第六章纤维的表面性质

逆 >顺
顺
拉伸
A
拉伸 回缩 F顺小
A' F逆大
逆
强作用，且 大
A'' 移动量
图6-22 羊毛差微摩擦效应
图6-23 羊毛毡缩过程示意图
毡化（毡缩性）：羊毛纤维在热、湿、机械综合 作用下，向根部方向移动，纤维相互穿插、纠缠 并越收越紧，最终形成毡制品。
羊毛集合体的毡化就是由差微摩擦效应，加上羊 毛的高弹性伸长率和促进羊毛弹性伸长与回复的 热、湿、机械综合作用完成的。
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。
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。
摩擦系数
硬体 软体
O
粗糙度r
图6-18 摩擦系数μ与粗糙度r的关系
（6） 纤维外观形态及表面附着物的影响
(纤维截面形状与卷曲) （抱合力）
（7） 环境温湿度的影响
2. 粘－滑现象
纤维间相对低速滑移时，会发生时而保持不动（粘）， 纤维产生变形或同向移动；时而又相对快速滑移（滑），这 种现象称为粘－滑现象。
LB
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。
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(1～100m) 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
(a) 对 称 摩 擦
图6-21 纤维的对称和非对称摩擦示意图
（2） 不同方向的摩擦
差微摩擦效应：羊毛纤维特有的现象，即顺鳞片 摩擦的摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数；（摩擦的各
向异性）
根本原因是羊毛鳞片的棘齿形态。这也是导致羊 毛具有毡缩性的必要条件。
=T =R
逆鳞片 梢 (T) 逆 弱作用， ＝ 0 顺鳞片 根 (R) 顺 顺 逆
dS T T0 m T1 m T0
R
T1 (b)绞盘法原理
d
T+dT
F (a)绞盘法机构
图6-24 绞盘法测量原理示意图
（2）抽拔法
F0f (F f)
F = dl 单纤维 F 剪应力 F =dl l 微粘结点 d
L N (a)
N
(b)
图6-25 纤维抽拔法实验原理
（3）刮动法
SV SL cos LV
接触角：气-液切面与固-液界面间 含液体的夹角。
表6-4 平衡浸润的几种形式
θ θ＝ 0 ° 0<θ<90 可否浸润 完全浸润 可浸润 cosθ 1 0 状态 或称铺展 正浸润
θ=90
90θ180 θ=180
无浸润
不可浸润 完全不浸润
表6-2 常用表面分析方法名称及用途
探针 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 紫外光电子能谱UPS X射线光电子能谱XPS 二次离子质谱SIMS 原子力显微镜AFM 用途 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 电子束缚能，吸附态 电子能态表面吸附 表面元素分析 表面结构、轮廓和成 分 激发粒子能量或分析深度
电子
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
深度 1.0-5.0nm 深度 1.0-5.0nm
光子 离子 “探针”
E0>500eV
<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。
大多测试段
D
流体润滑 边界润滑 O v
图6-17 滑动速度v与摩擦系数μ的关系
在高速摩擦时会发生：
s D
（2） 表观接触面积的影响
F N A
（3） 正压力的影响
F N n 或 F N bN c
（4） 表面粗粗度的影响
r
A实际 A表观
（5） 表面硬度的影响
(a) 羊毛
(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。
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
产生粘－滑现象的本质原因是纤维的静、动摩擦力或静、 动摩擦系数的差异所致。是纤维产生“丝鸣”的根本原因。 粘－滑现象受相对移动速度的影响，当相对移动速度大 于0.1m/min时消失。
F 弹簧 下移动板 (a) v O x (b) F 上滑动块 (FS ,FD) FS FD
图6-19 粘－滑过程及摩擦力曲线
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 图6-9 羊毛纤维表面的鳞纹
（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80－90o。 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。 鳞片的伪鳞脊现象较多，羊毛为1/10，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)
(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 二次电子 发射区 电子 吸收 特征 X射 线产生区 离子 光子 背散射 电子区
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
锦纶与锦纶 羊毛与羊毛 顺鳞片方向 逆鳞片方向 同纤维方向 顺鳞片方向 逆鳞片方向 顺鳞片方向
0.35
0.47 0.13 0.61 0.21 0.11 0.39 0.26
0.26
0.40 0.11 0.38 0.15 0.09 0.35 0.21
羊毛与粘胶
羊毛与锦纶
逆鳞片方向
0.43
0.35
S
二、摩擦机理与测量
1. 纤维的摩擦机理
摩擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的现象；
从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用， 在切向外力作用下产生剪切和分离的过程；
从宏观形态看，是两接触物体间的碰撞、挤压和错位；
实际纤维间的摩擦，是宏观和微观作用的综合。
2. 纤维摩擦性质的测量 （1）绞盘法
图6-13 腈纶纤维的表面形态与结构（SEM）
三、表面改性和高性能纤维的表面特征
1. 纤维粗糙化改性
图6-14 羊毛的等离子体刻蚀处理表面（SEM）
2. 纤维表面柔软化改性 柔软剂，表面涂覆改性：改善纤维表面摩擦性能
3. 合成纤维的丝光改性
图6-15 涤纶的丝光处理表面（SEM）
4. 高性能纤维的表面特征
二、化学纤维的表面特征 1. 再生纤维