微摩擦效应


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图6-23 羊毛毡缩过程示意图

羊毛集合体的毡化:由差微摩擦效应,羊毛的高弹性伸长率和促进弹性伸长与回复的热、湿、机械综合作用完成的


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二、摩擦机理与测量

1. 纤维的摩擦机理

Fad :粘附力,摩擦作用的大小与相对滑移速度有关

Fl :锁结力,宏观形态的锁结造成了接触点处的卡扣和锁结

Fp :耕犁力,由于材料变形,剪切而被刨刮、耕犁的力

Fad,Fl和Fp均为接触面积A、粗糙度r、相对滑移速度v的函数


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2. 纤维摩擦性质的测量

若F=μN代入上式得:

T1=m;T0=m-FS,D;θ=π

图6-24 绞盘法测量原理示意图


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图6-25纤维抽拔法实验原理

(a)不加压可测单纤维的抱合力F0f;加压可测摩擦阻力Fτf

(b)可测单纤维在粘结剂中的粘结力


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图6-26刮动法测量装置原理图

典型的非对称测量


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第四节 纤维的浸润性与芯吸

一、纤维浸润(wetting)现象

1. 平衡与非平衡浸润

(1)平衡态浸润(静态浸润)

气、液、固三相交汇点b受力达到平衡(∑X=0),达到平衡不变的液体形状

Young-Dupré方程

图6-27 平衡浸润模型


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接触角θ值表达固体的浸润性

接触角θ:指气-液切面与固-液界面间,含液体的夹角

表6-4 平衡浸润的几种形式


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(2)非平衡浸润(铺展浸润、动态浸润)

在理论上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程,Young-Dupré方程不再适用

铺展浸润的特征:液滴在固体表面上的展开成膜,原有的固-气界面消失


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2. 浸润的滞后性

固体表面第一次浸润(θ1)和第二次浸润(θ2)间存在的差异

3. 伪浸润现象

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


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形态伪浸润

组份伪浸润

图6-28 粗糙表面浸润模型图

图6-29 不同组份表面的浸润模型

表观接触角θA≠θB≠θ,θA’=θA’’=θB’=θB’’=θ为真正的接触角

不同组份的区域趋向于微观化时,θA与θB的差异趋向一个稳态值θAB


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二、纤维浸润性测量

1. 接触角θ测量

图6-30 插入转动法示意图

图6-31 悬滴法计算示意和实物图


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图6-32 浸润的前进角和后退角的测量示意


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(1)竖直拔出法

2. 浸润力的测量

图6-33 浸润力测量原理图

F为纤维拔出力;FP为浸润力;Gf为纤维的重力;Fb为纤维浸润段的浮力

将F换算出表面张力的表达,并令纤维为圆形截面,可得


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(2)水平浸入拉出法

图6-34典型的实验曲线及过程示意图


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图6-35 液面和纤维的接触点的关系示意图


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浸润因子w为

FAB和FCD分别为AB和CD段得力值

当θ=β时

图6-36 实验曲线中力值变化分析示意图

不考虑纤维架和纤维的浮力作用


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表6-5 浸润因子与接触角θ的关系


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3. 铺展速度的测量

图6-37 长丝向下运动时液面月牙状的变化


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三、纤维芯吸与表征

1. 纤维集合体的浸润现象

纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象,或称芯吸。

芯吸作用与单纤维的浸润作用和孔隙形状因子有关

典型的毛细管压力p方程为:

P=0

图6-38垂直和水平无毛细作用时液体的状态


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2. 芯吸高度

(a) 90°<θ<180°(拒水) (b) 0°<θ<90°(导水)

图6-39 纤维正、负浸润时的芯吸模型图

拒水高度

导水高度


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3. 芯吸速度

可由定时间t,测芯吸高度hW、扩展长度L和芯吸液体质量mW来表达

vh(cm/sec)为单位时间内的上升高度值;

vl(cm/sec)为单位时间扩散的长度;

vm(g/sec)为单位时间内芯吸的质量的增加量

孔隙横向时(纤维集合体平放)时,可用扩展比和扩展取向度表达织物对液体扩展的各项异性


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