纺织材料的热学、光278学和电学性质.ppt

第二章 纺织材料的热学、光学和电学性质,2,第一节 热学性质,与温度相关联的物理性质，称为热学性质。一、比热容与热焓（一）比热容 1 概念：质量为1g的纺织材料，温度升高（或降低）1所吸收（或放出）的热量。单位，J/g。比热值的大小，直接反映了材料温度变化的难易程度。,3,常见干纺织材料的比热（测定温度20）,锦纶比热大，其不易随温度变化，夏天穿着锦纶服装，有明显的“冷感”。,4,2 影响比热容的因素：（1）环境温度：温度提高，C增大。（2）环境相对湿度：随回潮率增加而增大。（3）纤维中孔洞和纤维间缝隙:随孔隙率增加而下降。,5,（二）热焓 表示物质系统能量状态的参数。H=U+PVU-系统的内能P-压强V-体积比热容：温度升高1时单位质量物质热焓的增量。,6,二、导热 导热性用导热系数来表示。1.导热系数 材料厚度为1m，两表面之间温差为1，1秒钟内通过1m2材料所传导的热量焦耳数。法定单位：W/m。,值越小，导热性越差，它的绝热性或保暖性越好。,7,常见纤维的导热系数（在室温20时测得）,静止空气的值最小，它的绝热性或保暖性最好。,8,2影响保暖性的因素 导热系数越小，保暖性越好。纺材吸湿后，保暖性下降。吸湿微分热：纤维在给定回潮率下吸着1g水放出的热量。吸湿积分热：1g干燥纤维从某一回潮率吸湿达到完全润湿，所放出的总热量。静止空气层的厚度越大，保暖性越好。,9,图8-1 纤维层体积重量和导热系数间的关系,10,3.增强服装保暖性的途径（1）尽可能多的储存静止空气；（中空纤维、多穿衣服、不透水）（2）降低W；（3）选用低的纤维；（4）加入陶瓷粉末等材料。,11,4.绝热率T 表示纺织材料的绝热性指标。,式中：Q0-热体不包覆试样时单位时间的散热量（J）；Q1-热体包覆试样后时单位时间的散热量（J）；T值越大保暖性越好,12,二、热对纺织材料的影响,纺织材料受热时，内部结构和性质会发生变化。根据受热时的变化现象，纺织纤维可分两类。热塑性纤维：在较高温度时会发生软化、熔融的纤维，如涤纶、锦纶、醋酸纤维等。非热塑性纤维：在较高温度时不出现熔融而直接发生分解、炭化的纤维，如棉、羊毛、蚕丝等。,13,（一）两种转变和三种力学状态 热塑性纤维在不同的温度下，其伸长变形和弹性模量随温度变化的曲线热机械曲线。如图。,热塑纤维的热机械曲线,两个转变区：玻璃化转变区、粘弹态转变区 三种力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态,14,1、三种力学状态（1）玻璃态 宏观力学特征：模量高，变形能力较差，强度高，纤维坚硬，类似玻璃，显得脆。内部结构特点：大分子的热运动能较低，整个大分子处于“冻结”状态，运动单元只是一些小的链节、侧基、支链。绝大多数纤维在常温下都处于玻璃态。,15,（2）高弹态 宏观力学特征：变形能力较大，强度较小。内部结构特点：具有比较大的运动单元链段，大分子可通过链段的运动使其伸展或卷缩，但没有分子链的滑移。（3）粘流态 宏观力学特征：发生不可逆变形，纤维呈现粘性流动。内部结构特点：整个大分子链具有较高的运动能，有较强的滑动能力。,16,2、两个转变区（1）玻璃化转变区 对温度十分敏感，物理性质，如比热、模量等均发生突变。玻璃化温度Tg：玻璃态向高弹态转变的温度（二级转变温度），实际是个温度范围。（2）粘弹转变区 对温度十分敏感，纤维呈现流动性，模量迅速下降，形变增加。粘流温度Tf：高弹态向粘流态转变的温度（一级转变 温度），也是一个范围。,17,3.熔点 晶体发生熔化时的温度。4.软化温度 低于熔点20-30 的温度。5.分解点 高聚物发生分解时的温度。,18,（二）耐热性与热稳定性,耐热性：纺织材料高温作用后，保持其物理机械性能的性质。用不同温度作用一定时间后力学性能的保持率，或材料随温度升高而强度降低的程度来表示。热稳定性：指材料对热裂解的稳定性，或热作用下的结构形态和组成的稳定性。用一定温度下，强度随时间而降低的程度表示。,19,常用纤维的耐热性：天然纤维：纤维素纤维比蛋白质纤维好 合成纤维：涤纶腈纶锦纶维纶；碳纤维、玻璃纤维相当好常用纤维的热稳定性：天然纤维：蚕丝、棉较差；化纤：粘胶、锦纶、腈纶较差；耐热性好的纤维，热稳定性并不一定好。锦纶、腈纶的耐热性较好，但热稳定性差；涤纶的耐热性与热稳定性均较好。,20,（三）合成纤维的热收缩和热定形,1、合成纤维的热收缩 合纤受热后发生不可逆的尺寸收缩现象，称。（1）原因 合纤在纺丝成形过程中经受拉伸，在纤维中残留有内应力，但受玻璃态的约束不能恢复。当纤维受热超过一定温度，分子间的约束减弱，由于内应力的作用而产生收缩。,21,（2）指标 热收缩率收缩量/原长100 根据加热介质的不同有：沸水收缩率、热空气收缩率、饱和蒸汽收缩率。（3）利弊 弊：影响织物的服用性能 利：获得特殊的外观效果，如膨体纱,22,2、热定形（1）基本概念 热塑性：将合成纤维或制品加热到玻璃化温度以上，并加一定外力强迫其变形，然后冷却并去除外力，这种变形就可固定下来，只要以后不超过这一处理温度，形状基本上不会发生变化。这种性质称之为热塑性。热定形：利用合纤的热塑性，将织物在一定张力下加热处理，使之固定于新的状态的工艺过程。,23,（2）热定形的机理 合成纤维（热塑性）：纤维处于高弹态，分子链段移动，在新的位置重新建立新的结合，冷却后新结构得以固化。（针对无定形区）棉、麻：结晶度高，类似合成纤维的定形机制不存在或太少，无法进行（类似合成纤维的），获得暂时性定形。羊毛：湿热和力的作用打开二硫键，并在新的位置重键，获得半永久性定形。,24,（3）影响合纤织物热定形效果的因素 1）温度（最主要因素）2）时间：低温时间长，高温时间短 3）张力 4）冷却速度：要迅速冷却，以使新的结合点很快“冻结”5）定形介质,25,26,合成纤维与毛纤维热定形异同,相同：都是通过定形来达到使产品尺寸稳定。不同：(1)合成纤维主要通过玻璃态的“冻结”来定形；毛纤维则是通过分子间化学联结键的“重建”(如二硫键)定形。(2)合成纤维定形时可伴随有晶型的改变；而毛纤维没有。(3)合成纤维的玻璃化温度明显；而毛纤维则不明显且多变。(4)合成纤维可用干热来定形；毛纤维用干热无法获得良好的定形效果。,27,1、极限氧指数LOI 极限氧指数LOI(Limiting Oxygen Index)：将材料点燃在氧、氮大气中，维持材料燃烧所需要的最低含氧量的体积百分比。,LOI越大，材料越难燃。,（四）纺织材料的燃烧性能,28,点燃温度：火焰最高温度：续燃时间：阴燃时间：损毁长度：火焰蔓延速率：火焰蔓延时间：熔孔时间及熔滴：,29,2、分类 按燃烧性能不同分：易燃、可燃、难燃、不燃。,燃烧性能的分类,30,3、提高纺织材料难燃性途径1)进行阻燃整理 2)制造阻燃纤维：a）纺丝液中加入防火剂制成阻燃纤维；b）用难燃的聚合物纺成阻燃纤维，如诺麦克斯（Nomex）等,31,（五）熔孔性,1、概念 熔孔性：涤纶和锦纶等合成纤维织物，接触到火星等热体时，在织物上形成孔洞的性能。抗熔性：抵抗熔孔破坏的性能，称。2、影响熔孔性的因素（1）热体的温度（2）热体的作用时间、热体的热量（3）纤维熔点、分解点、分解所需的热量、导热系数、回潮率大小等,32,3、测量方法（1）落球法（2）烫法：热体（金属棒、纸烟等）接触试样一定时间，观察熔融状态。天然纤维和粘胶的抗熔性好，涤纶、锦纶等的抗熔性差。4、改善织物抗熔性的方法（1）与天然纤维混纺（2）制造包芯纱（锦纶、涤纶外包棉）（3）对织物进行抗熔、防熔整理,33,第二节 光学性质,纺织纤维在光照射下表现出来的性质。包括，色泽（颜色和光泽）折射与双折射耐光性光致发光,34,1.纤维的颜色 纤维的颜色取决于纤维对不同波长色光的吸收和反射能力。天然纤维的颜色,取决于品种、生长过程中的外界因素；化纤，与纺丝工艺有关。,各种颜色的波长与波长范围（mm）,一、色泽,35,2.纤维的光泽 光泽是纺织材料的重要外观性质。光泽取决于对可见光的反射情况。当光线射到纺织材料的表面时，在纤维和空气的界面上同时产生反射和折射，光的一部分被反射，另一部分折射光在纤维内部进行，当达到另一界面时，再产生反射和折射。,36,光泽是正反射光、表面散射反射光和来自内部的散射反射光的共同贡献。,37,光泽分五级：无光泽（如粗绒棉）、弱光泽（如细绒棉）、显著光泽（如丝光棉）、强光泽（精练过的蚕丝）、最强光泽（未消光的粘胶丝）。丝绸工艺中常用极光和肥光两种光泽感：反射光量很大，分布不均匀“极光”；反射光量很大，分布较均匀“肥光”。,38,3.影响光泽的因素（1）纤维的纵向形态：表面光滑，粗细均匀，光泽好，如丝光棉、没有卷曲的化纤长丝。（2）截面形态圆形截面：透光能力强，观感明亮，易形成极光，纤维绕轴心转动光泽不变；三角形截面：可发生全反射、有闪光效应。,39,（3）纤维层状结构 使纤维光泽强而不耀眼。（4）纤维彼此排列的平顺程度 纱线表面的纤维沿纱轴向排列，粗细均匀，毛羽少，光泽好。（5）化纤中加TiO2可消光 TiO2改变光线的反射情况。,40,二、折射与双折射 双折射：光线投射到纤维上时，除了在界面上产生反射光外，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，叫双折射。寻常光：遵守折射定律，快光(o)，振动面光轴,折射率n 非寻常光：不遵守折射定律，慢光(e)，振动面光轴,折射率n双折射率：n=n-n,41,纤维双折射率的大小，与分子取向度和分子本身的不对称程度有关。分子与纤维轴平行排列时双折射率大，大分子紊乱排列时双折射等于零，故可利用双折射率来比较同种化纤取向度的高低。,42,三、纤维的耐光性,1.定义：纺织材料抵抗光照的能力。纤维因光照发生裂解引起强度下降的现象叫“老化”。可进行“大气老化实验”或若排除风吹雨淋等影响，则为耐光性试验。2实验方法 露天曝晒法和人工模拟法。,43,3.常用纤维耐光性,44,腈纶羊毛麻棉粘胶涤纶锦纶蚕丝 紫外线的能量高，对纤维的损伤大，而CN吸收紫外线的能量后转化为热能释放出来，保护分子不断裂，故腈纶耐光性好。,45,四、光致发光,纺织纤维在受到紫外线光照射时，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。不同的纤维光致发光的性质不同，可用于鉴别纤维。,46,纤维荧光颜色,47,第三节电学性质,一、介电系数 1.概念 介电现象：指绝缘体材料(也叫电介质)在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象。由于电介质的极化，材料表面出现感应电荷，感应电荷使原电容器的电场强度减小，电容器的电容量增加（如图）。,48,介电系数（介电常数）衡量介电现象强弱的物理量，即材料在电场中被极化的程度，反映材料的储电能力。,式中，C电容极板间填充电介质时的电容量;C0电容器极板间为真空时的电容量。,49,2.常见纺织材料的介电常数 工频条件下（50HZ）：空气，1；液态水，20；干纺材料，25,材料的介电常数（频率f50Hz，T=2025，RH=65%）,50,3.应用（1）测试纺织材料的回潮率 水的远大于纺织材料，纺织材料重量一定回潮率不同，电容器的电容量不同。（2）测试纱线（条）的均匀性 纺织材料大于空气的，平行金属板电容器间的纱条粗细变化（纤维根数变化），电容量变化。,51,4.影响因素（1）纤维内部结构 分子量、极性基团的数量、堆砌密度（2）外部因素 温度、回潮率、电场频率,52,二、介电损耗 1.定义 在交变电场作用下，纤维材料的极性基团以及纤维内部的水分子会发生极化，极化分子部分地沿着电场方向定向排列，并随着电场方向的变换不断地作翻转交变取向运动，分子间发生碰撞、摩擦、生热，消耗能量。电介质在电场作用下引起发热而消耗能量，称为介电损耗。,53,2.应用（1）纺材作为电工绝缘材料，介电损耗小为好，以免材料发热引起老化。（2）利用介电损耗，可对纺材进行烘干。同条件，水的介电损耗大，吸收绝大部分能量而很快蒸发，材料本身吸收的能量少。,54,三、导电性能,反映纤维材料导电性质的指标比电阻。1.指标（1）体积比电阻v（cm）试样长1cm，截面积为1cm2时的电阻。,式中，R：电流流过材料时的电阻()：试样的长度（cm）S：试样截面积（cm2）,55,（2）表面比电阻S（）电流流过长、宽都为1cm材料表面时的电阻。,R：电流流过材料表面时的电阻()：试样的宽度（cm）：电极间的距离（cm）,56,（3）质量比电阻m（g/cm2）试样长1cm，重1g的纤维束时的电阻。m=v 式中，：纤维的材料的密度 v：体积比电阻 m 易测，应用较多。,57,纺织纤维的质量比电阻因值较大，采用对数表示，比电阻高的易产生静电。（7以下为好）,58,3.影响纤维比电阻的因素（1）湿度 湿度升高，电阻减小（2）温度 温度升高，电阻减小（3）纤维上的附着物 油剂、棉蜡、油脂的存在，。,59,四、静电,静电现象是指不同纤维材料之间或纤维与其它材料之间由于接触和摩擦作用使纤维或其它材料上产生电荷积聚的现象。（一）产生原因 摩擦接触感应起电。（二）静电电位序列,60,（四）影响 1.应用 静电纺丝、静电纺纱、静电植绒 2.影响 在纺织加工过程中，造成条子发毛，纱线毛羽增多，卷装成形不良，缠绕机械元件。服用过程中，衣服易吸灰，缠身。,（三）指标 静电压、静电量、电荷半衰期（静电衰减到原始值一半时所需的时间）、比电阻。,61,3.减少或防止静电现象的方法 1）提高空气的相对湿度2）表面抗静电剂 3）混纺 a.合成纤维与吸湿性好的纤维混纺 b.按电位序列使带正电荷与带负电荷纤维混纺4）抗静电纤维：金属、导电纤维5）织物防静电整理,62,思考题及难点：1.导热与保暖2.温度变形曲线、合成纤维的热收缩、各类纤维的定形机理3.极限氧指数4.双折射5.静电现象及消除途径,