第二章 纤维的形态特征及表征

第二章纤维的结构特征纤维是一种由有机或无机物所组成的细长物质，具有高强度、高模量和高延伸性等特点，广泛应用于纺织、建筑、医疗和航空等领域。

纤维的结构特征对其力学性能、吸湿性能和耐久性能等方面都有重要影响。

本章将介绍纤维的结构特征，包括纤维的形态结构、化学结构和晶体结构等方面。

1.纤维的形态结构纤维的形态结构主要包括纤维的形状、尺寸和表面特征等方面。

纤维的形状可以分为长纤维和短纤维两种。

长纤维一般指长度大于10mm的纤维，如天然纤维中的棉纤维和麻纤维等；短纤维一般指长度小于10mm的纤维，如化学纤维中的涤纶和尼龙等。

纤维的尺寸一般通过直径和长度来描述，直径一般在0.001-0.06mm之间，长度则根据纤维的用途而有所不同。

纤维的表面特征可以分为光滑、粗糙和多孔等类型，不同的表面特征对纤维的力学性能和吸湿性能有重要影响。

2.纤维的化学结构纤维的化学结构主要由纤维素、蛋白质、聚合物和无机物等组成。

纤维素是主要存在于植物纤维中的一种天然高分子化合物，由葡萄糖分子通过β-1,4-吡喃糖苷键结合而成，具有良好的机械强度和吸湿性能。

蛋白质是主要存在于动物纤维中的一种生物大分子化合物，由氨基酸通过肽键结合而成，具有较好的延展性和柔软性。

聚合物是由合成纤维中的单体分子通过化学反应而形成的聚合体，如涤纶和尼龙等。

无机物是指存在于纤维中的无机成分，如金属离子和无机盐等，对纤维的颜色和耐久性有重要影响。

3.纤维的晶体结构纤维的晶体结构主要由无序区和有序区两部分组成。

无序区指纤维结构中没有明显规则排列的部分，包括无规则卷曲和断裂等；有序区指纤维结构中存在明显规则排列的部分，包括晶核、晶体和晶须等。

纤维的晶体结构对其力学性能、吸湿性能和耐久性能等方面都有影响。

晶体结构的形成和稳定性主要受到纤维的化学组成、加工方式和纤维之间的相互作用等因素的影响。

总之，纤维的结构特征对其功能性能和应用性能具有重要影响。

了解纤维的形态结构、化学结构和晶体结构等方面，可以为纤维的设计和应用提供科学依据，有助于提高纤维的性能和功能。

第二章纺织纤维及其形态结构特征纤维是一种细长而柔软的材料，在自然界中具有这种特定形态的素材无处不在。

例如，动物身上的毛纤维、桑蚕吐出的蚕丝、蜘蛛编网的蜘蛛丝、棉花苞中的棉纤维等材料都具有这种特征。

细长而柔软的纤维与纤维会自然地集合、纠缠在一起，也会在外力或人工的作用下堆积、排列、取向，构成不同的纤维集合体，如纤维团、纤维网、纱线、绳索、织物、服装、包装袋、传送带等形形色色的纺织品。

纤维也可以与其他类型的物质材料一起构成具有两相结构的复合材料。

在生物体中也有大量的纤维存在，如蔬菜、木材中的纤维素，人体中的基因、神经，光导纤维在构筑Internet网络世界中也发挥了重要的作用。

在本章中我们重点介绍能够用于纺织加工的纤维材料。

第一节纤维的定义及分类一、纤维的定义纤维是一种细长而且柔软的材料，它的直径较细，为几微米或几纳米，长度则为几毫米、几十毫米甚至上千米，细而长是纤维材料的主要几何形状特征。

纤维还必须具有一定的模量、断裂强度、断裂伸长等力学性能。

纤维同时还是一种柔软的材料。

根据上述分析，纤维可以简单地定义为细长且具一定力学性能的柔性材料。

从广义的角度来看，纤维作为具有特定形状特征的材料普遍地出现在食品、生物材料、复合材料等各类材料中。

从纺织工业（狭义）的角度来看，纤维材料主要是指能在纺织工业体系中加工并用于纺织产品生产的纤维，也称为纺织纤维材料，或简称为纺织材料。

在本书中，“纤维材料”的含义与“纺织纤维材料”“纺织材料”意义基本等同，主要是指可进行纺织加工、用于制作纺织品的纤维材料，一般须满足以下条件：①满足纺织产品使用功能的要求；②具有某些特定的物理和化学性能，可以进行物理和化学的加工；③生产成本较低，产量较大，能以较低的价格大量地供应纺织工业生产。

二、纤维的分类纤维的种类很多，也有多种不同的分类方法。

如果根据纤维的使用范围和场所来分类，可以分为服用纤维、家用（装饰用）纤维和产业用纤维。

如果根据纤维的性能和功能来分类，可以分为常用纤维、高性能纤维和功能纤维。

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。

大分子基原纤微原纤图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。

第二章纤维的结构特征固态物质的结构有简单、有复杂，如均匀简单结构的玻璃、金属、塑料等，多为人工作为的结果；而天然纤维、生物体乃至人工作为的化学纤维、微米或纳米结构的微机械系统（MEMS 、NEMS）结构极为复杂。

其中纤维的结构是相当复杂的，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。

本章介绍纤维的基本结构及典型纤维的结构特征。

第一节纤维的基本结构和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。

分别涉及形态学、物理学和化学。

特别是现有的形态观察已逼近微观的分子尺度，即化学家们讨论的对象。

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。

诸如纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在纤维中的各种裂隙和孔洞。

一般将形态结构按尺度和部位分为表观形态、表面结构和微细结构三类。

表观形态，主要讨论纤维的外观的宏伟形状和尺寸，包括纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等。

表面结构，主要涉及纤维表面的形态及表层的构造，是微观形态和尺度的问题，微细结构，是指纤维内部的有序区（结晶或趋向排列区）和无序区（无定形或非结晶区）的形态、尺寸和相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。

由于显微观察术的发展，微细结构的尺度已覆盖了纤维晶区的的一般尺寸（20~200nm ），并可达到1nm 尺度，甚至0.1nm（A 0级）。

因此，聚集态结构和分子结构的内容，已可或将可在以观察学为基础的纤维微细结构中讨论。

纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状物质，统称为原纤（fibril），故纤维微细结构的主题内容是纤维的原纤结构与排列。

2、纤维的原纤结构（1）原纤的结构特征纤维中的原纤是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。

2纤维的结构特征（1）第⼆章纤维的结构特征纤维结构：组成纤维的结构单元相互作⽤达到平衡时在空间的⼏何排列。

⼤分⼦结构（链结构，微观）：①近程结构：化学组成、单基结构、端基组成；②远程结构：聚合度及其分布、⼤分⼦构象、⼤分⼦链柔曲性等；超分⼦结构（聚集态结构）：晶态、⾮晶态、结晶度、晶粒⼤⼩、取向度、侧序分布等；形态结构（最为直观）：表观形态（纤维的长度、粗细、截⾯形状和卷曲或转曲等）、表⾯结构（表⾯的形态、构造）、微细结构（原纤结构与排列）。

形态学物理学化学⼀、纤维的形态结构—微细结构，原纤结构纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元⼤多为细长纤维状的物质，统称为原纤(fibril)原纤(fibril)：⼤分⼦有序排列的结构，或称结晶结构。

微细结构：纤维内部的有序区(结晶区或取向排列区)和⽆序区(⽆定形或⾮结晶区)的形态、尺⼨和相互间的排列与组合，及细胞构成与结合⽅式。

基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞（⽑⽆）（棉⽆）（化纤⽆）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显微镜下能被直接观察到的结构。

包括：表观形态、表⾯结构和微细结构。

微原纤的堆砌形式⽰意图基原纤(proto-fibril)：⼀般由⼏根以⾄⼗⼏根长链分⼦，互相平⾏或螺旋状地按⼀定距离、相位稳定地结合在⼀起的⼤分⼦束，直径为1～3nm(10～30?)，具有⼀定的柔曲性。

原纤中最⼩、最基本的结构单元，亦称晶须。

微原纤(micro-fibril)：由若⼲根基原纤平⾏排列组合在⼀起粗⼀点的，基本上属结晶态的⼤分⼦束，称微晶须，直径⼤约4～8nm(40～80?)，个别⾼达100nm基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞原纤(fibril)：⼀统称，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，直径10～30nm。

往往会出现晶区和⾮晶不规则交替的状态。

巨原纤(macro-fibril)：由多个微原纤或原纤堆砌⽽成的结构体。