第四章纤维的物理性能要点课件.ppt
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1、第四章 纤维的物理性能,一、纤维的比热p73也称比热容,是指单位质量的纤维,在温度变化1时所吸收或放出的热量,即:式中:C0干纤维的比热(J/gK),m干纤维的质量,t温度的变化,q纤维吸收或放出的热量。相同质量的不同纤维,在升高相等温度时,比热大的纤维获得的热量应当大于比热小的纤维;若给予相同的热量,比热大的纤维温升小,而比热小的纤维温升大。,表4-1 干燥纤维的比热p73,对含有水份的纤维、比热值会有很大变化,纺织加工是一个水加工工艺,干燥含水的纤维是常规的工艺过程,所以,含湿纤维的比热比干纤维的更重要。这时温度变化1时所吸收或放出的热量,除纤维外,还应有纤维中的水份。P73图4-1 羊毛
2、的比热容、温度和回潮率的关系p74,二、纤维的导热性p74纤维内部及其集合体纤维间孔隙内充满空气,在有温差的情况下,热量总是从高温向低温传递导热性,抵抗这种传递的能力则称为保暖性。导热性用导热系数表示,单位是kJ(mkh)。是指当纤维材料的厚度为1m且两侧表面之间的温度差为1时,1h内从1平米的纤维面积中通过的热量(KJ)。值越小,表示该纤维的导热性越低,其绝热性或保暖性越高。,在纤维材料的厚度为a的时候,通过该材料厚度的热量称为热传导率,式中:Q通过制品的热量(KJ),a制品的厚度(m),F制品的面积(m2),T温差(),t时间(h)。,表4-2 纤维、空气和水的导热系数(室温20)KJ(m
3、kh) P75,静止空气是最好的热绝缘体。纤维材料的保暖性主要取决于纤维层中夹持的空气数量和状态。但一旦空气发生流动,保暖性就大大降低。 P75水的导热系数较大,随着纤维回潮率的增高,纤维的导热系数会增大,而保暖性下降。,影响纤维导热性能的因素 (1)分子量的大小 在同一温度下,分子量越高。 (2)温度与回潮率的影响 T 水分越多,越大,保暖性越差 (3)纤维集合体的体积重量 保暖与否主要取决于纤维层中夹持的静止空气数量。 纤维层中夹持的空气越多,则纤维层的绝热性越好. 一旦夹持的空气流动,保暖性将大大降低。 纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cm3,最小,保暖性最好。,三、纤维的热裂解
4、与纤维的三态转变p75-78(一)加热过程中的物相变化两种类型:(1)一种是先随温度升高脱去水份,然后氧化降解,直接由固态裂解为气体和碳素残渣。许多天然纤维素纤维、天然蛋白质纤维、再生纤维均属这一种类型。(2)一种也是先随温度升高脱去水分,随后纤维开始由固态(玻璃态)转变为有高形变能力的高弹态,或者从近似于玻璃态的低高弹态转变为高弹态,再继续升高温度,纤维成为流动态的熔体(粘流态),再升高温度便开始热裂解。像涤纶、锦纶这样一些合成纤维,日常使用温度下为玻璃态,丙纶纤维日常使用的是近似玻璃态的低高弹态。(二)热塑性纤维的三态转变纤维物理状态有加热后发生“三态转变”的特点称为热塑性纤维。p75,(
5、二)热塑性纤维的三态转变p76-77玻璃态:分子链段运动被冻结,显现脆性,类似普通玻璃性能。在温度比较低时,表现出有类似于刚体的性能。高弹态:分子链段运动加剧,出现高弹变形,类似橡胶的特性。表现为类似于橡胶的性能。 粘流态:大分子开始变形,表现出液体流动的特性。表4-3 一些纤维的热特性温度 p78,三态转变温度p78 1.玻璃化温度Tg 非晶态高聚物大分子链段开始运动的最低温度,或由玻璃态向高弹态转变的温度。 影响Tg的因素:化学组成的影响;分子量和交键作用;混合、接枝及共聚的影响;增塑剂的作用。凡是使链的柔性增加,使分子间作用力下降的结构因素都会使Tg2.流动温度(Tf ) 非晶态高聚物大
6、分子链相互滑动的温度,或由高弹态向粘流态转变的温度。 熔点温度Tm 高聚物结晶全部熔化时的温度,或晶态高聚物大分子链相互滑动的温度。 3. 分解点温度Td 高聚物大分子主链产生断裂的温度。,高分子的链结构与形态,旋转图每逆时针旋转60o的构象分解旋转过程中构象不断变化,位能(U)也不断变化。旋转的难易取决于旋转位能的的高低,位能越低越容易旋转。分子结构不同,位能不同,一般电负性大、取代基多或大,位能越大。,反式,旁式,重式,顺式,重式,旁式,反式,旋转过程中的位能变化,C,C,C,C,高分子链的内旋转,共轭双键由于分子链整个形成共轭体系,造成旋转困难,故只有刚性而无柔性。如聚乙炔CHCHCHC
7、HCHCHCHCH聚苯常见高分子主链的柔性规律OSNCCC非共轭CCCOCH2COCNHNHCNH取代基的影响(性质、体积、数量、位置)取代基的性质对高分子链柔性的影响(极性)规律:极性,作用力,位能,内旋转,柔性。实例:取代基极性分子间力柔性刚性系数Tg(K) PEH 小 小 大 1.63 160 PVC Cl 3.32 355 PAN CN 大 大 小 2.37 369,整个分子链的运动(重心发生位移)条件:存在分子间或内的干扰和纠缠时,不能实现整个分子链的运动;在溶液和熔融状态下,通过链段一方向的运动可以实现整个分子链的运动。,高聚物的聚集态结构,高聚物聚集态与小分子物质的聚集态、相态的
8、对应关系气态气相小分子物质的聚集态 液态液相小分子物质的相态固态晶相一、分子间的相互作用作用力的类型共价键主价力(又称化学键)配位键作用力的类型离子键次价力(又称分子间力,包括:范德华力、氢键),(力学、分子热运动特征分类),(热力学特征分类),高聚物的物理状态,线型非晶态高聚物的物理状态与平均相对分子质量M、温度T的关系二、结晶态高聚物的物理状态结晶态高聚物的形变-温度曲线,高聚物的物理状态,结晶态高聚物的物理状态注意:由于高弹态对成型加工不利,因此,一般情况下,对结晶态高聚物而言要严格控制相对分子质量,防止很大造成的不良影响。,高聚物的各种特征温度与测定,常见的高聚物特征温度一、玻璃化温度
9、定义高聚物分子链开始运动或冻结的温度。玻璃化温度的使用价值玻璃温度是非晶态高聚物作为塑料使用的最高温度;是作为橡胶使用的最低温度。影响玻璃化温度的因素,高聚物的各种特征温度,四、纤维的耐热性、燃烧性和热稳定性p781.耐热性 耐热性指纤维经过短时间的高温作用,回到常温时,其机械性能的变化程度耐短时间高温的性能。 随着温度的升高而强度降低的程度表示。 热稳定性纤维耐长时间高温的性能。,常用纤维耐热性: 天然纤维:棉麻、蚕丝羊毛; 人造纤维:粘胶棉; 合成纤维:涤纶腈纶锦纶维纶; 碳纤维、玻璃纤维相当好;涤纶的耐热性与热稳定性均较好;锦纶的耐热性较好,但热稳定性差。,纤维的燃烧性能 p79(1)可
10、燃性指标(表示纤维容不容易燃烧):点燃温度、发火点 点燃温度或发火点越低,纤维越容易燃烧。 (2)耐燃性指标(表示纤维经不经得起燃烧)极限氧指数 LOI(Limit Oxygen Index):纤维点燃后,在氧、氮大气里维持燃烧所需要的最低含氧量体积百分数。 LOI越大,说明材料难燃。,LOI=,P80 阻燃指降低材料在火焰中的可燃性,减慢火焰蔓延速度,当火焰移去后能很快自熄。 提高纤维制品难燃性的途径 (1)制造难燃纤维:在纺丝原液中加入防火剂或用合成的难燃聚合物纺丝(2)阻燃整理: 阻燃剂处理 (3)通过与难燃纤维混纺,以提高纤维的难燃性。(4)在普通纤维上与反应性阻燃剂进行接枝共聚,或通
11、过阻燃整理而赋予纤维以阻燃性,即阻燃改性的表面处理法。,纤维的热塑性和热定型P80 热塑性将合成纤维或制品加热到Tg以上温度,并加一定外力强迫其变形,然后冷却并去除外力,这种变形就可固定下来,以后遇到TTg时,则纤维或制品的形状就不会有大的变化。这种特性称之为热塑性。 热定型就是利用合纤的热塑性,将织物在一定张力下加热处理,使之固定于新的状态的工艺过程。 (如:蒸纱、熨烫),热定型的机理:最初结构的松散;新结构的重建;新结构的固化 热定型的方法:干热定型-热风处理,金属表面接触加热; 湿热定型-湿法定型,汽蒸定型,过热蒸汽定型 。影响合纤织物热定型效果的因素 1)温度(最主要因素) 2)时间
12、3)张力 4)冷却速度 5)定型介质,纤维的熔孔性1.定义:当纤维及其制品上为热体所溅时被熔成孔洞的性能。 抗熔性:抵抗熔孔现象的性能。 2.合成纤维易产生熔孔现象的原因 涤纶、锦纶熔融所需的热量较少;涤纶、锦纶的导热系数比棉、粘、羊毛大。 3.改善织物抗熔性的方法合纤与天然纤维混纺;制造包芯纱(芯用锦纶、涤纶,外层用棉)。,几种纤维的热膨胀系数,六、热膨胀和热收缩 p82一部分纤维在加热的情况下有轻微的膨胀现象。 原因是纤维分子受热后发生较强的热振动而获得了更多的空间所致。几种纤维的热膨胀系数,热收缩 (1)定义:合成纤维受热后发生不可逆的收缩现象称之为热收缩。 (2)指标: 热收缩率,即加
13、热后纤维缩短的长度占原来长度的百分率。 根据介质不同有: a.沸水收缩率:一般指将纤维放在100C的沸水中处理30min,晾干后的收缩率; b.热空气收缩率:一般指用180、190C、210C热空气为介质处理一定时间(如15min)后的收缩率; c.饱和蒸汽收缩率:一般指用125-130C饱和蒸汽为介质处理一定时间(如3min)后的收缩率。 (3)产生原因: 纺丝成形过程中,受到较大的抽伸作用,纤维残留一定的内应力,一旦TTg,会发生收缩。,纤维导电性能(电阻)p83 可将通过纤维的电流分为两部分:一部分为穿过纤维体积的漏电电流Iv,另一部分为穿过纤维表面的漏电电流Is,因此相应的电阻也可以分
14、为两部分,即体积电阻Rv和表面电阻Rs。 (1)体积比电阻(v ,cm) 纤维通过长1cm,截面积为1 cm2材料时的电阻值。 S为测量电极的面积(cm2),d为纤维材料的厚度(cm) (2)表面比电阻(S ,) 电流通过长、宽都为1cm材料时的电阻值。式中L为电极长度(cm),b为平行电极间距离(cm) (3)质量比电阻(m,g/cm2) 电流通过长1cm,质量为1g材料时的电阻值。 m=v m易测,应用较多。,第二节 纤维的电性能,影响纤维比电阻的因素 (1)回潮率:Wm (2)温度:T,导电性能增加 (3) 结构:纤维化学结构影响吸湿,影响电阻。纤维的超分子结构也影响纤维的电阻,纤维的结
15、晶度增大,电阻变大,但纤维的取向度增加,电阻反而下降。(4)纤维上的附着物:油剂、棉蜡、油脂的存在,。,二、纤维的静电p86静电现象及产生原因 纤维在加工中要受到各种机件的作用,由于纤维与机械以及纤维与纤维间的摩擦,必会聚集起许多电荷从而产生静电。静电的危害与应用 危害:粘接和分散、吸附飞花与尘埃、放电等;应用:静电植绒、静电吸尘、粉末塑料的静电喷涂等。,衡量静电的有关指标 (1)静电量/单位面积; (2)静电压(kv); (3)比电阻; (4)半衰期:纺织材料上的静电衰减到原始值一半时所需的时间。,锦纶 粘胶 棉 蚕丝 麻 醋酯 聚乙烯醇 涤纶 腈纶 氯纶 丙纶 乙纶 氯纶正电荷 负电荷,意
16、义:精细面粉的筛选,4. 减少或防止静电现象的方法 机器接地 提高空气的相对湿度 改善摩擦条件 导电纤维的应用 静电消除器(电离空气) 加抗静电剂(纤维油剂) 织物防静电整理,三、纤维的介电性质 p87纤维的介电常数 (1)定义 在电场中,由于介质极化而引起相反电场,将使电容器的电容变化,其变化的倍数称为介电常数。其数值为: 物理意义:是表示材料在电场中被极化的程度。反映材料的储电能力。,影响大小的因素p87内因电介质的密度:体积重量或密度愈大,纤维间的空气量,; 极化率:纤维分子极化程度,; 纤维分子量:分子量,。 外因温度:一方面T,另一方面:T; 频率:用直流电压,最大;f;回潮率:W,
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