纖維結(jié)構(gòu)

纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，是指纖維在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡乃至原子力顯微鏡（AFM）下能被直接觀察到的結(jié)構(gòu)。諸如纖維的外觀形貌、表面結(jié)構(gòu)、斷面結(jié)構(gòu)、細(xì)胞構(gòu)成和多重原纖結(jié)構(gòu)，以及存在纖維中的各種裂隙和孔洞。

一般將形態(tài)結(jié)構(gòu)按尺度和部位分為表觀形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和微細(xì)結(jié)構(gòu)三類。表觀形態(tài)，主要討論纖維的外觀的宏偉形狀和尺寸，包括纖維的長(zhǎng)度、粗細(xì)、截面形狀和卷曲或轉(zhuǎn)曲等。表面結(jié)構(gòu)，主要涉及纖維表面的形態(tài)及表層的構(gòu)造，是微觀形態(tài)和尺度的問(wèn)題，微細(xì)結(jié)構(gòu)，是指纖維內(nèi)部的有序區(qū)（結(jié)晶或趨向排列區(qū)）和無(wú)序區(qū)（無(wú)定形或非結(jié)晶區(qū)）的形態(tài)、尺寸和相互間的排列與組合，以及細(xì)胞構(gòu)成與結(jié)合方式。

由于顯微觀察術(shù)的發(fā)展，微細(xì)結(jié)構(gòu)的尺度已覆蓋了纖維晶區(qū)的的一般尺寸（20~200nm），并可達(dá)到1nm尺度，甚至0。1nm（A0級(jí)）。因此，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，已可或?qū)⒖稍谝杂^察學(xué)為基礎(chǔ)的纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)中討論。纖維是柔軟細(xì)長(zhǎng)物，其微細(xì)結(jié)構(gòu)的基本組成單元大多為細(xì)長(zhǎng)纖維狀物質(zhì)，統(tǒng)稱為原纖（fibril），故纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)的主題內(nèi)容是纖維的原纖結(jié)構(gòu)與排列。

大多數(shù)的造紙纖維是(樹(shù)木的)韌皮纖維，它們起到樹(shù)根和樹(shù)葉間水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送作用。纖維是中空的管，由木素粘連在一起。木素硬脆，在光線照射下隨著時(shí)間延長(zhǎng)而變黃。原料中的半纖維素與木素是共存的。半纖維素與木素來(lái)連接的纖維間區(qū)域被稱為胞間層，它們把原纖維連接起來(lái)。半纖維素和木素也存在于整個(gè)纖維壁中，連接在一起成為潤(rùn)濕的微纖維。

纖維的表面由線狀的長(zhǎng)原纖維組成，橫截面積為400nm×400nm。這些原纖維也可以分成更細(xì)小的纖維，橫截面積為10nm×10nm，它們被稱為微原纖維。每個(gè)微原纖維又由數(shù)百根纖維素大分子平行捆在一起組成。

纖維壁由四個(gè)不同的層組成。外面第一層壁的每個(gè)細(xì)胞非常薄，無(wú)規(guī)律地排放在纖維上。第二層由S₁、S₂、S₃組成，原纖維以平行螺旋狀排列，只是各層與纖維的軸向的夾角不同。內(nèi)層的第二層S₂是最厚的，占纖維素纖維的80%～95%。

人造纖維

人造纖維的劃分與叫法，主要指再生纖維，即用天然高分子材料，經(jīng)化學(xué)、物理加工而成的纖維，其與天然高分子纖維相對(duì)應(yīng)，分為人造纖維素纖維和人造蛋白質(zhì)纖維。

人造纖維素纖維有粘膠纖維，銅氨纖維和纖維素酯（包括醋酸酯、皂化醋酸酯和硝酸酯）纖維。但最主要的是粘膠和醋酸纖維。人造蛋白質(zhì)纖維有酪朊，絲朊和大豆蛋白纖維，但產(chǎn)量和使用極少，故在結(jié)構(gòu)方面的討論很少，一般認(rèn)定分子結(jié)構(gòu)同天然蛋白質(zhì)纖維，結(jié)晶略好，是β型鏈的微小結(jié)晶顆粒。

人造纖維素纖維的分子及組成與天然纖維素纖維完全一致，且純度更高，只是紡絲溶液不同分為粘膠與銅氨纖維。人造纖維素分子的鏈結(jié)構(gòu)形式比天然纖維素纖維要復(fù)雜些，主要是因人為的紡絲加工過(guò)程而造成。其結(jié)構(gòu)除與天然纖維相同的伸展鏈和無(wú)規(guī)排列外，還有折疊鏈的形式。

人造纖維素纖維隨加工條件與方式的不同，其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有很大的差異，其結(jié)晶晶格形式主要是纖維素Ⅱ，有別于天然纖維素的晶格形式─纖維素Ⅰ，且分子來(lái)回折疊形成規(guī)整的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通常相鄰分子是反向的。人造纖維素除纖維素Ⅰ、Ⅱ晶格形式外，還有纖維素Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ形式，這在天然纖維素中是不存在的。纖維素Ⅲ大都是液態(tài)氨，乙基胺或甲基胺膨潤(rùn)纖維素所生成的氨纖維素，再蒸發(fā)去氨或胺后，生成的一種晶格變體。其單元晶胞與纖維素Ⅱ接近，a=7。74?，b=10。3?，c=9。9?，β=58°。纖維Ⅳ是由纖維素Ⅱ或Ⅲ在極性液體中加以高溫處理而成的，故又稱“高溫纖維素”，其晶胞參數(shù)a=8。11?，b=10。3?，c=7。9?，β=90°為正交晶系，纖維素V是用濃HCl（38%-40。3%）作用于纖維素產(chǎn)生的。2100433B

纖維的結(jié)構(gòu)包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和大分子結(jié)構(gòu)三個(gè)方面。

形態(tài)結(jié)構(gòu)包括截面形態(tài)和縱向表面形態(tài)，截面形態(tài)反映了纖維的橫截面形態(tài)和纖維內(nèi)部空隙的數(shù)目、大小及分布，縱向表面反映了纖維表面的光滑和粗糙情況。

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)決定纖維力學(xué)性能的主要因素，包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和取向度。

晶態(tài)結(jié)構(gòu)指大分子相互之間整齊、穩(wěn)定地排列而結(jié)合在一起，每一鏈節(jié)，甚至每一基團(tuán)或原子，都處在三維空間一定的相對(duì)位置上或區(qū)域內(nèi)，成為整齊而有規(guī)律的點(diǎn)陣排列結(jié)構(gòu)，并有較大的結(jié)合能，大分子排列比較整齊，縫隙孔洞較少，表現(xiàn)出強(qiáng)度較高而變形較小。

非晶態(tài)結(jié)構(gòu)指大分子不呈晶態(tài)結(jié)構(gòu)那樣規(guī)則整齊派排列的各種凝聚態(tài)，大分子排列比較紊亂，堆砌比較疏松，其中有較多的縫隙孔洞，表現(xiàn)出強(qiáng)度較低而變形較大。實(shí)際上紡織纖維是晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的混合物。取向度指大分子排列方向和纖維軸向符合的程度，纖維的取向度較高時(shí)，纖維的拉伸強(qiáng)度一般較高，伸長(zhǎng)能力較小。

纖維結(jié)構(gòu)原纖的結(jié)構(gòu)特征

纖維中的原纖是大分子有序排列的結(jié)構(gòu)，或稱結(jié)晶結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格意義上是帶有缺陷并為多層次堆砌的結(jié)構(gòu)。原纖在纖維中的排列大多為同向平行排列，提供給纖維良好的力學(xué)性質(zhì)和彎曲能力。原纖也有呈網(wǎng)狀交叉排列，大多發(fā)生在天然纖維中，是人工纖維極難達(dá)到的結(jié)構(gòu)形式，但此排列結(jié)構(gòu)提供給纖維側(cè)向的保護(hù)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

纖維的原纖按尺度大小和堆砌順序可分為基原纖→微原纖→原纖→巨原纖→細(xì)胞。并非所有纖維都有如此清晰的結(jié)構(gòu)層次或劃分。如棉纖維無(wú)巨原纖之說(shuō)；羊毛無(wú)原纖之分，且副皮質(zhì)中無(wú)巨原纖結(jié)構(gòu)層次。纖維有的就是單細(xì)胞體，如棉、麻等纖維；有的為多細(xì)胞體，故細(xì)胞的堆砌形成纖維，如毛纖維、麻的工藝?yán)w維?；瘜W(xué)纖維和天然絲無(wú)細(xì)胞之說(shuō)，但單一組分的纖維可以看作“單細(xì)胞”纖維，如普通化纖、蜘蛛絲、蠶絲的單絲等；而多組分的復(fù)合、共混化學(xué)纖維，蠶吐出的等，可以看作為“多細(xì)胞”的纖維。

原纖間的堆砌是通過(guò)低密度或無(wú)序排列的分子，甚至是孔隙過(guò)渡，愈低層次即愈微小，原纖間的過(guò)渡區(qū)愈小，結(jié)構(gòu)愈緊密而穩(wěn)定；愈高層次，即愈大原纖間的過(guò)渡區(qū)愈大，無(wú)連接的孔隙愈多愈大，結(jié)構(gòu)愈疏松而不穩(wěn)定。但后者適于染料分子和水分子的進(jìn)入，這對(duì)一般服飾用纖維有利，面對(duì)高性能纖維來(lái)說(shuō)，則是致命的缺陷。

化學(xué)纖維由于結(jié)晶機(jī)理和生長(zhǎng)方向會(huì)產(chǎn)生片晶（lamella），如折疊鏈片晶（fold-chain lamella）和伸展鏈片晶(extendedchainlamella)，導(dǎo)致纖維原纖結(jié)構(gòu)的淡化或模糊化，甚至產(chǎn)生點(diǎn)狀或微晶粒“交聯(lián)”聯(lián)結(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如彈性纖維類。但高強(qiáng)高?；瘜W(xué)纖維，絕大數(shù)為原纖化結(jié)構(gòu)

纖維結(jié)構(gòu)各層次原纖的特征

基原纖是原纖中最小、最基本的機(jī)構(gòu)單元，亦稱晶須，無(wú)缺陷。一般它由幾根以至十幾根長(zhǎng)鏈分子，互相平行或螺旋狀按一定距離、相對(duì)穩(wěn)定的地結(jié)合在一起的大分子束，直徑為1~3nm（10~30埃），并具有一定的柔曲性。

微原纖是由若干根基原纖平行排列組合在一起的大分子束亦稱未晶須，帶有在分子頭端不連續(xù)的結(jié)晶缺陷，是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在微原纖內(nèi)，基原纖與基原纖間一方面依賴于基原纖間分子間力的作用，另一方面則借助于貫穿兩個(gè)以上基原纖大分子鏈的縱向連接。微原纖的直徑大約是4~8nm（40~80埃）個(gè)別也有高達(dá)100nm，可以借助于電子顯微鏡觀察。相對(duì)于基原纖內(nèi)分子間的距離要大，但尺寸小于基原纖內(nèi)分子間的最小厚度（0。1~1nm）。 原纖是一個(gè)統(tǒng)稱，有時(shí)可代表由若干基原纖或含有若干根微原纖大致平行組合在一起的更為粗大的大分子束。原纖中會(huì)存在比微原纖中更大的縫隙和空洞，還可能有序態(tài)較差的非晶態(tài)部分。對(duì)于天然纖維，還可能夾雜一些其他成分的化合物。它和微原纖一樣，也是依賴于分子間力和大分子鏈的縱向連接，將多個(gè)基或微原纖組合排列在一起，構(gòu)成原纖。

原纖的直徑通常為10~30nm（100~300埃），原纖結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)晶區(qū)和非晶不規(guī)則交替的人狀態(tài)，它已經(jīng)接近于光學(xué)顯微鏡可分辨的極限。這也是棉纖維中稱之的由來(lái)。原纖或原纖維之間是由穿插、縛結(jié)分子和微孔隙組成的無(wú)序區(qū)聯(lián)結(jié)，分子排列密度低，孔隙相對(duì)較大。

巨原纖是由多個(gè)微原纖或原纖堆砌而成的結(jié)構(gòu)體。它是由低密度排列，穿越微小間隙組成。對(duì)天然纖維，也可能夾雜其他成分物質(zhì)。巨原纖橫向尺寸一般為0。1~0。6um，借助于普通光學(xué)顯微鏡就可看到。

細(xì)胞是由巨原纖或微原纖直接堆砌而成的，并有明顯的細(xì)胞邊界。多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的纖維再由細(xì)胞組成纖維。不僅尺寸大小不同，排列狀態(tài)也不盡相同。細(xì)胞與細(xì)胞間由細(xì)胞間質(zhì)粘合而成，聯(lián)結(jié)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)與原纖不同，較為疏松，還有從納米到亞微米的縫隙和孔洞。

纖維結(jié)構(gòu)纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)指構(gòu)成該纖維的大分子鏈之間的作用形式與堆砌方式，又稱為“超分子結(jié)構(gòu)”或“分子間結(jié)構(gòu)”。具體所指纖維高聚物的結(jié)晶和非晶結(jié)構(gòu)、取向與非取向結(jié)構(gòu)，以及通過(guò)某些分子間共混方法形成的“織態(tài)結(jié)構(gòu)”等。

1。纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

基原纖微原纖大分子將纖維大分子以三維有序方式排列，形成穩(wěn)定點(diǎn)陣，形成有較大內(nèi)聚能和密度并有明顯轉(zhuǎn)變溫度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)晶結(jié)構(gòu)。將具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的區(qū)域稱作結(jié)晶區(qū)。對(duì)纖維甚至原纖來(lái)說(shuō)，很少存在完善的結(jié)晶區(qū)，往往是結(jié)晶與非結(jié)晶區(qū)的混合體，以及與某些結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)或其他摻雜成分組合的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于纖維聚集態(tài)的形式，20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了“兩相結(jié)構(gòu)”模型，即認(rèn)為纖維中存在明顯邊界的晶區(qū)與非晶區(qū)，大分子可以穿越幾個(gè)晶區(qū)與非晶區(qū)，晶區(qū)的尺寸很小，為10nm數(shù)量級(jí)，分子鏈在晶區(qū)是規(guī)則排列的，在非晶區(qū)則為完全無(wú)序堆砌。這種模型稱為櫻狀微胞模型。

普通粘膠纖維的結(jié)晶度和取向度較低，橫截面為不規(guī)則的鋸齒狀，有明顯不均勻的皮芯結(jié)構(gòu)，皮層較薄。強(qiáng)力粘膠纖維有微細(xì)而均勻的微晶結(jié)構(gòu)，取向度適中，橫截面為均勻、輪廓圓滑的全皮結(jié)構(gòu)。波里諾西克纖維為具有較高的結(jié)晶度、較大的晶區(qū)尺寸以及較高的取向度，橫截面近似圓形的全芯層結(jié)構(gòu)。波里諾西克纖維成形時(shí)的主要特點(diǎn)是盡量避免纖維素的降解，使天然纖維素結(jié)構(gòu)盡可能在溶解和凝固過(guò)程中保持不變，采用緩和而均勻的凝固條件，如低酸、低鹽、低溫和低紡速。變化型高濕模量纖維屬于厚皮層的皮芯結(jié)構(gòu)，橫截面外緣比較圓滑。皮層提供韌性而芯層保持剛性。其韌性低于低于強(qiáng)力絲而高于波里諾西克，剛性則高于強(qiáng)力絲低于波里諾西克，是一種結(jié)合波里諾西克和強(qiáng)力絲特點(diǎn)的纖維。纖維的結(jié)晶度、晶粒尺寸和取向度都低于波里諾西克，而高于強(qiáng)力絲。其成形特點(diǎn)基本與強(qiáng)力絲相近似。永久卷曲粘膠纖維的橫截面形狀不對(duì)稱、皮層厚度分布不均勻，在橫鼓面各部分存在君大小不等的內(nèi)應(yīng)力。永久卷曲粘膠纖維的工藝特點(diǎn)是提高粘膠的熟成指數(shù)，凝固路中硫酸的濃淀偏低、梳酸鈉濃度較高、浴溫較高，適當(dāng)?shù)卦黾永毂稊?shù)，特別是在塑化控伸后再增加一段空氣拉伸，有利于增加纖維的卷曲性。