纖維結構簡介

纖維的結構包括形態(tài)結構、聚集態(tài)結構和大分子結構三個方面。

形態(tài)結構包括截面形態(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)結構決定纖維力學性能的主要因素，包括晶態(tài)結構、非晶態(tài)結構和取向度。

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

非晶態(tài)結構指大分子不呈晶態(tài)結構那樣規(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)出強度較低而變形較大。實際上紡織纖維是晶態(tài)結構和非晶態(tài)結構的混合物。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，纖維的拉伸強度一般較高，伸長能力較小。

纖維的形態(tài)結構，是指纖維在光學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構。諸如纖維的外觀形貌、表面結構、斷面結構、細胞構成和多重原纖結構，以及存在纖維中的各種裂隙和孔洞。

一般將形態(tài)結構按尺度和部位分為表觀形態(tài)、表面結構和微細結構三類。表觀形態(tài)，主要討論纖維的外觀的宏偉形狀和尺寸，包括纖維的長度、粗細、截面形狀和卷曲或轉曲等。表面結構，主要涉及纖維表面的形態(tài)及表層的構造，是微觀形態(tài)和尺度的問題，微細結構，是指纖維內部的有序區(qū)（結晶或趨向排列區(qū)）和無序區(qū)（無定形或非結晶區(qū)）的形態(tài)、尺寸和相互間的排列與組合，以及細胞構成與結合方式。

由于顯微觀察術的發(fā)展，微細結構的尺度已覆蓋了纖維晶區(qū)的的一般尺寸（20~200nm），并可達到1nm尺度，甚至0。1nm（A0級）。因此，聚集態(tài)結構和分子結構的內容，已可或將可在以觀察學為基礎的纖維微細結構中討論。纖維是柔軟細長物，其微細結構的基本組成單元大多為細長纖維狀物質，統(tǒng)稱為原纖（fibril），故纖維微細結構的主題內容是纖維的原纖結構與排列。

大多數(shù)的造紙纖維是(樹木的)韌皮纖維，它們起到樹根和樹葉間水分和營養(yǎng)物質的輸送作用。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間延長而變黃。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。半纖維素和木素也存在于整個纖維壁中，連接在一起成為潤濕的微纖維。

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

纖維壁由四個不同的層組成。外面第一層壁的每個細胞非常薄，無規(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。內層的第二層S₂是最厚的，占纖維素纖維的80%～95%。

纖維結構原纖的結構特征

纖維中的原纖是大分子有序排列的結構，或稱結晶結構。嚴格意義上是帶有缺陷并為多層次堆砌的結構。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性質和彎曲能力。原纖也有呈網(wǎng)狀交叉排列，大多發(fā)生在天然纖維中，是人工纖維極難達到的結構形式，但此排列結構提供給纖維側向的保護及結構穩(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→細胞。并非所有纖維都有如此清晰的結構層次或劃分。如棉纖維無巨原纖之說；羊毛無原纖之分，且副皮質中無巨原纖結構層次。纖維有的就是單細胞體，如棉、麻等纖維；有的為多細胞體，故細胞的堆砌形成纖維，如毛纖維、麻的工藝纖維。化學纖維和天然絲無細胞之說，但單一組分的纖維可以看作“單細胞”纖維，如普通化纖、蜘蛛絲、蠶絲的單絲等；而多組分的復合、共混化學纖維，蠶吐出的等，可以看作為“多細胞”的纖維。

原纖間的堆砌是通過低密度或無序排列的分子，甚至是孔隙過渡，愈低層次即愈微小，原纖間的過渡區(qū)愈小，結構愈緊密而穩(wěn)定；愈高層次，即愈大原纖間的過渡區(qū)愈大，無連接的孔隙愈多愈大，結構愈疏松而不穩(wěn)定。但后者適于染料分子和水分子的進入，這對一般服飾用纖維有利，面對高性能纖維來說，則是致命的缺陷。

化學纖維由于結晶機理和生長方向會產(chǎn)生片晶（lamella），如折疊鏈片晶（fold-chain lamella）和伸展鏈片晶(extendedchainlamella)，導致纖維原纖結構的淡化或模糊化，甚至產(chǎn)生點狀或微晶粒“交聯(lián)”聯(lián)結的網(wǎng)狀結構，如彈性纖維類。但高強高模化學纖維，絕大數(shù)為原纖化結構

纖維結構各層次原纖的特征

基原纖是原纖中最小、最基本的機構單元，亦稱晶須，無缺陷。一般它由幾根以至十幾根長鏈分子，互相平行或螺旋狀按一定距離、相對穩(wěn)定的地結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)的結晶缺陷，是結晶結構。在微原纖內，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）個別也有高達100nm，可以借助于電子顯微鏡觀察。相對于基原纖內分子間的距離要大，但尺寸小于基原纖內分子間的最小厚度（0。1~1nm）。 原纖是一個統(tǒng)稱，有時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，將多個基或微原纖組合排列在一起，構成原纖。

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

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

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

纖維結構纖維的聚集態(tài)結構

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

1。纖維的結晶結構

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)定點陣，形成有較大內聚能和密度并有明顯轉變溫度的點陣結構，稱為結晶結構。將具有結晶結構的區(qū)域稱作結晶區(qū)。對纖維甚至原纖來說，很少存在完善的結晶區(qū)，往往是結晶與非結晶區(qū)的混合體，以及與某些結構缺陷區(qū)或其他摻雜成分組合的結構。

對于纖維聚集態(tài)的形式，20世紀40年代出現(xiàn)了“兩相結構”模型，即認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晶區(qū)與非晶區(qū)，晶區(qū)的尺寸很小，為10nm數(shù)量級，分子鏈在晶區(qū)是規(guī)則排列的，在非晶區(qū)則為完全無序堆砌。這種模型稱為櫻狀微胞模型。

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、物理加工而成的纖維，其與天然高分子纖維相對應，分為人造纖維素纖維和人造蛋白質纖維。

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，故在結構方面的討論很少，一般認定分子結構同天然蛋白質纖維，結晶略好，是β型鏈的微小結晶顆粒。

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構形式比天然纖維素纖維要復雜些，主要是因人為的紡絲加工過程而造成。其結構除與天然纖維相同的伸展鏈和無規(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)結構有很大的差異，其結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，且分子來回折疊形成規(guī)整的結晶結構。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

普通粘膠纖維的結晶度和取向度較低，橫截面為不規(guī)則的鋸齒狀，有明顯不均勻的皮芯結構，皮層較薄。強力粘膠纖維有微細而均勻的微晶結構，取向度適中，橫截面為均勻、輪廓圓滑的全皮結構。波里諾西克纖維為具有較高的結晶度、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構。波里諾西克纖維成形時的主要特點是盡量避免纖維素的降解，使天然纖維素結構盡可能在溶解和凝固過程中保持不變，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構，橫截面外緣比較圓滑。皮層提供韌性而芯層保持剛性。其韌性低于低于強力絲而高于波里諾西克，剛性則高于強力絲低于波里諾西克，是一種結合波里諾西克和強力絲特點的纖維。纖維的結晶度、晶粒尺寸和取向度都低于波里諾西克，而高于強力絲。其成形特點基本與強力絲相近似。永久卷曲粘膠纖維的橫截面形狀不對稱、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應力。永久卷曲粘膠纖維的工藝特點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?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。