纤维基础知识 主讲人：李海祥 www.378700000.com

几个概念 纤维（fiber）：凡是直径数微米到数十微米或略粗些，长度比直径大许多倍（上千倍甚至更多）的物体，一般都称作纤维。 www,378700000.com 几个概念 纤维（fiber）：凡是直径数微米到数十微米或略粗些，长度比直径大许多倍（上千倍甚至更多）的物体，一般都称作纤维。 1 2 纺织纤维（textile fiber）：在纤维概念的基础上，具有一定的强度、一定的可挠性和互相纠缠抱和性能和其他服用性能而可以生产纺织制品（如纱线、绳带、机织物、针织物等）的，叫做纺织纤维。 3 纺织材料（textile material）:纺织工业所使用的纤维原料（纺织纤维）及其加工织造的半成品（条子、粗纱等）、制品（纱线、机织物、针织物、编结物、非织造布等）统称为纺织纤维材料，简称纺织材料。

纺织纤维分类

1.天然纤维 天然纤维 ：自然界直接获得的纤维。 （1）植物纤维，又称天然纤维素纤维（因为主要组成物质是纤维素）： a.植物种子上获得的纤维，如棉、木棉等； b.植物果实上获得的纤维，如椰子纤维； c.植物茎杆韧皮中获得的纤维，如棕榈鬃、竹原纤维； d.由植物叶中获得的纤维，如剑麻，蕉麻，凤梨麻（菠萝麻）等。

a.动物毛发：绵羊毛、山羊绒、骆驼绒、兔毛、牦牛毛、羊驼毛、驼马毛等； （2）动物纤维，又称天然蛋白纤维（因为只要成分是蛋白质）： a.动物毛发：绵羊毛、山羊绒、骆驼绒、兔毛、牦牛毛、羊驼毛、驼马毛等； b.昆虫腺分泌物取得的纤维：桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝、木薯蚕丝、蜘蛛丝等；

（3）矿物纤维，又称天然无机纤维（因为主要组成物质是无机的金属硅酸盐类）

2.化学纤维：由人工加工制造成的纤维状物体； （1）人造纤维或再生纤维：由天然聚合物或失去纺织加工价值的纤维原料，经人工溶解或熔融再抽丝制成的纤维。 a.再生纤维素纤维：粘胶纤维（普通粘胶纤维、强力粘胶纤维、高湿模量粘胶纤维等）、铜氨纤维、醋酯纤维、莫代尔、天丝、竹浆纤维等；

b.再生蛋白质纤维：各种天然蛋白质产品经提纯、溶解、抽丝制成的纤维，如牛奶蛋白纤维、大豆蛋白纤维、花生蛋白纤维、再生猪毛纤维等； c.人造特种有机化合物纤维：甲壳素纤维、海藻胶纤维等； d.人造无机纤维：玻璃纤维、金属（金、银、铜、镍、不锈钢等）纤维、碳纤维、岩石纤维等；

（2）合成纤维：由小分子化合物经人工合成有机聚合物后，再溶解或熔融成液体后抽拔成的纤维。

纱线（fiber）：由纤维制成纱线...... 普通纱线（短纤纱）：用较短的纤维利用纺纱的方法（环锭纺、气流纺、涡流纺等），使纤维排列、加捻形成连续的细长物体。按结构可分为单纱和股线。 长丝纱：天然的长纤维（蚕丝）或化学纤维连续纤维的单根（称为单丝）或多根并合（成为复丝）制成的连续物体。 其它的新型纱线：花色线、包芯纱、膨体纱等等；

织物：由纺织纤维和纱线所制成的扁平柔软而有一定力学性质和厚度的制品。 机织物（梭织物）：用两组纱线（经和纬），互相垂直交织成的片状纺织品。 针织物：用一组或多组纱线，彼此成圈编连在一起的制品。（纬编和经编） 编结物：用一组或多组纱线，用本身之间或相互之间钩编串套或打结的方法形成片状的织物，如花边、窗帘装饰织物等； 非织造布（无纺布）：毡制品、热熔粘合制品、针刺制品、缝合制品等。

天然纤维素纤维

棉——cotton——C 分类 按品种分 a.陆地棉，又称细绒棉，因最早在美洲大陆种植而得名。数量最多的品种，我国绝大多数属于这类。 b.海岛棉，又称长绒棉，原产美洲西印度群岛，后传入北美东南沿海岛屿种植而得名。我国较少。还有著名的埃及长绒棉。 c.亚洲棉，又称粗绒棉，原产于印度，由于纤维较粗短，近年来为陆地棉取代。 d.非洲棉，又称草棉，原产于非洲，类似于亚洲棉，已渐淘汰。

丝光棉——Mercerized cotton 按照两道丝光工艺划分，丝光棉既可指经过纱线丝光工艺处理过的棉纱线，也可指经过面料丝光处理过的棉面料。 纱线丝光：指棉纱线在有张力的情况下，经过浓烧碱的处理，使其既具有棉原有的特性，又具有丝一般光泽的一类特殊的棉纱线。

面料丝光：指棉面料在有张力的情况下，经过浓烧碱的处理，使面料光泽度更佳、更挺括、保型性更好。 丝光棉选用的棉花原料较为高档，丝光棉一般选用新疆长绒棉、美国PIMA棉、埃及长绒棉作为原料，其中最好是埃及长绒棉。

皮马棉—— pima cotton 一种超长纤维的一般叫法。美国的长绒棉叫做皮马棉，又叫比马棉。 比马棉同陆地棉最根本的区别在于纤维的长度和强度。

有机棉（生态棉、生物棉）与彩色棉

天然彩棉（color cotton）

彩棉服装目前为什么以棕色、绿色为基色进行搭配？ 据专家们预测，在21世纪初，棕色、绿色将是服装的流行色。它体现着生态、自然、休闲、时尚趋势。彩棉服装除棕、绿色外。现在正在逐步开发兰、紫、灰红、褐等色彩的服装品种。

“黑心棉” 一般包括纤维性工业下脚料、医用纤维性废物、再生纤维性物质、废旧服装及其他废旧纤维制品等物质。这些被用来加工的原材料均不合乎国家有关标准。 　　 黑心棉的危害黑心棉主要危害在于短棉絮超标以及原料中掺杂工业废料。

木棉——kapok

木棉纤维短而细软，无拈曲，中空度高达86%以上，远超人工纤维（25%－40%）和其他任何天然材料，不易被水浸湿，且耐压性强，保暖性强，天然抗菌，不蛀不霉，可填充枕头、救生衣。

麻纤维——hemp fiber 是从各种麻类植物中取得的纤维的统称。包括一年生或多年生草本双子叶植物的韧皮纤维和单子叶植物的叶纤维。

韧皮纤维：品种较多，纺织上采用也较多，经济价值比较大的有苎麻、亚麻、黄麻、洋麻、大麻等，这类纤维质地柔软，适宜于纺织加工。

亚麻纤维纵横向照片 黄麻纤维纵横向照片 大麻纤维纵横向照片 苎麻纤维纵横向照片

第二部分：天然蛋白质纤维

毛纤维

羊毛——wool——W 羊毛纤维柔软而富有弹性，可用于制作呢绒、绒线、毛毯、毡呢等生活用和工业用的纺织品。羊毛制品有手感丰满、保暖性好、穿着舒适等特点。 纺织用毛纤维，最大量的是绵羊毛，通称羊毛。 澳毛：澳大利亚是世界上最大的产毛国。

山羊绒——cashmere：强伸度和弹性变化比绵羊好，具有细、轻、柔软、保暖性好等优良性能。一般用作羊绒衫，高档产品。 马海毛——安哥拉山羊毛——mohair ：得名于土耳其语，意为“最好的毛”。用作提花毛毯，顺毛大衣呢高光泽毛织物的理想原料。

兔毛——rabbit ：分普通兔毛和安哥拉兔毛。 兔毛很柔软，冬天穿很保暖，一般对毛衣过敏的人，是不会对兔毛过敏的，市场上兔毛做的毛衣，不是很贵，价钱很合理，但提醒广大消费者，假兔毛和真兔毛柔软度相差很大。

骆驼绒——camel cashmere ：骆驼有单峰驼和双峰驼之分，毛品质以双峰驼较好，单峰驼纤维质量较差，无纺纱价值。去掉粗毛后的驼绒可织造高级粗纺织物，毛毯和针织品，御寒保暖性很好。 牦牛毛——yak hair ：牦绒毛手感柔软、滑腻、可与羊毛、化纤、绢丝等混纺做精纺、粗纺原料。牦牛毛可作衬垫织物、帐篷及毛毡等。

羊驼毛——alpaca ：产自 秘鲁等南美国家。比马海毛更柔软而富有光泽，手感特别滑糯，多用于 夏季服装，衣里料等。略次于羊绒衫

天 然 丝

蚕丝——silk

桑蚕丝纤维纵横向照片 柞蚕丝纤维纵横向照片

绢纺 绢纺原料来源广泛，是养蚕业、缫丝和丝织业的副产品，疵茧废丝。但是仍为贵重的纺织原料，经过绢纺加工，可制成高支绢丝，结构紧密，条干均匀，外观洁净，光泽好，适于织造轻薄型高档绢丝，绢纺工艺中的落棉可以制成支数较低的细丝，是织造柔软、保暖性好的内衣原料。

蜘蛛丝 丝产品以其迷人的美丽和奢华的品质而著称。蜘蛛和蚕一样属于节肢动物，但是蚕是六足昆虫动物的幼虫，而蜘蛛是八足蛛形纲动物的成虫。在显微镜下观察，蜘蛛丝与蚕丝非常相似，都是实心、透明、没有内部结构，但是蜘蛛丝的横截面是圆形，而蚕丝是三角形。蜘蛛丝在水中横截面会明显膨胀，而纵向则收缩。

蜘蛛丝应用 生物医学方面 军事方面 高强度材料方面 蜘蛛丝的局限

蜘蛛丝的局限 蜘蛛丝不易获得。蜘蛛是地域性的食肉动物，如果把他们放在一起，他们会吃掉对方，尽管是蚕丝相比，蜘蛛丝的强力和人性体现了及其优越的性能，但蜘蛛不能大量养殖而且他们也不会把牵引丝吐在便于收集的茧里。

矿物纤维之石棉 石棉纤维对人体危害相当大，已极少用于服装。不作叙述。

纤维材料的内部结构

1、纤维结构的一般特征 取向度和结晶度 取向度和结晶度 大分子折叠结晶 较低纤维结构 较高纤维结构 纤维结构 纤维修正穗边微束结构模型的示意图

可以看出，纤维是由成千上万根线性长链大分子组成，这些大分子局部排列整齐，他处排列紊乱； 整齐排列区构成结晶区，紊乱排列部分为非晶区； 在结晶区中，数根大分子以某种形式进行较整齐并且沿晶粒长度方向上平行排列，在两个结晶区之间，由“缚结分子”进行连接，并由缚结分子进行无规则地排列形成紊乱的非晶区（无定形区）。 每一根大分子可能间隔地穿越几个结晶区和非结晶区，靠大分子之间的结合力以及大分子之间的缠结把大分子相互联结在一起，又靠穿越两个以上结晶区的缚结分子把各结晶区联系起来，并由组织结构比较疏松紊乱的非晶区把各结晶区间隔开来，使纤维形成一个疏密相间而又不散开的整体。

纤维中大分子的排列方向与纤维长度方向（轴向）呈现一定的取向。从总体上讲，纺织纤维是由结晶区和非晶区构成的混合体。 宏观上，上述结构特征可以从两个方面进行表征： （1）纺织纤维中结晶区的大小占纤维的比例，通常用纤维的结晶度表达； （2）大分子的排列方向与纤维轴向符合程度，用纤维的取向度表达。

2、纤维的结晶态结构 （1）结晶结构形态 纤维中的结晶区是由晶体构成，晶体是纤维大分子按照规则的三维空间点阵结构进行周期性有序排列所形成的结构体，其中构成晶体的最小单元为晶胞，也就是说晶体是由晶胞的周期性重复构成的。 晶胞的形态和大小，可用三维立体结构中的三个边的长度a、b、c以及三个边之间的夹角α、β、γ六个参量来表征，这些参数通常称为晶格常数，如图1-4 所示（边长c的方向一般是纤维长度轴方向）。 目前已发现纤维高聚物中共有七个典型的晶胞结构，其结构参数列举在表1-4中。

七大晶系和十四种空间点阵 七大晶系： 1.三斜晶系：a≠b≠c，α≠β≠γ≠ 90° 2.单斜晶系：a≠b≠c，α＝γ＝90°≠β 十四种空间点阵(参考下面):

三斜：简单三斜 单斜：简单单斜 底心单斜

正交：简单正交 底心正交 体心正交 面心正交

四方：简单四方 体心四方

立方：简单立方 体心立方 面心立方

六方：简单六方 菱方：简单菱方

原子的结构    近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的，原子的体积很小，直径约为10-10 m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15 m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.67×10-24 g，而电子的质量约9.11×10-28 g，仅为质子的1/1836。

描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。    多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。 从内到外，依次为K壳层(n=1)，L壳层(n=2)，M壳层(n=3)。例如Na的原子结构

原子间的键合 1.2.1 金属键 金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。       金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 金属键与金属晶体

离子键 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。      一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。 © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 离子键与离子晶体

共价键 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键就是共价键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。      共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。 © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 共价键与原子晶体

范德华力 它是属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。 氢键 它是一种特殊的分子间作用力（图1.8）。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。

3、纤维的取向结构 由于大分子链为细而长的结构形式，其长度与宽度比为几千甚至上万倍，因此，纤维中大分子链、链段和晶体的长度方向沿着纤维的几何轴向呈现一定夹角排列，这种排列方式称为纤维大分子的取向排列。 取向后的纤维的凝聚态结构称为取向态结构。

上式中θ为大分子链节排列方向与纤维几何轴线之间的夹角，cos2θ为平均取向因子。 大分子排列方向与纤维几何轴向符合的程度称为取向程度。 取向程度可用取向度或取向因子指标表达，定义为： 上式中θ为大分子链节排列方向与纤维几何轴线之间的夹角，cos2θ为平均取向因子。 例如，当大分子排列与纤维轴平行时，θ=0°，f=1.000，表示完全取向；当大分子排列与纤维轴垂直时，θ=90°，f=-0.500；当f=0.000时，θ=54.74°。

5、纤维的原纤结构 根据显微分析方法对纤维结构的观察，从高聚物大分子排列堆砌组合形成纤维，经历了多级微观结构层次，且该微观结构表现为具有不同尺寸的原纤结构特征。 一般认为纤维中包含了大分子、基原纤、微原纤、原纤、巨原纤、细胞、纤维等结构层次。 其各级原纤结构特征有以下几点。

（1）基原纤（proto fibril或elementary fibril） 通常由几根或十几根直线链状大分子，按照一定的空间位置排列，相对稳定地形成结晶态的大分子束。 其形态可以是伸直平行排列，也可以是螺旋状排列，取决于大分子的组成结构特征。 基原纤的结构尺寸为1～3nm(10～30Å),是原纤结构中最基本的结构单元。

(2)微原纤（microfibril） 由若干根基原纤平行排列结合在一起的大分子束。 微原纤内一方面靠相邻基原纤之间的分子间力联结，一方面靠穿越两个基原纤的大分子将两个基原纤连接起来。 在微原纤内，由于基原纤之间存在一些缝隙和孔洞。 微原纤的横向尺寸一般为4-8nm(40-80Å)，也有大到100nm。

（3）原纤（fibril） 由若干根基原纤或微原纤基本平行排列结合在一起形成更粗大些的大分子束。 原纤内，由于两基原纤或微原纤靠“缚结分子”连接，因此造成比微原纤中更大的缝隙、空洞，并已有非结晶区存在。在这些非晶区内，可能存在一些其他分子的化合物。 原纤中基原纤或微原纤之间也是依靠相邻分子之间分子结合力和穿越“缚结分子”进行联结的。 原纤的横向尺寸为10-30nm(100-300Å)。

（4）巨原纤（macrofibril） 是由原纤基本平行堆砌得更粗大的结构体。 在原纤之间存在比原纤内更大的缝隙、空洞和非晶区，各原纤之间的联结主要靠穿越非晶区的大分子和一些其它物质。 巨原纤的横向尺寸一般约0.1-1.5μm。

（5）细胞 是构成生物体的单元，包括细胞壁和细胞内物质组成，细胞壁由巨原纤或微原纤堆砌而成，细胞壁内存在纳米到亚微米级的缝隙和孔洞，整个细胞具有明显的细胞边界。 目前我们使用的具有细胞结构的纤维主要包括棉纤维、麻纤维、毛纤维。 其中棉麻纤维为单细胞纤维，毛纤维为多细胞纤维，其中细胞之间通过细胞间物质粘结。

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