第十章
纺织材料的热学、电学和光学性质
(Thermal,Electrical and Optical Properties)
本章主要内容
? 纺织材料的 热学性质
导热与保温、热转变点、阻燃性与抗熔性、热膨
胀与热收缩、热塑性与热定型、耐热性与热稳定
性等性质
? 纺织材料的 电学性质
介电性质、比电阻的基本概念及影响因素、纤
维的静电现象
? 纺织材料的 光学性质
纤维的色泽及影响因素、耐光性、光致发光、
双折射、二向色性
一、基础知识
? (一)纺织纤维的热学性质
? 纺织纤维的导热与保温
? 纺织纤维的热转变点
? 纺织纤维的阻燃性与抗熔性
? 合成纤维的热收缩
? 纺织纤维的热塑性和热定型
? 纤维的耐热性和热稳定性
1、纺织纤维的导热与保温
( 1)导热性指标
? 导热系数 λ(W.m/m2,℃ ) 指当材料的厚度为 1m及表面之
间的温差为 1℃ 时,1s钟内通过 1m2的材料传导的热量焦耳
数。
? 即,λ=
式中 λ--- 热导率 [W/(m·oc)] Q ---传导的热量 (J)
D --- 材料的厚度 (m) ⊿ t ---温差 (oc)
H ---传导热量的时间 (s) A ---材料的面积 (m2)
AHt DQ????
AHt
DQ
???
?
( 2) 影响导热系数的因素
? 与纤维的体积重量有关:
? 体积重量在 0.03~0.06g/cm3范围时,
导热系数最小。
? 与温度有关,随温度提高而增加;
? 与回潮率大小有关,随回潮率增大而增大。
2、纺织纤维的热转变点
( 1)热塑性纤维的力学三态:
玻璃态、高弹态和粘流态
A,玻璃态
纤维在受力作用时,一般只发生键长、键角
或基团的运动。链段及大分子的运动均被冻
结。具有一般固体的普弹性能。
B,高弹态
受力作用下,高聚物可以发生链段运动,所以有较大
的变形。但又因整个分子不发生位移,所以这种变形
在外力除去后经过一段时间可以回复,称高弹性变形。
C,粘流态
受力作用下,通过链段的协同运动,可实现整个大分
子的位移。此时,高聚物无固定的形状,属粘性液体,
稍一受力即可变形,因而具有可塑性。
热塑性纤维的温度 -变形曲线
A,玻璃态 B-高弹态 C-粘流态
(2) 纺织纤维的热转变点
将态发生转变,以及纤维性质有显著变化时的温度称
为热转变点。
A,玻璃化温度 Tg
指从玻璃态向高弹态转变的温度,也就是高聚物链段
运动开始发生的温度。
B,粘流温度 Tf
从高弹态向粘流态转变的温度,也就是高聚物熔化后
发生粘性流动的温度。
C,软化温度 Ts
在一定的压力及条件(如试样大小、升温速度、施
力方式等)下,高聚物达到一定变形时的温度。
D,熔点 Tm
指高聚物内晶体完全消失时的温度,也就是结晶融
化时的温度。
? 热塑性纤维和非热塑性纤维物理状态随温度变化而改变
的规律;
? 大多数热塑性纤维(如锦纶、涤纶等)随温度升高有三
态变化,高温下先软化后熔融,具有软化点和熔点;
? 非热塑性纤维(如天然纤维、再生纤维和一部分合纤)
受热后无三态变化,达到分解点即分解。
3、纺织纤维的阻燃性与抗熔性
( 1)纺织纤维的阻燃性
纺织纤维按其燃烧能力的不同可分为:
? 易燃的:燃烧迅速,如纤维素纤维、腈纶;
? 可燃的:燃烧缓慢,如羊毛、蚕丝、锦纶、涤纶和维纶等;
? 难燃的:与大火焰接触时燃烧,离开火焰自行熄灭,如氯纶;
? 不燃的:与火焰接触也不燃烧,如石棉、玻璃纤维、碳纤维
等。
表示纤维极其制品燃烧性能的指标
可燃性指标,点燃温度或发火点( ℃ )
点燃温度或发火点越低,纤维越易燃烧
耐燃性指标,极限氧指数
极限氧指数 ( LOI)定义:指材料经点燃后在氧 -
氮大气里持续燃烧所需的最低氧气浓度,一般用
氧占氮 -氧混合气体的体积比(或百分比)表示。
LOI值越大,材料的耐燃性越好。
提高纺织材料阻燃性的方法
? 用防火整理剂进行整理
? 制造阻燃纤维
( 2) 纺织纤维的抗熔性
抗熔性定义:纤维接触火星时抵抗破坏的性能。
影响抗熔性因素:
? 纤维的熔点、分解点高低;熔融、分解所需热量;
比热容、回潮率大小
? 热塑性合纤抗熔性差,天然纤维和粘纤抗熔性好
4,合成纤维的热收缩
指合成纤维受热后产生不可逆的收缩现象。
按加热介质不同分为:
? 沸水收缩率
一般是指将纤维放在 100℃ 的沸水中处理 30min,晾干
后的收缩率。
? 热空气收缩率
一般是指用 180℃, 190℃ 或 210℃ 热空气为介质处理
一定时间(如 15min)后的收缩率。
? 饱和蒸汽收缩率
一般是指用 125~130℃ 饱和蒸汽为介质
处理一定时间(如 3min)后的收缩率。
合成纤维的热收缩率图示
1-沸水收缩率 2-热空气收缩率( 190℃ 下处理 15min) 3-饱和蒸汽收缩
(锦纶 6:在 125℃ 下处理 3min;锦纶 66和涤纶:在 130℃ 下处理 3min)
5,纺织纤维的热塑性和热定型
(1)热塑性
(2) 热定型
? 热塑性纤维的热定型
? 非热塑性纤维的热定型
? 蚕丝纤维的热定型
影响热定型效果的主要因素
? 温度
? 时间
? 介质
6、纤维的耐热性和热稳定性
( 1)耐热性,纤维在高温下保持自己的物理机械性
能的能力。
表示方法:
? A,纤维受高温作用回到常温后强度能基本恢复的
温度
? B,纤维随温度升高强度降低的程度
(2) 热稳定性
指材料对热裂解的稳定性
表示方法
? 用在一定温度下,强度随着时间而降低的程度
来表示。
? 耐热性好的纤维,热稳定性并不一定好,只有
涤纶同时具有良好的耐热性和热稳定性。
(二 ) 纺织纤维的电学性质
? 纺织纤维的介电性质
? 纺织纤维的电导性能
? 纺织纤维的静电
1、纺织纤维的介电性质
(1) 纤维的介电常数
定义:
影响纺织材料的介电常数的因素:
? 纤维内部结构,主要是分子量、密度和极化率。
? 外界的影响因素,环境温度、回潮率、电场频
率和纤维在平板电容器间的堆砌紧密程度等。
(2) 纤维的介质损耗
? 定义:介质在电场作用下引起发热而
消耗的能量。
? 应用:对纺织材料进行加热烘干。
2,纺织纤维的电导性能
(1) 纤维的比电阻
表示纤维导电能力的指标是比电阻。
? 表面比电阻 ρs:指电流通过宽度为 1cm,长度为 1cm
的材料表面时的电阻( Ω);
? 体积比电阻 ρv:指电流通过截面积为 1cm2、长度为
1cm的材料内部时的电阻( Ω);
? 质量比电阻 ρm:指电流通过长度为 1cm、重 1g的纤
维束时的电阻( Ω)
(2)影响纺织纤维比电阻的因素
? 纤维内部结构对比电阻的影响,
a 非极性分子组成的纤维,比电阻大
b 聚合度大、结晶度大、取向度小的纤维比电阻大
? 吸湿对比电阻的影响
干燥的纺织纤维比电阻很大,吸湿后比电阻下降。
? 温度对比电阻的影响
电阻随温度的升高而降低
?纤维上的附着物对比电阻的影响
天然纤维表面附着物的存在,会降低纤维的比电阻;
化学纤维加上适当的含有抗静电剂的油剂,能大大
降低纤维的比电阻。
?其他因素对比电阻的影响
如:测试时的电压高低、测定时间长短和所用电极
材料等
3、纺织纤维的静电
? ( 1)静电的产生
? 纺织纤维的比电阻很高,在加工和使用过程中因摩
擦产生的静电荷,不易散逸而积累
? (2)静电的危害:
? 使纤维发生粘结或分散;
? 吸附飞花与尘埃,造成纱疵;
? 静电放电;
? 其他:影响电器仪表的准确性,使录音磁带产生杂
音等等
(3)应用
静电植绒、静电纺纱、静电吸尘、静电喷涂,
氯纶织物利用静电治疗风湿关节炎等
(4)静电的防止
? 提高车间的相对湿度;
? 纤维上加油剂;
? 纤维混纺;
? 适当配置导纱件的材料;
? 安装静电消除器;
? 改善纤维本身的导电性。
(三)纺织纤维的光学性质
? 纺织纤维的色泽
? 纺织纤维的耐光性
? 光致发光
? 纤维的双折射和二向色性
1、纺织纤维的色泽
? 纤维的颜色
天然纤维的颜色,取决于品种,即天然色素
和生长过程中的外界因素
? 纤维的光泽
光泽是纤维的重要外观性质。光泽的强弱,
主要由纤维对光的反射情况而定。
影响纤维光泽的主要因素
? 纤维的纵面形态;
? 纤维截面形状;
? 纤维层状结构
蚕丝的形态结构特点
? 截面大多数具有接近于三角形的外貌特征;
? 是一种具有典型原纤型构造的长丝纤维,从纤维中
平行排列的原纤直到长丝中平行排列的纤维,无不
具有层状排列的构造;
? 纤维中的原纤相互交络成一种网目状的构造,原纤
间的网孔尺寸大致和可见光的波长相近;
? 特有的丝胶 -丝素的双组分结构,在纤维中大致平
行的层状排列,并提供两种不同的折射率。
蚕丝的光泽特点
? 整个反射光比较强,正反射光比较多,所以光
泽感强;
? 内部反射光的比例高,并具有一定的色散和衍
射反射效应,故光泽绚丽柔和;
? 透过光有可能形成全反射,因此有闪灿的光速
效果;
? 沿纤维表面反射光强度的分布比较整齐,故光
泽均匀。
2、纺织纤维的耐光性
? 耐光性:纺织纤维抵抗日光作用的性能。
? 常见纤维的耐光性比较
腈纶 >羊毛 >麻 >棉 >粘胶纤维 >涤纶 >锦纶 >蚕丝
3、光致发光
? 定义:纺织纤维在受到紫外线照射时,材料的
分子受到激发,会辐射出一定光谱的光,从而
产生不同的颜色,这种现象称为光致发光。
? 应用:用紫外线照射纤维,利用纤维的荧光颜
色来鉴别纤维
4、纤维的双折射和二向色性
? 双折射
光线投射到纺织纤维上时,除了在界面上产生反
射光反射外,进入纤维的光线被分解成两条折射
光。纺织纤维的这种光学性质称做双折射。偏振
光振动方向平行于纤维轴向的偏振光的折射率与
垂直方向的折射率之差叫双折射率。常用纤维的
双折射率为 -0.005~0.062。可利用纤维的双折
射率进行取向度、棉纤维成熟度等性能的测试。
(2)二向色性
? 指纤维对平行和垂直于纤维轴向的偏振光具有
不同的吸收性能。纤维束、蚕丝等纤维用某种
染料染色,并于纤维中沉淀金、铜、银等金属
之后,则当偏振光通过时,偏振光的振动面与
纤维轴平行或垂直时,就呈现不同的颜色,这
种现象称为二向色性。测定二向色性,可以定
量地求得纤维的取向度,也可以明了染料的配
置状态。
二、纺织材料热学、电学和光学性质的实际应用
? 玻璃化温度与熔点在产品加工及使用中的指
导意义
? 纺织测试中对影响纺织材料介电常数的因素
的应用及避免
? 纺织加工中静电现象的防止
? 研究与测定合成纤维的热收缩率在生产上的
用途
? 热定形在生产中和日常生活中的应用
1、玻璃化温度与熔点在产品加工
及使用中的指导意义
? 玻璃化温度用于指导产品加工中热定形
工艺的参数选择以及正确使用和保养;
熔点用于规定该纤维的使用温度上限。
2、纺织测试中对影响纺织材料介电常数的
因素的应用及避免
? 例如:电容式条干仪就是利用纱条长度方向上介
电常数的变化与线密度的变化具有一致性设计的,
而条干测量中则应使环境温湿度保持一定的稳定
性;微波烘燥设备则是利用纤维的介电常数与纤
维中水分的介电常数具有较大差异设计的。
3、纺织加工中静电现象的防止
? 提高车间的相对湿度
? 给纤维表面喷涂润滑性抗静电油剂等
4、研究与测定合成纤维的热收缩率
在生产上的用途
? 利用或避免热收缩性,以获得良好的加工及使
用性能,如生产中利用不同收缩率的纤维来生
产膨体纱、纯化纤呢绒等产品。
5、热定形在生产中和日常生活中的应用
? 生产中如毛纱的蒸纱定捻、织物的煮、蒸、烫呢等;
? 生活中熨烫衣物及为了不破坏定形效果常用干洗法清
洁衣物。
三,纺织材料热学、电学和光学性质的测试
? 合成纤维热收缩率的测定 (详见实验部分 )
? 纺织材料静电性能的测试 (详见实验部分 )
? 纺织材料保暖性的测定 (详见实验部分 )