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绪论
纺织材料学
一、纺织材料的属性与内容
(何谓纺织材料 )
二、纺织材料发展中的问题
(为何纺织材料发展较慢 )
三、应关注的知识及思考
(如何丰富该知识体系 )
主要关注的三个问题 0
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主旨：我们应该学和做什么？
“纺织材料学” 三个基本问题引出的思考
TMT-FSM
1、现有定义
纺织材料是指纤维及纤维制品；具体表现为纤维、纱线、 织物及其复合物，即两种定义。
定义一：“纤维与纤维制品”。
其表明了纺织材料既是一种原料、用于纺织加工的对象，又是一种产 品、乃通过纺织加工而成的纤维集合体。 不知对象则会盲目，盲目地采用, 低水平、高能耗地加工；不了解纤维则无从下手，则会伤及纤维，则会低估 纤维的能力；不知产品则不明用途， 就会产生不恰当的使用，就会仅限于衣 着类纺织品；不了解纤维制品——广义的纺织品，则可能只知如何华丽、漂 亮、得体、舒适地穿着，而无法使其用途变得广泛，性能变得特殊,功能变 得多样和智能。
一、纺织材料的属性与内容 1
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1、现有定义
纺织材料是指纤维及纤维制品；具体表现为纤维、纱线、 织物及其复合物，即两种定义。
定义二：“纤维、纱线、织物及其复合物”。
其描述了纺织材料的形成过程，可以顺序进行，也可以跳跃完成；表达 了从单一、分散、微小的纤维变为聚集排列、相互依存、互为作用的纤维集 合体，乃至复合物的加工成形。
前者“形成过程”告知我们纺织材料存在多种变体，存在从对象到产品的 多级转换；
后者“加工成形”喻意着纺织材料结构的复杂与多变及纤维作用的奇妙和 有趣。
一、纺织材料的属性与内容 1
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2、纺织材料的属性
物质或材料的属性，通常包含三类： “质” 、 属性，而且“形”属性正变得清晰和完整。
关于材料的基本属性
(1)形： 形态、尺度、表面、结构 （四要素）
一、纺织材料的属性与内容 1
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(2)质： 组成、含量、（物态） （二要素）
物理
力学 化学 生物
性质
与
功能
“形” 和 “性”
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（1）质属性
所谓“质”属性，即物质组成属性。其包括物质的组成(构成成分)、含量 (各组分的含量)和物态（气、液、固等态）。
这是人们善于选择并实现的材料特征属性， “质”是现有材料学中，人 们较多关注的对象。如：
纺织材料的纤维的化学组成及组分含量比, 纱线的纤维组成及混合比, 织物的纤维和纱线组成及其均质或混纺和交织比, 以及复合物所用纤维材料 与粘结及成型材料的组成及复合比。
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（2）形属性
所谓“形”属性，即广义的形态属性。其包括物体的形态与表面、尺度与 维数、内部构造与排列。这些都是人们常见并可以调整改善的特征属性,但 “形”作为材料的本质属性却往往被轻视和忽视。
形是人们在材料学中常说的“性状”特征中“状” ，其在以往多指外表形态 和内部结构，而忽略尺度和相互作用，造成认知的偏颇和缺陷。不仅如此， 甚至只关注材料的性（性能）质（组成），即只有是“质”和“性” 的分类，而 无“状” 即“形”之概念。因此，材料应该有“形”属性的分类，这也是纺织材
料、纳米材料、高分子材料在材料领域中的“性状”特征分类的基础与地位， 见图1。
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一、纺织材料的属性与内容 1
形态(morphology)：是指物体的轮廓所构成的几何形状。对纤维及纤维集 合体来说，诸如纤维的长度、截面形状、转曲、卷曲、分叉、表观形态等， 纱线的表观形态及毛羽等，织物的厚度、细观表观和竖绒及毛羽、毛球等。
尺度(scale and dimension)：是指纤维几何形态大小所在的尺度及其范围 与维数及其范围。对纺织材料主要包括纤维的粗细、长短、卷曲、分叉结构 等的尺度，可用纳米、微米、毫米等长度尺度；长径比、中腔比等比例尺 度；以及维数和分形维数(Fractal dimension)来表达。
表面(surface)：是指纤维及纤维集合体的表面微观形态和表面作用，即粗 糙度、纳微尺度的有序周期排列表面、棘齿形表面和表面能等。
结构(structure)：是指纺织材料中的基本单元的堆砌密度、排列形式和其 间相互作用这三个基本要素。这是材料学中人们所熟知的密度、排列和相互 作用三要素。 如单位体积中的基本单元（分子、纳米颗粒、原纤、纤维、纱 线等）的个数或质量，为密度；基本单元的几何排列形式（取向、随机、网 状、多维等）和组、复合构造排列，为排列；基本单元间的粘附、接触、摩 擦等物理、化学作用，为相互作用。
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（3）性属性（功能属性）
所谓“性”属性，即性能(performence)和功能(function)属性。
“性” 也常用性质 (property)一词来表达，因为人们认为质决定性、性 因质生，而浑然一体，甚至觉得只有组成决定性质。
性属性包括物质的物理性质与功能、化学性质与功能和生物性质与功 能。 本书主要关注物理性质与功能，兼顾必要的化学和生物性质与功能。
显然， 形和质是物质的两个独立的基本属性，是决定材料性能和功能的 本质属性。
最经典观点是： 结构决定性质，而性质是结构的外在表现。只是化 学性质较多地反映质属性，而物理性质较多地反映形属性。
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（4）材料的属性分类
纺织材料由定义可知，其涉及材料科学中材料归属及材料特征问题。 而称呼“纺织”材料，则带上了加工色彩。
材料科学中有高分子材料、金属材料、有机、无机材料、生物材料等, 这是以材料的组成属性来命名的学科；或以工程材料、建筑材料、组织工 程材料等，这是以材料的应用属性命名的学科。依此，纺织材料应该命名 为“纤维材料”，但这变成了以形态属性命名的材料，似乎是现在高分子、 金属、有机、无机、生物材料的次级分类。或可以改为“纺织工程材料”，
这又变为应用属性，还会引起畸意和误解。
应该清楚，纺织材料最关键和本质性的内容是以表面作用及排列组合 为主要特征， 以微小个体 ——纤维来构造 (fabricate)的纤维集合体，这是 组成属性和应用属性难以涵盖的材料命名。依据物质组成属性（即 “质”属 性）的，是将材料本身作为一整体去实现材料结构、形态、性质及其变化 的；依据应用属性的，也是将材料看作为一个整体或形态尺寸宏大的各单 元拼接成的整体，来实现应用中的结构、功能和寿命的。。
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纺织材料则是以微小的纤维单个体为特征，通过人工方法利用纤维的 性状，将纤维排列、构造成具有实用结构、性质和形状的材料。这种人工 行为可以实施到细长微小、形态和性质多变的单根纤维。 这是两类经典材 料学所不具备的特征表述，因为前者是宏观调控微观，故大多为均匀结构 的讨论；后者是宏观的性状和宏观拼接，非微尺度。
当今，以物质的形态尺度和功能作用来划分材料，变得日益明显。典 型的代表是纳米材料和表面功能材料，这是趋势，是科学和准确的。
材料命名与归类除了组成和形分类外，还有用途的分类，即按“应用” 属性命名分类，如图 1 所示。应用属性是指材料的功能和使用场合，即材 料的时空占有和物理、化学、生物性能。
仅以“用在何处”对材料划分不仅过于表象和简单，而且概念复杂。而 材料应用中最本质的特征是功能，以特征命名和分类成为必然。 如承载、 隔离、过滤、造型、耐久、舒适、传导、屏蔽、防护、高性能等，以及功 能的复合、变化、自适应与智能的材料，已打破了材料性状特征即质、形 属性的限制，也区别于原应用属性的划分，成为一个功能、复合或智能性
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的性状属性要求。
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功能属性
承载、隔离、过滤、造型、
耐久、舒适、导通、屏蔽、
高性能、自适应、智能等
形态属性
纳米材料、膜材料、
纤维材料、纸、皮革材料、 复合、结构材料等
应用属性
建筑材料、化工材料、
医用材料、通信材料、
组织工程材料等。
组成属性
高分子材料、金属材料、
有机、无机材料、
生物材料等
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图1 纺织材料依“形”属性的归类
纺织材料
性
形
质
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转
向
3、内容
依据纺织材料的定义,纺织材料的内容包括纤维及纤维集合体。 纺织材料学则是纤维和纤维集合体的结构、性能及其间相互关系的 学问，包括认知、表征和发展。
（1）认知
所谓认知，通常是对纺织材料和前人经验知识的认识和了解，即感知 与学习，是直接体会和阅读接受的过程，但还包括发现。 感知是最新、最 直接的，没有人为的痕迹，也很少有引导，要凭好奇、耐心和观察力； 学 习是经典的、间接的，有人为观点和想法，要有兴趣、理解力和判断力。
一、纺织材料的定义与内容 1
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（2）表征
所谓表征，简义是表达特征。
表达可以是表述（间接） 文字、图形、数字、符号及其组合，称 为文、图、式三要素。更可以测量（直接）。
“文” 即文字，是人类文明的产物，原本为简化表达和记载，而今变得 越来越复杂和冗长。
一、纺织材料的定义与内容 1
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“ 图”是物质或对象的直接表达，包括形状（照片与图像）和行为（关 系和规律曲线或形态模型），如今的图形、图像技术使其变得既直观又简 便，甚至复杂的数学物理模型和材料行为过程都可以动态地表达出来。
一、纺织材料的定义与内容 1
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100mm标尺探针像 100nm时的探针头端照片 10nm时的探针尖端照片
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“ 图”是物质或对象的直接表达，包括形状（照片与图像）和行为（关 系和规律曲线或形态模型）。
T x0tinle a尖teria端lsaAnd eMchno图log像y&
1nm尖端AFM图像
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50nm
50nm
一、纺织材料的定义与内容 1
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如今的图形、图像技术使其变得既直观又简便，甚至复杂的数学物理 模型和材料行为过程都可以动态地表达出来。
σ(ε) =ηk[1 一 exp(一 ε)] + Bε2
20 30 40
伸长率 (%)
图3 数字图形、物理模型及数学表达
单纤维典型拉伸曲线
— Vangheluwe模型
屈服区有差异， 其他段拟合较好
0
50
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30
25
20
15
10
5
0
单纤维比应力 T ( ) /cN/tex
E0
η
ENL
=Bε
0 10
σ, ε
一、纺织材料的定义与内容
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“式” 即数字的关系，可以将很长而又费解的文字、很大而又复杂的图 形，或长时间但有趣的动画才能表达的，甚至无法表达的内容，简明地表 达甚至解析出来。
m = = ； 而 m = m 0 1
c c 爱因斯坦相对论的质量－能量关系 c
CH2OH O OH HNCOCH3
OH
HNCOCH3/
O
CH2OH
Sl Snl = 4.2(1 n 1/ 5 ) l
Peirce的弱环（Weak-link）定律
O
甲壳素纤维 的分子式
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O
n
2
1
（2）表征
表达还可以借助其他手段与方法来实现，称为测量。这是实际的、 直
附加的长/强、颜色/杂质、含水率测试模块(可选)
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接的表达。
棉结测试
马克隆值 条码读数器
长度/强度、 颜色/杂质、
(可选) 含水率测试
UV 测试
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(可选)
(可选)
天平
测试
表达还可以虚拟地进行，即通过已有的结果，进行建模、替代实际的 测量，来预见性地表达、或模拟性地表达。
流程方向 —>
加工、设计过程 SK (K= 1,2, …, N)
f1i1 F1j1 fKiK FKjK fNiN FNjN
IN 过程 OUT
检测（各过程与效果）
控制（纤维和纤维集合体的运动）
优化（加工工艺与设备）
一、纺织材料的定义与内容 1
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特征与质量评价
、 、
可销毁和再利用
易护理
风格、
功能、
舒适
可加工性评价
最优组合与
最低成本原则
fk(E xi) 某加工 gk(E xi)
成品特征 Fj (j =1,2, …, n)
纤维性质fi (i=1,2, …, m)
S1 … S … SN
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K
（2）表征
表征包括材料的结构、性能及其相互关系的特征。
纺织材料的表征就是表达纤维及纤维集合体的结构、性质及结构与性 质的相互关系的特征。
它是认识和知识发展的基础。它要解决知识的发现、表达、验证、确 认和升华，以及对应的方法和技术。
所谓发展: 就是在原有基础上的新发现、新认知、新问题以及知识的 深化与创新。
感知和传承学习中的体会，对个人来说是一种提高和发展，是知识发 展的必要条件，但不等于发展。只有在确认其为正确的、或事实，并为前 人所未有的结果时，才是发展。
纺织材料科学中存在许多未知点及领域，需要人们的认识与发展。
一、纺织材料的定义与内容 1
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具体涉及的对象是纤维和纤 维集合体的形、质、性及形 和质与性能间的关系，纤维 与纤维集合体间的相互关系, 以及对应的表征方法与测量 技术。简明地表达如图5, 上 大三角和中两个小三角构成, 并由各自的形（质）和性能 支撑。
力学
色泽 均匀性 耐久性
易护理 形态稳定 手感风格
舒适性 安全可靠 防护功能
形、质
分子组成 分子结构 微细结构 几何形态
尺度与密度 表面
纤维
排列
加捻
纠缠
粘结
由纺织材料认知、表征 和发展的内容，纺织材料学
图 5
纺织材料的研究对象
及其间关系
力学 光学 热学 电学
声学
表面 吸湿
表征方法与技术
、纺织材料的定义与内容
纤维集合体特征
4、对象及相互关系
组织
形态
密度 空隙率
纤维特征
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形、质
性能
性能
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一
以纤维及纤维集合体形成过程为主线，引入加工处理步骤， 形与性关系如 图6所示。其不仅表达了纺织材料基本步骤和成形过程，而且表达了加工的 作用，加工步骤循环的必要性，以及纺织材料应该关注的领域和必须解决的 循环利用问题。这也是纺织材料形、 性理论研究总跟不上加工产生形性改变 的主要原因。
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成
网
固
着
纱线 的成形与 结构 、复 合、 连续 、断 续、 渐变加工
纤维 的初加工与成形加工
异形 、复 合、 异组合
表面 改性 、差 别化加工
织物的成形与多轴、立体加 工，以及染整加工
各种改型、复合、缝制、粘 贴及成形加工
原料选择 的
基本 原则与生态意识
环 境 对 表 征 的 影 响 和 加 工 及 制 品 对 环 境 的 影 响
最终产 品结构与组成
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织物 的结构与组成
纤维 的结构与组成
纱线 的结构与组成
循环利用
纱线性能
使用性能
纤维性能
纤维制 品
纤维原料
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废弃纺织品
粘 结 复 合
织物性能
使用
一、纺织材料的定义与内容 1
纺织不只是纺纱、织布, 纺织材料也不仅仅是纺织品, 或纱线和织物。 甚至更狭窄，说纱线就是短线纱；说织物就是机织物等。即便是说到纱线, 也不只是指那些单轴加捻成形的纱线；织物也不是指由纱线交织、编织而成 的织物，而是广义概念的线状和片状柔性材料。
当然，这是原来的传统纺织和产品，也是今天纺织工业的大宗纺织与产 品。但纺织材料及其加工早已跳出此传统概念，成为结构柔性和复合的材料 及其成形加工。
很难限定其轴系（喂入体系）和维数（空间构形）了。否则对纺织材料 的兄弟姐妹们不公平，而且是狭隘的。
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纺织材料可以通过纤维的集聚，得到：
使刚性的材料变得柔软，使柔性的材料变得刚硬；
使性质均匀的材料变得各向异性，使各向异性的纤维组合成各向 同性物质；
使部分物质（液、汽、气）能够出入自然，而使其它物质（颗 粒、水、微生物、汽）无法通过；
可使材料在多孔状态下达到隔热、保暖；
可使材料在很大的变形下保持弹性；
可让其他材料无法实现的三维曲面造型，通过二维平面的纺织材 料，柔性、自然地贴服于人体上。
这是人类以柔对刚、以柔制刚、以柔变刚、将刚变柔的杰作, 不 仅为人类自身造福，而且为现代材料学科提供了丰富的素材。
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一、纺织材料的定义与内容 1
纺织材料是微米级 (micrometer) 纤维的构造体，其形状与结构是微米 尺度讨论的问题，是最为接近现代纳米(nanometer)尺度的材料。事实上， 纤维本身内部和表面性状已是纳米甚至分子尺度的内容，但问题的关键是, 纺织材料(Fibrous materials)即纤维材料学科的人们竟未能首先进入到纳米 尺度，而当他学科发现当材料的尺度达到纳米尺度(nanoscale), 即1~100nm 时，其性质将发生重大变化，才有所醒悟和动作。而导致材料性质变化的 本因是这些纳米级的颗粒或纤维的表面作用成几个数量级的增加，也就是 尺度这一形要素决定了材料的性质，而不是人们熟知的组成和结构。
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