第二章 纤维的结构特征 纤维的结构是复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆砌和混杂所组成的，并决定纤维的性质。 第一节 纤维基本结构的构成 尽管纤维结构复杂，但人们对其认识一般分为三个方面，最为直观的纤维形态结构、较为间接的纤维聚集态结构和更为微观的纤维分子结构。 一、纤维的形态结构 1. 基本内容 纤维的形态结构，是指纤维在光学显微镜或电子显微镜，乃至原子力显微镜(AFM)下能被直接观察到的结构。 纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在于纤维中的各种裂隙与空洞等。 2. 纤维的原纤结构 (1)原纤结构特征 纤维中的原纤(fibril)是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。 严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构。 原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。 纤维的原纤按其尺度大小和堆砌顺序可分为基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞。 (2) 各层次原纤的特征 基原纤(proto-fibril或elementary fibril)是原纤中最小、最基本的结构单元，亦称晶须，无缺陷。 微原纤(micro-fibril)是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束，亦称微晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。  图2-1 微原纤的堆砌形式示意图 原纤(fibril)是一个统称，有时可代表由若干基原纤或含若干根微原纤，大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束。 巨原纤(macro-fibril)是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。 细胞(cell)是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。 二、纤维的聚集态结构 具体所指纤维高聚物的结晶与非晶结构、取向与非取向结构、以及通过某些分子间共混方法形成的“织态结构”等。 1. 纤维的结晶结构 将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，形成有较大内聚能和密度并有明显转变温度的稳定点阵结构，称为结晶结构。 对于纤维聚集态的形式，上世纪40年代出现了“两相结构”的模型。  图2-2 取向和无序排列的缨状微胞结构 Hearle教授提出的缨状原纤结构模型(图2-3)对此作了很好的解释，并与纤维的原纤结构形成很好的对应。  图2-3 缨状原纤结构 图2-4 折叠链片晶 2. 纤维的非晶结构 纤维大分子高聚物呈不规则聚集排列的区域称为非晶区，或无定形区。   图2-5 取向和非取向折叠链片晶结构模型 3. 纤维的取向结构 不管天然纤维还是化学纤维，其大分子的排列都会或多或少地与纤维轴相一致，这种大分子排列方向与纤维轴向吻合的程度称作取向度。 纤维的取向结构使纤维许多性能产生各向异性。 三、纤维的分子结构 1. 大分子结构的基本概念 纺织纤维的分子一般都是线形长链分子，量很大，由n个(n约为102~105数量级)重复结构单元(称链节或单基)相互连接而成的，分子量很大，故多大分子或高分子。若纤维大分子的分子量为M，单基的分子量为m，则聚合度(重复结构单元数n)为：  (2-1) 通常将大分子结构分为分子内(分子链)结构和分子间(超分子)结构两部分。 分子链结构是指单个分子的结构，也是大分子的化学结构，简称链结构或化学结构。 链结构又分为讨论链节(单基)组成及结构的近程结构和讨论分子链空间形态的远程结构。  图2-6 分子的内旋转示意图  图2-7 纤维大分子的典型构象示意图 分子间的结构属三级结构或称三次结构，就是前面所提的聚集态结构。 若干大分子聚集体或不同组份大分子聚集体的相互共混、复合，组合体是更高层次的结构体，属高次结构，或称织态结构。 第二节 纤维的结构特征与测量 一、纺织纤维结构的一般要求 纤维必须具有一定的长度和细度、有较高的长径比、具备形成一维材料的基本条件； 从聚集态结构的角度看，要求分子排列有一定的结晶和取向，使分子间和轴向作用力增强，从而使纤维具备必要的强度和形态稳定性，但又必须有一定的无定形区，以使纤维具有可及性和可加工性； 从大分子组成和结构上说，分子量要较高，且分子量分布应比较窄，支链较短，侧基要小，以得到粘度适当的熔体及溶液和浓度足够高的溶液。 二、纤维化学结构的测量 1. 化学结构的测量 （1）质谱(mass spectrometry)分析。 （2）红外吸收光谱 （3）紫外与可见光谱 （4）核磁共振光谱 2. 分子量及其分布的测量 (1) 数均分子量 (2) 重均分子量 (3) Z均分子量 (4) 粘均分子量  (2-7) 三、纤维聚集态结构的测量 1. 结晶结构及非晶结构 纤维是结晶与非晶结构共存的材料。测量方法常采用密度法、X射线衍射法、热分析法、红外光谱法、电子显微镜法等测量，其结晶度的大小、晶区的分布、结晶形态等。主要指标有结晶度、晶体类型、结晶大小和形状、晶区分布及非晶区结构等。 表2-1 不同晶系及晶格参数表 晶系 晶格轴长及夹角关系  三斜 triclinic a≠b≠c；α≠β≠γ  单斜 monoclinic a≠b≠c；α=γ=90o≠β  正交 orthorhombic a≠b≠c；α=β=γ=90o  四方 tetragonal a=b≠c；α=β=γ=90o  三方 trigonal a=b=c；α=β=γ≠90o<120 o  六方 hexagonal a=b≠c；α=β=90o；γ=120o  立方 cubic a=b=c；α=β=γ=90o   2. 取向结构 纤维的取向结构可用显微观察的方法，或进行各结构单元间的染色增强的制样方法来观察，纤维的取向结构最为重要的表达指标是取向度或称取向因子f。  纤维取向度的测量可有X射线或电子衍射法、红外二色性法、光学偏振法、声速模量法、染色二色性法、导热系数法、介电系数法等。 四、纤维形态结构特征的测量 1. 一般观察及测量 纤维的形态结构均是微米级及其以下，显微观察是必须的。对>0.2μm以上的微细及外观形态结构，一般采用光学显微镜的方法。  图2-8 SEM和TEM试样制备与观察流程示意图 2. 所需结构信息特征化的制样 第三节 典型纤维的结构与特征 典型天然纤维的结构与特征 1. 棉纤维的结构与特征 (1) 分子构成及分子间结构 棉纤维和麻纤维的主要成分是纤维素，其分子式为(C6H10O5)，化学结构式为：  棉纤维大分子的聚合度为6000～15000，分子量为1～2.43百万，其氧六环结构是固定的，但六环之间夹角可以改变，所以分子在无外力作用的非晶区中，可呈自由弯曲状态。  图2-9 棉纤维原纤中(纤维素I)的晶胞结构 (2)细胞形态与构成  图2-10 棉纤维的形态结构模型 (3) 各层次结构 表皮层。 初生层。 次生层。次生层分为三个基本层，S1、S2、S3依次向内。次生层有明显的“日轮”结构。 中腔。 2. 麻纤维的结构特征 3. 羊毛纤维的结构特征 (1) 羊毛纤维的组成 羊毛纤维的基本组成是α氨基酸螺旋大分子，α氨基酸是哺乳动物组织的基本组成。羊毛角蛋白大分子的构成及相互链接作用如图2-11所示，是多交联的结构，尤其是二硫键(－S－S－)。 (2) 羊毛纤维的组织结构 羊毛纤维是多细胞结构体，有两类细胞：鳞片细胞和皮质细胞。 每一个鳞片是一个细胞，称为表皮细胞(cuticle cell)，由细胞间质CMC(cell membrane complex)粘结组合成羊毛表面的连续覆盖层。 皮质细胞(cortex cell)有正皮质(ortho-cortex)细胞和副皮质(para-cortex)细胞之分。 羊毛的髓质层。  图2-11 角蛋白大分子的构成及分子间作用  图2-12 羊毛纤维各层次结构综合示意图 (3) 羊毛的鳞片 鳞片为角质化细胞，在成形后失去了细胞核和原生质，形成为死细胞组织的角质薄片。  图2-13 羊毛鳞片表层膜结构示意图 （4）羊毛的皮质细胞 由于正、副皮质的结构差异，导致一刚一柔，一伸一缩，是羊毛的整体外观形态呈弯曲状。正皮质位于弯曲的外侧；副皮质位于弯曲的内侧。  图2-14 羊毛纤维的天然卷曲 （5）细胞间质 (CMC)  图2-15 羊毛纤维的细胞间质 4. 蚕丝的结构特征 （1）分子构成及结构 蚕丝是昆虫加工的纤维，无细胞结构。大分子也是α氨基酸结构，称丝朊或丝蛋白质。  图2-16 蚕丝分子结构 （2）微细结构及形态 蚕丝由丝胶和丝素构成，丝胶包覆于丝素之外，丝素则是蚕丝纤维的主体，如图2-17所示。  图2-17 蚕丝的各层次结构综合示意图 二、典型再生纤维素纤维的结构特征 1. 几种粘胶纤维的典型结构 表2-2 再生纤维素纤维的结晶度与聚合度 纤维 结晶度(%) 聚合度  普通粘胶 30～35 250～300  富强粘胶 45～50 500左右  强力粘胶 50～55 300～350  Modal 42～46 350～450  Tencel? 48～52 500～550  浆粕 55～65 >600   表2-3 纤维素纤维的光学取向因子比较 纤维 取向因子  粘胶 低牵伸(普通粘胶) 0.54   高牵伸(强力粘胶) 0.88  铜氨粘胶 0.74  苧麻 0.97  海岛棉 0.72  陆地棉 0.62   图2-18 纤维素Ⅱ的晶格结构示意图  图2-19 几种再生纤维素纤维的截面形态 2. Lyocell纤维 Lyocell纤维是可回收溶剂法制备的再生纤维素纤维。  图2-20 水中膨润后的纤维结构示意图 三、典型合成纤维的结构 1. 常规合成纤维 (1) 涤纶纤维 (PET) 涤纶纤维或聚酯纤维，其大分子链化学结构式为：  单基由一个苯环、两个酯基和两个亚甲基(－CH2)构成。－CH2－CH2－是柔性链；苯环使分子链的刚性增大，熔融熵减小，结晶速率减缓，所以按传统的熔体纺丝法得到的初生纤维一般为非晶态，但经过拉伸取向可诱导快速结晶，不仅取向度高，而且结晶度也高。  图2-21 涤纶纤维的分子及晶格示意图 (2) 锦纶纤维 (PA) 锦纶或聚酰胺纤维或尼龙主要特征是大分子链由酰胺键(－CONH－)连接，主要品种锦纶6和锦纶66，化学结构式如下： 尼龙66： 尼龙6：   图2-22 尼龙66的晶胞结构图 (3) 腈纶纤维 (PAN) 腈纶纤维即聚丙烯腈纤维，其主要重复单元化学式为：－CH2－CH(CN)－。 腈纶在内部大分结构上很独特，呈不规则的螺旋形构象，且没有严格的结晶晶区，属准晶结构，但有高序排列与低序排列之分。   图2-23 腈纶分子堆砌与单元晶格结构 (4) 丙纶纤维(PP) 根据甲基在链上的排列位置不同，形成不同的立体构型，分为等规，间规、和无规。  图2-24 聚丙烯纤维的构型示意图  图2- 25 丙纶纤维分子螺旋构型 (5) 维纶纤维 (PVA)  图2- 26 维纶纤维的晶胞结构示意图 (6) 氯纶纤维(PVC) 2. 差别化纤维 (1) 异形与多孔 差别化纤维在形态上改变，可引入异形和多孔。 例：(a)为单开孔，以增加表面积和内凹蓄水和快速导水，但受压后易于反渗水； (b)为中空带微孔，若微孔与中空相通，则可以形成导水和扩散； (c)为变异三叶形，大凹反射光性能优良和减少接触，叶顶小沟槽有利于导水和点状接触；(d)为表面多坑结构，可柔和光泽和增加表面积极蓄水点。     图2-27 中空微孔纤维SEM照片 (2) 复合与超细 复合纤维的常见结构如图2-28所示，主要为双组份的，但也可以是多组份的，此时结构将变得复杂。  图2-28 多种复合纤维的截面结构示意 对环芯多层结构的夹层大量掺入碳黑，并在纤维主体中，并在纤维主体中也掺入碳黑，制成耐久性抗静电、导电纤维。  图2-29 复合纺丝法制成的夹层导电纤维 超细纤维。  图2-30 典型超细纤维成形方法示意图 (3) 弹性结构 弹性结构的获得主要是通过纤维的分子结构聚集态结构获得，分子结构中最为主要的是分子链的柔性和构象。  图2-31 两种弹性结构的示意图