纤维的表面性质
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? 鳞片的伪鳞脊现象较多，羊毛为1/1Baidu Nhomakorabea ，而兔毛约为1次。 ? 兔毛表面有极好的滑糯性，即其表面摩擦系数很小，主要原
因在于兔毛表面存在着一种粉状物质，为兔毛提供了优良的 使用性质，但也造成加工成网、成条、牵伸不良等困难。可 以采用浸酸腐蚀法、上纺纱油剂法和等离子体刻蚀法等，改 性纤维的可纺性。
(a) 羊毛
二、化学纤维的表面特征 1. 再生纤维
? 普通粘胶纤维有皮芯结构 ? Lyocell 纤维由于溶剂析出和拉伸取向的作用，表面具有
较多的原纤化结构，且原纤间的作用力弱，容易形成劈 裂而产生原纤化的毛茸，使纤维表面变得毛绒化。
2. 普通合成纤维
图6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM ）
? 合成纤维中熔体纺丝纤维：通常被认为是表面光滑、结 构均匀的圆柱体或异形截面杆状物；
(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
电子束
电子
中性 粒子
离子
二次电子 发射区
光子
背散射 电子区
特征 X射
电子 线产生区 吸收
图6-7 电子束激发的各类信息示意图
（1）表面组成分析 俄歇电子能谱（AES），二次离子质谱（SIMS），X射线光 电子能谱（XPS），分析深度在表面2nm左右。 （2）表面结构分析 低能电子衍射（LEED),反射型高能电子衍射（RHEED），扫 描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等等，其中 首推LEED，AFM（适合于高聚物材料）和STM（适合于金 属和无机材料） （3）表面形态分析 SEM，TEM ，AFM，STM等，主要是SEM和AFM （4）表面电子能态分析 XPS,UPS。 （5）表面性质分析
图6-2 A/B物质的界面层示意图
2. 表面能（表面自由能） 形成单位面积表面所消耗的功。
E ? ?G ? W ? ? ?l ? A
F
?A 肥皂液膜 (W=F ? l)
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： ?表面结构是表面的基础与本质，决定表面性质； ?表面性质是表面结构的外在行为表现； ?表面表征方法是认识表面结构、性质及其相互关系 的手段。
表6-2 常用表面分析方法名称及用途
探针 电子
表面分析方法
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
用途
激发粒子能量或分析深度
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
第六章 纤维的表面性质
纤维的表面性状与纤维集合体的加工和性能密切相关
表6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比
材料
1m直径的圆柱体 1mm 直径的圆柱体 纤维(1～100? m) 纳米材料 (10～100nm)
体积比
(4～6)×10-9 (4～6)×10-6 (4～6)×10-4 0.36 ～0.52
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
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。
?纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的 ?表面的结构和形态是不稳定的
表层厚度 表面轮廓
粒子
图6-1 表面结构、形态及相互作用
LA
界
面 层
LAB
LB
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
? 兔毛纤维鳞片花纹与纤维轴夹角一般小于45o，而羊毛一般 为80 －90 o。
? 鳞片条纹平行排列且伸直程度高，呈直线条纹。且有表层粉 状物质的介入，因而兔毛表面的差微摩擦效应极不明显。
图6-8 棉纤维的表面形态
2. 麻纤维
苎麻纤维表面有许多微细沟槽和残余果胶，使苎麻表面变得 粗糙，这是苎麻刺痒的另一原因。
3. 毛发类纤维
(1) 羊毛纤维 ? 伪棱脊 ? 鳞纹
鳞片外形轮廓以及鳞片的伪鳞脊是构成羊毛表面鳞片花纹的 主要原因。通常羊毛的细度越细，其表面的鳞片度越高，鳞 片重叠数越多、厚度越厚，鳞片的环状完整性也越高。
(b) 兔毛 图6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（SEM）
（3）羽绒纤维
羽绒纤维表层结构是排列规整的原纤，相互紧挨着绕纤维 外层一圈，表面存在依稀可见的明亮的“膜层”，这种结 构可能是很细的羽绒仍能挺直的原因。
图6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)
（4）蚕丝纤维
蚕丝的表层结构和羽绒纤维相似，也是表层一排原纤紧密 排列一周。但蚕丝在表层呈层状结构，因此提供了很好的 光反射、折射和投射效果。蚕丝的表面还有丝胶及微细沟 槽，以及一些毛丝，使纤维具有纵向滑爽、横向略糙的特 性，纤维在交叉移动时，有丝鸣现象。
表面元素分析
E0>500eV
表面结构、轮廓和成分 <10nm
4. 纤维表面改性
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
棉纤维表面分布着微小的突起条纹（棱脊状条纹），是棉纤 维交叉移动时轻微跳动和铮铮做响的主要原因，影响纤维的 可纺性，特别是在动态滑移过程中，其作用尤为重要。微条 纹产生的起皱表面结构，有利于纤维的点接触，而且是柔性 点接触，使纤维耐疲劳和磨损，并不涩不沾。
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 <10nm
光子
紫外光电子能谱 UPS 电子束缚能，吸附态 X射线光电子能谱 XPS 电子能态表面吸附
深度 1.0-5.0nm 深度 1.0-5.0nm
离子
二次离子质谱 SIMS
“探针” 原子力显微镜 AFM
1. 纤维表面结构内涵 (1) 表面厚度
（2）表面形态 （3）表面组成 （4）表面结构（聚集态结构）
图6-4 AFM 的表面原子像
2. 纤维表面所涉及的基本物理性质
（1）摩擦性能 （2）浸润性能 （3）热学性能 （4）光学性能 （5）电学性能 （6）力学性能劣化
纤维 孔
表
洞
面 BA
缺
裂
陷
口
裂隙
(a)
因在于兔毛表面存在着一种粉状物质，为兔毛提供了优良的 使用性质，但也造成加工成网、成条、牵伸不良等困难。可 以采用浸酸腐蚀法、上纺纱油剂法和等离子体刻蚀法等，改 性纤维的可纺性。
(a) 羊毛
二、化学纤维的表面特征 1. 再生纤维
? 普通粘胶纤维有皮芯结构 ? Lyocell 纤维由于溶剂析出和拉伸取向的作用，表面具有
较多的原纤化结构，且原纤间的作用力弱，容易形成劈 裂而产生原纤化的毛茸，使纤维表面变得毛绒化。
2. 普通合成纤维
图6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构（SEM ）
? 合成纤维中熔体纺丝纤维：通常被认为是表面光滑、结 构均匀的圆柱体或异形截面杆状物；
(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
电子束
电子
中性 粒子
离子
二次电子 发射区
光子
背散射 电子区
特征 X射
电子 线产生区 吸收
图6-7 电子束激发的各类信息示意图
（1）表面组成分析 俄歇电子能谱（AES），二次离子质谱（SIMS），X射线光 电子能谱（XPS），分析深度在表面2nm左右。 （2）表面结构分析 低能电子衍射（LEED),反射型高能电子衍射（RHEED），扫 描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等等，其中 首推LEED，AFM（适合于高聚物材料）和STM（适合于金 属和无机材料） （3）表面形态分析 SEM，TEM ，AFM，STM等，主要是SEM和AFM （4）表面电子能态分析 XPS,UPS。 （5）表面性质分析
图6-2 A/B物质的界面层示意图
2. 表面能（表面自由能） 形成单位面积表面所消耗的功。
E ? ?G ? W ? ? ?l ? A
F
?A 肥皂液膜 (W=F ? l)
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： ?表面结构是表面的基础与本质，决定表面性质； ?表面性质是表面结构的外在行为表现； ?表面表征方法是认识表面结构、性质及其相互关系 的手段。
表6-2 常用表面分析方法名称及用途
探针 电子
表面分析方法
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
用途
激发粒子能量或分析深度
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
第六章 纤维的表面性质
纤维的表面性状与纤维集合体的加工和性能密切相关
表6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比
材料
1m直径的圆柱体 1mm 直径的圆柱体 纤维(1～100? m) 纳米材料 (10～100nm)
体积比
(4～6)×10-9 (4～6)×10-6 (4～6)×10-4 0.36 ～0.52
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
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。
?纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的 ?表面的结构和形态是不稳定的
表层厚度 表面轮廓
粒子
图6-1 表面结构、形态及相互作用
LA
界
面 层
LAB
LB
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
? 兔毛纤维鳞片花纹与纤维轴夹角一般小于45o，而羊毛一般 为80 －90 o。
? 鳞片条纹平行排列且伸直程度高，呈直线条纹。且有表层粉 状物质的介入，因而兔毛表面的差微摩擦效应极不明显。
图6-8 棉纤维的表面形态
2. 麻纤维
苎麻纤维表面有许多微细沟槽和残余果胶，使苎麻表面变得 粗糙，这是苎麻刺痒的另一原因。
3. 毛发类纤维
(1) 羊毛纤维 ? 伪棱脊 ? 鳞纹
鳞片外形轮廓以及鳞片的伪鳞脊是构成羊毛表面鳞片花纹的 主要原因。通常羊毛的细度越细，其表面的鳞片度越高，鳞 片重叠数越多、厚度越厚，鳞片的环状完整性也越高。
(b) 兔毛 图6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（SEM）
（3）羽绒纤维
羽绒纤维表层结构是排列规整的原纤，相互紧挨着绕纤维 外层一圈，表面存在依稀可见的明亮的“膜层”，这种结 构可能是很细的羽绒仍能挺直的原因。
图6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)
（4）蚕丝纤维
蚕丝的表层结构和羽绒纤维相似，也是表层一排原纤紧密 排列一周。但蚕丝在表层呈层状结构，因此提供了很好的 光反射、折射和投射效果。蚕丝的表面还有丝胶及微细沟 槽，以及一些毛丝，使纤维具有纵向滑爽、横向略糙的特 性，纤维在交叉移动时，有丝鸣现象。
表面元素分析
E0>500eV
表面结构、轮廓和成分 <10nm
4. 纤维表面改性
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
棉纤维表面分布着微小的突起条纹（棱脊状条纹），是棉纤 维交叉移动时轻微跳动和铮铮做响的主要原因，影响纤维的 可纺性，特别是在动态滑移过程中，其作用尤为重要。微条 纹产生的起皱表面结构，有利于纤维的点接触，而且是柔性 点接触，使纤维耐疲劳和磨损，并不涩不沾。
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 <10nm
光子
紫外光电子能谱 UPS 电子束缚能，吸附态 X射线光电子能谱 XPS 电子能态表面吸附
深度 1.0-5.0nm 深度 1.0-5.0nm
离子
二次离子质谱 SIMS
“探针” 原子力显微镜 AFM
1. 纤维表面结构内涵 (1) 表面厚度
（2）表面形态 （3）表面组成 （4）表面结构（聚集态结构）
图6-4 AFM 的表面原子像
2. 纤维表面所涉及的基本物理性质
（1）摩擦性能 （2）浸润性能 （3）热学性能 （4）光学性能 （5）电学性能 （6）力学性能劣化
纤维 孔
表
洞
面 BA
缺
裂
陷
口
裂隙
(a)