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绪论
纺织材料学
一、纺织材料发展中的问题
既然定义的纺织材料是纤维、纱线、织物及其复合物，以及对应的成 形过程，纺织材料就不是天生造就之物。
纺织材料从古远天然纤维的采摘、绑扎、悬挂、编结等的遮寒蔽体或 装点美观到如今有目的、有想法地种植、饲养、采矿、再生、合成等方法 获取初级纤维，再由复杂、智慧的人工机械，甚至物理、化学方法加工成 的可用于产业用、家用、服装用的纤维、纱线、织物及其复合体。
足以显示出人类的才智和能力，并满足或基本满足人类生存与发展的 需求。
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Fibrous Soft-Matter Center
1、纤维发展及引出问题
纺织材料最为激动人心的发展是近100 年中纤维材料的发展，其不仅 表现在数量上的巨大进展，进展的速度令预测专家们都感到震惊，而且反 映在纤维品种和性能或功能上的突飞猛进，这种变化使材料学家和生产厂 商应接不暇，而消费者兴奋并受益。
因为60年前，人类生产及使用的天然纤维约为 1000万吨，不包括麻、 木棉、其他动植物纤维； 化学纤维330万吨，仅为天然纤维的1/3。60年后 的今天，天然纤维的消费量约3000万吨； 化学纤维却达到6180万吨，是天 然纤维的2.03倍。
60年前的世界人口仅27亿，今天的人口约72亿，增加了2.66倍；而天然 纤维增加的3倍，还不包括麻，如果只是满足人类的穿衣需求，此增长倍数 足以与人口膨胀持平。化纤增加了18.7 倍，除了纤维材料得以在其它领域 中广泛应用而使加工和使用者感到欣慰及满足外，反过来的问题不能不引 起人们的思考，今天的消费相对60年前变得“奢侈”多了。
难到从60年前的人均消费量4.9kg，真的有必要用有限的石油和土地资
源去发展到今天的人均消费12.75kg吗？是否应该循环利用纤维资源？
1、纤维发展及引出问题
产量的增加令人高兴也使人烦恼，因为纤维来源于宝贵的石油与天然 气和土地资源。但纤维品种和性能的发展确实实在在地是人类文明与进步 的象征。 从远古人类开始使用树叶、枝条和动物毛皮，到发现和利用纤维 已有至少10万年的历史。传统观认为8000年前古埃及开始使用麻；6000年 前古巴比伦使用羊毛；5000年前古印度使用棉花；4700年前中国使用蚕丝.
而考古新发现除棉外，又将时间推前，以色列犹大沙漠赫摩尔山洞发 现的距今 9160 ~8150年的亚麻织物；南美洲安第斯山洞窟遗址中发现距今 10600~7780年的毛织物残片；中国河南荥阳青台村仰韶文化遗址发现的距 今约5630年的丝织物。这些均为文明史前的实证，但其也仅为记录，而人 类开始使用纤维的历史肯定先于记录。
这麻、棉、毛、丝四大类纤维不仅在生长与获得上对人类极为友好， 是天然纤维素和蛋白质，易于获取、 能耗小、可持续，甚至可再生；而且 在结构和性能上各有特点，成为人类效仿并发展化纤的范例。从化纤的发 展便可清晰地看出这一模仿的痕迹，见图7所示。。
天然 纤维 组成 再生纤维 合成纤维 仿棉仿毛 中长纤维 形态 模仿
异形纤维
复合纤维
长度 模仿 模仿
人类模仿天然纤维的发展过程
正是模仿天然纤维的线性高分子，人类从简单地直接溶解、过滤获得 粘胶液，制得“人造纤维”，更多地称“再生(regenerated)纤维” ，到使用合 成技术将低分子变为线型高分子进而加工出合成人造纤维， 因“人造(man- made)纤维”一词已被粘胶用掉，故转称合成纤维(synthetic fiber)。再生纤 维当时已有纤维素和蛋白质类，现又出现再生淀粉、再生甲壳素纤维、甚 至再生化学纤维，乃至所有纤维的再生化。这将是上世纪前半叶最重要的 内容，因为有年产6000万吨的化纤在不断地变成自然界中的高分子原料。
并对此类初级化学纤维进行了长短、粗细和消光的处理。如仿棉、仿 毛、中长纤维和加二氧化钛粉末（200~300nm）消光的纤维。从19世纪末 叶到20世纪30~40年代，花了近半个世纪，这些统称为初级或普通化纤。
而后又开始模仿天然纤维的形态及部分性质，见图7及图8 中的中 。 以此改善原来统一呆板的圆形和不吸湿、难以染色的缺陷。如今统称为差 别化纤维，即与原来合成纤维的形态、组份和可及性（可吸湿、可染色） 存在差别的纤维。
如羊毛皮质双边分布产生的卷曲和蚕丝优良光泽的三角形截面，导出 了复合纤维（或卷曲纤维）和异形纤维，以增加纤维的弹性及可纺性和纤 维的光泽。如截面更细的超细纤维可以仿制皮革；如能够产生收缩或弹性 的高收缩纤维和弹性纤维；可以较好吸湿，甚至吸水的高吸湿纤维；可以 保暖的中空纤维和提高染色性的阳离子可染涤纶纤维等。
事实上， 初级化学纤维本身因纺丝凝固先后的原因，会产生非圆形化 的截面，但那不是人为所致，故人们不将其放在差别化纤维内，因为人们 认为差别化是人工控制纤维形态、组份和可及性（可吸湿、可染色）的成 功。虽然这些都是源于自然界的启示，但人类从无到有、从不能控制到能 够控制的生产，并在一些性能和形态上超过人们赖以生存和学习的对象— —天然纤维，如超细、弹性、强度等。
由此成功，人类变得一发而不可收拾。在纤维改性和高性能上，在功 能化甚至智能化上形成了新的分枝， 而且以应用为主线，在改性、高性能, 功能化上取得了许多进展，见图8。
近 60 年
100 多年
天然纤维 榜样
纤维形 、性、 功 能的可控 与可变 ，组成的可选 纤维高性能化和纤维 自适应行为的实现
高湿模量 强力粘胶 Lyocell
(Tencel ) 甲壳素
聚乳酸
(玉米)
牛奶酪素 大豆蛋白
其它组成 化学 纤维 如 PTT
PBT
氨纶
再生化学 纤维等
异形 复合 异组合
超细 、亚 微至纳米 弹性
高吸湿
常温 可染 多色谱
异收缩
异粗细
异截面
开发利用 升级利用
极细羊毛
麻、 竹类 蜘蛛丝
溶解
粉末化
基因技术 改性类
拉伸细化 劈裂分离
图8
纤维的发展及
天然纤维的作用
人类应该承认 自然 界 天然纤维的作用就如 同母亲 ， 孕育 了儿 女
人类有 能力 、在进步
但还稚嫩 ，会 犯错
误，应该自律
芳纶、碳纤维、 玻纤、高强涤、 锦、 维纶
静电纺
自生长
静电纺准 纳米纤维
角蛋 白
UHMPE
PBO
PEEK
陶瓷
动物（毛发 、分 泌液）
植物（种籽 、韧 皮、 茎 、 叶、 果壳）
高性 能
自生长 纳米纤维
复合功 能 智能化
导光 导电 吸水 过滤 分离 相变 记忆 变色
自适 应等
2
0
尼龙、 涤纶等 6 大类
再生纤维素、再生 蛋 白质
再生
合成纤维
差别化 纤维
高收缩 、弹 性
可染色 、可 吸湿
高性能 纤维
纳米 纤维
异形 、 复合、 超细
仿生
改性
矿物（岩 石类）
表面 改性 多孔
共 聚共混 改性
功能化 智能化
5000 年
<60 年

通过共混、共聚、接枝、表面改性以及纤维聚集态结构和高次结构的 精细调整， 出现的聚丙烯腈类，大豆、牛奶酪素类、角蛋白改性类，等离 子体或高能辐射表面改性类，液晶纺丝控制分子排列与结晶，高次结构原 纤的螺旋化等。
采用静电纺丝(electro-spinning)和自生长(self-growing)或纤维分离技术, 制备纳米纤维： 虽静电纺丝的纤维粗细仍在亚微米(100~1000 nm)尺度徘徊 且强度很低(≤1cN/dtex)，但已能产业化生产。 虽自生长纤维还在实验室研 究，但能轻而易举地实现纳米尺度的原纤， 即从废弃天然纤维中分离纳米 原纤体的产率及速度较低，但已能分离得棉、麻的纳米晶须和羊毛的亚微 尺寸的巨原纤和纳米尺寸的微原纤晶须体。
通过选择高性能组分或纤维的高性能化，获得高性能纤维，如碳纤维, 强度从1~3GPa提高到9GPa，虽与其晶体强度差2个数量级，但为最强纤维 之一；超高分子量聚乙烯强度达4.5~5GPa，与其分子强度几乎在同一数量 级。人们在努力实现纤维强度向其分子强度的逼近，但到今天为止，还没 有一根长丝，在考虑重力作用下，能够将地球与月球相连。而均匀连续的
碳纳米管却能提供这种可能，见图9。
(a)
图9 碳纳米管结构模型(a)和实物集束体(b)
200nm
(b)
通过纤维形态、尺度、结构和组份的调整，以及排列的多维、多层次, 可使纤维获得不同的力、热、光、电、声、磁、湿、表面功能等，如图8。 甚至利用纤维组份或结构对这些物理作用，甚至生物、化学作用产生的激 发反应并可循环（称可复位性)，制成自适应（self-adapted）的智能纤维, 如形状记忆、相变、变色、结构色、 触须感应等。人类不仅可以选择纤维 的质（组成与含量）和调控纤维的形（形态、尺度、结构与表面）以获得 纤维的性 (性能与功能)，而且可赋予纤维进行形、性自适应变化的功能。
变得不是“上帝”造物，而是人类本身造物。这与当今人类科技的生物基因 技术（克隆技术） 一样，具有突破性的意义和极大的挑战。
尽管人类可以或正在进行纤维的改变与创造，甚至在改变天然纤维， 但人类至今还在许多方面不及天然纤维。
>如纤维的强度和弹性伸长始终不能达到蜘蛛丝那样的状态，即实际强度 无法进入其分子强度的1个数量级。
>如纤维的原纤结构无法像棉、毛那样可以发生多级螺旋；也无法实现像 棉纤维那样外层具有自约束的网状结构层。
>如纤维的中空度只能达到60%，而无法像木棉纤维那样达到近90%的连 续中腔，更无法想象在这仅1~2μm的胞壁厚度中存在5+2层不同取向和 排列密度的原纤结构层，见图10。
>如纤维的表观形态无法产生像毛发类纤维的鳞片状条纹或粗糙起伏；
>无法像羽绒纤维形成小枝杈和奇妙的分形现象，如图11(a)；
>无法象兔毛那样形成中强的“竹节”结构，图11(b)。
图10 木棉纤维的微细结构与层次
(b)
(a)
图11 分叉羽绒和有竹节多髓腔的兔毛
Virginia Opossum (Didelphus virginiana)
River Otter (Lutra canadensis )
Brazilian Free-tailed Bat
Mountain Lion (Felis concolor )
Black-tailed Jackrabbit (Lepus californicus)
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White-tailed deer (Odocoileus virginianus)
TMT-FSM
人工纤维成形技术，除了速度和均匀性外，都不及生物界温文尔雅、 形式多样、 一次完成的成纤行为。
尤其是羊、蚕和蜘蛛，在其柔弱的毛囊或分泌腺中，却会生长或吐 出如此结构复杂、性能优异的纤维。
柔弱、微小的棉或麻纤维竟能携带沉重的种子，广布于它乡；竟能 构造起坚实的复合体，保护自身的茎杆。
这些可爱的动物和植物们，竟然能比人类更富有天分地进行着纤维 的生成和结构形态的调整。
特别是对分子的排列，看上去强大而聪明的人类却显得笨拙，始终 不及天然纤维的作为。
这可能就是纤维更深层次发展与表征的主要问题了。
纤维在不断地发展，新纤维层出不穷，对纤维的认识与了解也不断 地深化，我们应该积极主动地关注这些进展。
感谢聆听

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