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第7章
纤维的热学、电学、光学性质简介
第7章 纤维的热学、电学、光学性质简介
7.1 热学性质
7.1.1 常用热学指标
质量为一克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量。单位是：焦尔/克·度。
纤维的比热值是随环境条件的变化而变化的，不是一个定值，是一个条件值。同时，又是纤维材料、空气、水分的混合体的综合值。
比热值的大小，反映了材料释放、贮存热量的能力。或者温度的缓冲能力。影响纤维材料的接触冷暖感。
（1）比热 C
7.1.1 常用热学指标
导热系数也称热导率，其倒数称为热阻 。
纤维本身的导热系数由于纤维结构的原因也呈现各向异性。
对于纤维集合体，也是纤维、空气、水分三者的综合值。
导热系数与集合体的体积重量的关系呈对号规律 。
材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度。单位：焦/米·度·时。在数值上为在传热方向纤维材料厚度为1米、面积为1米2，两个平行表面之间的温差为1℃，1小时（物理学上常定义为1秒）内通过材料传导的热量焦耳数。
（2）导热系数 λ
7.1.1 常用热学指标
绝热率表示纤维材料的隔绝热量传递保持温度的性能。它常常通过降温法测得，将被测试样包覆在一热体外面，另一个相同的热体作为参比物（不包覆试样），同时测得经过相同时间后的散热量分别为Q0和Q1，则绝热率T为：
其中：Δt0 ——不包覆试样的热体单位时间温度下降量（温差）；
Δt1 ——包覆试样的热体单位时间温度下降量（温差）。
绝热率数值越大，说明该材料的保暖性越好。实际测试中，为了方便和结果的稳定可靠，常常使用两只饮料易拉罐作为容器，加入同质量和温度的水，测量经过一定时间后的温差。应当注意的是对于欲比较保暖性的纺织品应该在相同的实验环境中进行。最好在标准大气中。
(3) 绝热率
克罗值是国际上经常采用的一个表示织物隔热保温性能的指标，同时也可以表示织物在人穿着过程中的热舒适性。它的定义是：在温度为20℃，相对湿度不超过50%，空气流速不超过10cm/s的环境中，一个人在静坐并感觉舒适时衣服所具有的热阻，称为1克罗。
1克罗=4.3×10-2℃·m2·h/kJ。
7.1.1 常用热学指标
（4）克罗值
保暖率是采用恒温原理的织物保暖仪测得的指标，是指在保持热体恒温的条件下无试样包覆时消耗的电功率和有试样包覆时消耗的电功率之差占无试样包覆时消耗的电功率的百分率。该数值越大，说明该织物的保暖能力越强。
（5）保暖率
热力学性质也叫热机械性质，是指在温度的变化过程中，纺织材料的机械性质随之变化的特性。采用不同的温度点来表征纤维材料力学行为的差异。
7.1.2 热力学性质
（1）概念
对于结晶体，热力学状态以熔点为界分为两个状态。
对于非晶体，热力学状态一般分为三个状态：玻璃态、高弹态、粘流态。用玻璃化温度Tg、粘流温度Tf来划分。
（2）热力学曲线
Tg
Tf
定形是指使纤维（包括纱、织物）达到一定的（所需的）宏观形态（状），再尽可能地切断大分子间的联结，使大分子松弛，然后在新的平衡位置上重新建立尽可能多的分子之间的联结点的处理过程。热定形则是指在热的作用下（以加热、冷却的手段进行大分子之间联系的切断和重组）进行的定形。
热定形的目的就是为了消除纤维材料在加工中所产生的内应力，使其在以后的使用过程中具有良好的尺寸稳定性、形态保持性、弹性、手感等。生活中的衣物熨烫、生产中弹力丝的加工、蒸纱、毛织物煮呢、电压及其他整理工艺都是在运用热定形。
7.1.3 热定形
（1）概念
① 湿度(或定形介质)：目的是降低Tg
② 温度：加热到Tg以上， Tf以下。促使应力松弛完成
③ 外力：施加外力达到我们所需的外观形态
④ 时间：大分子间的联结只能逐步拆开，达到比较完全的应力松弛需要时间，重建分子间的联结也需要时间。
7.1.3 热定形
（2）影响热定形效果的因素
（1）耐热性 指在热的作用下，抗破坏的能力。可用破坏温度来表示，或受热时性能的恶化来评价。详见教材第443页表8-4。
（2）热稳定性 指在某温度持续作用下的抗破坏性能。常用单位时间破坏率来表示。详见教材第444页表8-5。
7.1.4 耐热性与热稳定性
合成纤维因受热的作用而产生的收缩。产生收缩的原因：(1)定形效果不好，有残余内应力存在；(2)分子链比较伸展，各键节、键段的无规运动，使大分向内卷缩。用收缩率表示。（如汽蒸收缩率、沸水收缩率等）。
7.1.5 热收缩
织物接触到热体而熔融形成孔洞的性能——熔孔性。织物抵抗熔孔现象的性能叫抗熔孔性。
7.1.6 熔孔性
(1) 概念
(2) 影响熔孔的主要外界因素
①热体的表面温度；②热体的热容量；③接触时间；④相对湿度。
7.1.7 阻燃性
根据纤维在火焰中，离开火焰后的燃烧状况分为：
A.易燃：遇火就燃，离火仍燃，且燃烧迅速，可造成火灾。
B.可燃：遇火能燃，离火后仍曼延，但速度慢。
C.难燃：在火焰中可燃，离开火则自熄。
D.不燃：与火接触亦不燃烧。
(1) 定性表达
(2) 定量表达
A.点燃温度
B.火焰最高温度
C.燃烧速度(单位长度的时间)
D.极限氧指数 OI
7.2 光学性质
7.2.1 色泽
色泽既是外观质量也是内在质量的反映。
（1）颜色：材料对光的选择性吸收和反射的结果。多用白度表示。
（2）光泽：反射可见光的能力。
影响光泽的因素主要有：
①纤维的表面状况。 如粗毛比细毛光泽强。
②纤维的截面形状。不同的形状会产生不同的光泽效果。如表面平滑——平行反射（镜面反射），光最强；表面粗糙——漫射，光柔和（反射光强一致）或产生闪光效应（有峰值漫射）。
③纤维结构与含杂。蚕丝的特殊光泽与它的层状结构有关。成熟度高的棉纤维比成熟度低的光泽好。水分使光泽下降，颜色浓度上升，表面上的油、蜡等其它成分也会使光泽发生变化。
④纤维彼此排列的平顺程度。
7.2.2 折射与双折射
一般透明或半透明物体受倾斜方向的一条入射光照射时，在物体表面会分成一条反射光和一条折射光，其反射角、折射角分别遵从反射定律和折射定律。
纺织纤维大多都属于单轴晶体，所以当一束光线照射时，进入纤维内的折射光会分成方向不同的两条折射线----发生双折射。分别用n∥ 和n⊥ 表示，（n∥－n⊥）称为双折射率。
双折射率的大小可以反映纤维大分子的取向程度，双折射率越大，说明大分子排列越整齐，且越平行于纤维轴向。大分子的取向度越高，纤维性能的各向异性表现就越显著。
7.2.3 耐光性和光防护
纤维材料在日光照射下，其性能逐渐恶化，其强度下降，变色，发脆，以至丧失使用价值。纤维材料抵抗日光破坏的性能称为耐光性。日光中的紫外线（波长400nm以下）和红外线（波长780nm以上）是造成纤维光损伤的主要原因
7.2.3 耐光性和光防护
所谓光防护是指纤维制品阻隔红外或紫外光的透射，防止红外或紫外线对人体产生破坏的性能。
纤维
日晒时间（h）
强度损失率（%）
棉
940
50
羊毛
1120
50
亚麻、大麻
1100
50
粘胶纤维
900
50
腈纶
900
16~25
蚕丝
200
50
锦纶
200
36
涤纶
600
60
7.2.3 耐光性和光防护
紫外线波长较短，它由强度较大的UV—B(290～315nm)和波长较长、低能量的UV—A(315～400nm)以及UV—C(40～290nm)组成。
紫外线的辐射不分季节、不分阴晴、不分海拔高低，只是到达地面的强弱（紫外线指数）不同，最强时段为上午的10:00 ～ 下午4:00(该时段是我国中部地区的时段) 。
研究表明：引起皮肤癌的主要波段为UV—B，其典型光谱为297nm，起作用强度大约是UV—A区的1000倍，而紫外线UV—C区的作用虽然也很强，但因其绝大部分受到臭氧层和空气介质的阻隔而难以到达地面。因此防紫外线面料的功效主要体现在对UV—A区和UV—Ｂ区紫外线起到有效的遮蔽作用，尤其是要遮蔽UV—B区。
在常用纤维中：羊毛、麻、蚕丝、涤纶等的防紫外功能较好，而棉、粘胶、锦纶、腈纶等的防紫外功能较差。当然，纱线的结构、织物的密度和厚度、颜色等对紫外防护也有影响。
7.2.3 耐光性和光防护
国家标准GB/T18830《纺织品 防紫外线性能的评定》规定，当纺织品的紫外线防护系数UPF≥30，透过率T≤5％时，可称为“防紫外线产品”。只有当紫外线防护系数UPF和透射比T 两项指标都符合标准要求时，才算是合格的防紫外线产品。目前，防晒纺织品主要有以下4种类型，纤维内嵌入紫外线吸收材料(纺丝时加入防紫外材料) ，织物防紫外线印染整理，织物表面加金属涂层，织物表面加非金属物涂层。
紫外线透过率(也叫透射率)T的定义为：覆盖有试样时的紫外线辐照度占无试样时的紫外线透射辐照度的百分率。根据紫外线区段的不同可分为UV-A区段透射率TUVA和UV-B区段透射率TUVB。
7.2.3 耐光性和光防护
紫外线防护系数UPF（Ultraviolet protection factor）的定义为：皮肤无织物保护时产生红斑所需紫外线的最小辐照度与能量为产生红斑的最小辐照度的紫外线透过织物的辐照度的比。
可以这样理解UPF的意义，比如UPF值为50，就说明有1/50的紫外线可以透过织物。UPF值越高，就说明紫外线的防护效果越好。在国家标准中纺织品的UPF值最高的标识是50＋，也就是UPF>50。因为UPF大于50以后，对人体的伤害影响就可以忽略不计了。一般UPF值在15-24时称为良好，在25-39时称为非常好，40-50或以上者称为优良。
7.2.4 紫外荧光
纤维在受到紫外线照射时，会发出在可见光范围内的光，称之为紫外荧光。各种纺织纤维具有不同颜色的荧光，可用来鉴别纤维，产品开发。
7.3 电学性质
7.3.1 纤维的绝缘性能
① 体积比电阻：ρV=R S/L （欧姆·厘米）
② 质量比电阻：ρm=d ρV （欧姆·克/平方厘米）
③ 表面比电阻：ρS=R W/L （欧姆）
(1) 常用指标
① 相对湿度 P476～P477，湿度上升，电阻下降。
② 温度 温度上升，电阻下降。
③ 含杂 杂质往往使电阻降低。（化纤油剂就可以降低电阻）
④ 其他因素 纤维集合体的形状、体积重量、纤维排列状况、测试电压、时间、电极形状等均对电阻有影响。
(2) 影响纤维电阻的因素
7.3.2 纤维的静电特性
两个电性不同的物体因相互接触或摩擦后分开时，在两个物体的接触表面上会产生静止电荷（一个带正电荷，另一个带负电荷），这种现象称之为静电现象。
实践表明：往往是介电系数大者常积聚正电荷；表面物质呈酸性者常积聚负电荷；表面物质呈碱性者常积聚正电荷。不同区域的摩擦剧烈程度不同、温度不同，也会产生电荷积聚不同。
(1) 静电的产生与积累
(2) 静电电位序列
具体见教材第479页表8-22。
需要强调说明的是这个静电电位序列表只是表达一种规律，和实际的情况不会完全相符，因为实验条件不同，结果就会不同，表中的位序就可能颠倒，尤其是表中相邻的纤维。如从一束根尖方向一致的羊毛纤维中抽拔羊毛纤维，从根部抽出一根羊毛时，这根羊毛上带正电荷，反之，从尖部抽出一根羊毛时，这根羊毛上带负电荷。
7.3.2 纤维的静电特性
A.静电压
B.电荷半衰期
C.表面电导率（即表面比电阻的倒数）
D.表面电荷量
E.吸灰高度
(3) 表述静电特性的指标
(4) 消除静电的常用方法
A.加湿
B.加表面活性剂
C.改善机件的摩擦和导电
D.不同原料合理搭配
E.采用抗静电纤维
F.其他
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