第六章 纤维的表面性质第六章 纤维的表面性质

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表 6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比

材料材料 体积比体积比

1m1m直径的圆柱体直径的圆柱体 (4~6)×10(4~6)×10-9-9

1mm1mm直径的圆柱体直径的圆柱体 (4~6)×10(4~6)×10-6-6

纤维（纤维（ 11m~100m~100mm）） (4~6)×10(4~6)×10-4-4

纳米材料（纳米材料（ 10nm~100nm10nm~100nm）） 0.36~0.510.36~0.51

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第一节 纤维表面的内涵第一节 纤维表面的内涵一、表面的基本概念一、表面的基本概念

1. 1. 纤维表面的定义纤维表面的定义 指纤维表层指纤维表层 0.5~5nm0.5~5nm 内的组成、结构和其亚微内的组成、结构和其亚微

米尺度及其以下的表观形态。米尺度及其以下的表观形态。 形态亚微米尺度（形态亚微米尺度（ submicro-scalesubmicro-scale ）、厚度纳）、厚度纳

米尺度（米尺度（ nanoscalenanoscale ）和分子尺度（）和分子尺度（ moleculamolecular scaler scale ） ）

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表层厚度 表面轮廓

粒子

图 6-1 表面结构、形态及相互作用

纤维表面结构与组成：非对称、不均匀、结构和形态不稳定

表层厚度：表层粒子间相互作用的非对称性达到基本对称时的厚度。表观形态：最外层粒子排列的轮廓线

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L A

L A B

L B

界面层

图 6-2 A/B物质的界面层示意图

纤维表面更多地关注界面问题 ：纤维与其他物质间、纤维中不同组份间、纤维中不同结构相间结合面或区域的特征

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2. 2. 表面能表面能 所谓表面能，又称表面（自由）能，是指形成单所谓表面能，又称表面（自由）能，是指形成单

位面积表面所消耗的功。位面积表面所消耗的功。

A( W = F l)

F

肥皂液膜

l

L

图 6-3 液体表面增大所作的功

A

W

l

GE

γ ＝ F/L ，为表面张力，指单位线长垂直移动或开裂所需的力

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二、纤维表面涉及的内容二、纤维表面涉及的内容1. 1. 纤维表面结构内涵纤维表面结构内涵

表面厚度（表面厚度（ 2nm~50nm 2nm~50nm ）、表面形态、表面组成（表层）、表面形态、表面组成（表层内粒子的构成及分布 ）、和表面结构（狭义的：表面中分内粒子的构成及分布 ）、和表面结构（狭义的：表面中分子的聚集态结构 ） 子的聚集态结构 ）

图 6-4 AFM的表面原子像

(a) 羊毛

(b) 兔毛图 6-5 羊毛和兔毛的鳞片像（ SEM

）

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2. 2. 纤维表面所涉及的基本物理性质纤维表面所涉及的基本物理性质 摩擦性质、浸润性质、纤维表面的热学、光学、摩擦性质、浸润性质、纤维表面的热学、光学、

电学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等电学性质，以及表面缺陷引起的力学性质劣化等

裂口

孔洞表

面缺陷

裂隙

纤维

AB

(a) (b) (c)

图 6-6 纤维表面缺陷导致的断裂

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3. 3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法纤维表面结构与性质的一般分析方法

电子束电子

中性粒子

离子

光子

电子吸收

二次电子发射区 背散射

电子区特征 X射线产生区

图 6-7 电子束激发的各类信息示意图

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表 6-2 常用表面分析方法名称及用途

探针探针 表面分析方法表面分析方法 用途用途 激发粒子能量或分析深激发粒子能量或分析深度度

电子电子

低能电子衍射低能电子衍射 LEEDLEED反射高能电子衍射反射高能电子衍射俄歇电子谱俄歇电子谱 AESAES扫描电子显微镜扫描电子显微镜 SEMSEM透射电子显微镜透射电子显微镜 TEMTEM扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 STMSTM

表面及吸附层结构表面及吸附层结构表面结构表面结构表面组分，结合能表面组分，结合能表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌表面轮廓、结构与成分表面轮廓、结构与成分

能量能量 EE00 50~500eV 50~500eV

EE00 10~100 keV 10~100 keV

EE00 2~5 keV 2~5 keV

全膜覆盖表面全膜覆盖表面表面复制膜形态表面复制膜形态表面轮廓表面轮廓 <10nm<10nm

光子光子紫外光电子能谱紫外光电子能谱 UPSUPSXX射线光电子能谱射线光电子能谱 XPXP

SS

电子束缚能，吸附态电子束缚能，吸附态电子能态表面吸附电子能态表面吸附

深度 深度 1.0~5.0nm1.0~5.0nm 深度 深度 1.0~5.0nm1.0~5.0nm

离子离子 二次离子质谱二次离子质谱 SIMSSIMS 表面元素分析表面元素分析 EE00>500eV>500eV

““探探”针”针 原子力显微镜原子力显微镜 AFMAFM 表面结构、轮廓和成分表面结构、轮廓和成分 <10nm<10nm

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4. 4. 纤维的表面改性纤维的表面改性 纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的，纤维表面改性是纤维表面分析研究的主要目的，

是期望通过有效方便的表面处理获得理想、实用、是期望通过有效方便的表面处理获得理想、实用、新型纤维的主要方法新型纤维的主要方法

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第二节 纤维的表面特征第二节 纤维的表面特征一、天然纤维的表面特征一、天然纤维的表面特征

1. 1. 棉纤维棉纤维棱脊状条纹：棉纤维干瘪收缩，表层和棱脊状条纹：棉纤维干瘪收缩，表层和 S1S1 层起拱层起拱所致。交叉移动时轻微跳动，铮铮作响，可纺性，所致。交叉移动时轻微跳动，铮铮作响，可纺性，“起绉”表面结构 “起绉”表面结构

图 6-8 棉纤维的表面形态

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2. 2. 毛发类纤维毛发类纤维

图 6-9 羊毛纤维表面的鳞纹

外表皮层 （鳞片膜）

次表皮层 a

次表皮层 b

内表皮层

细胞间质 CMC

图 6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构

伪棱脊（较大的横向突纹）、鳞纹（较细小的平行于纤维轴向的条纹 ） 、类膜物质（ 2~4nm 厚）

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图 6-11 “ ”羽绒表面的原纤排列及 膜层 (TEM)

兔毛纤维：极好的滑糯性

羽绒纤维：表层结构为排列规整的原纤，表面存在 “膜层”

蚕丝纤维：表层一排原纤紧密，表层呈层状结构，具有丝胶及微细沟槽，以及一些毛丝，纵向滑爽、横向略糙，有丝鸣

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二、化学纤维的表面特征二、化学纤维的表面特征1. 1. 再生纤维再生纤维2. 2. 普通合成纤维普通合成纤维

图 6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构（ SEM）

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图 6-13 腈纶纤维的表面形态与结构（ SEM）

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三、表面改性和高性能纤维的表面特征三、表面改性和高性能纤维的表面特征1. 1. 纤维粗糙化改性纤维粗糙化改性

增加纤维的有效外露面积，增加单位面积表面的吸附能增加纤维的有效外露面积，增加单位面积表面的吸附能（表面张力）（表面张力） 2. 2. 纤维柔软化改性纤维柔软化改性

改善纤维表面的摩擦性，上柔软剂，或表面涂层覆膜改善纤维表面的摩擦性，上柔软剂，或表面涂层覆膜

图 6-14 羊毛的等离子体刻蚀处理表面（ SEM）

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3. 3. 合成纤维的丝光改性合成纤维的丝光改性 主要是通过表面刻蚀的方式，在纤维表面产生微坑，通过主要是通过表面刻蚀的方式，在纤维表面产生微坑，通过

微坑的反光聚焦作用产生闪光点 微坑的反光聚焦作用产生闪光点

图 6-15 涤纶的丝光处理表面（ SEM）

23/4/2023/4/20 1919

4. 4. 高性能纤维的表面特征高性能纤维的表面特征 芳纶（芳纶（ KevlarKevlar ）是液晶纺丝，无明确的表层结构，）是液晶纺丝，无明确的表层结构，

受剪切作用后，产生原纤劈裂伸出的表面受剪切作用后，产生原纤劈裂伸出的表面

图 6-16 芳纶纤维的表面形貌（ SEM）

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第三节 纤维的摩擦性质第三节 纤维的摩擦性质一、纤维摩擦中的基本现象一、纤维摩擦中的基本现象

1. 1. 摩擦系数摩擦系数

传统表达的局限传统表达的局限NF

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表 6-3 纤维的动、静摩擦系数（ μS， μD）

纤维 纤维 μμSS μμDD

粘胶与粘胶粘胶与粘胶 0.350.35 0.260.26

锦纶与锦纶锦纶与锦纶 0.470.47 0.400.40

羊毛与羊毛与羊毛羊毛

顺鳞片方向顺鳞片方向逆鳞片方向逆鳞片方向同纤维方向同纤维方向

0.130.130.610.610.210.21

0.110.110.380.380.150.15

羊毛与羊毛与粘胶粘胶

顺鳞片方向顺鳞片方向 0.110.11 0.090.09

逆鳞片方向逆鳞片方向 0.390.39 0.350.35

羊毛与羊毛与锦纶锦纶

顺鳞片方向顺鳞片方向 0.260.26 0.210.21

逆鳞片方向逆鳞片方向 0.430.43 0.350.35

（ 1 ）相对滑移速度的影响

23/4/2023/4/20 2222

v

O

S

D

流体润滑

边界润滑

大多测试段

图 6-17 滑动速度 v与摩擦系数 μ的关系

摩擦力 F 或摩擦系数与滑动速度 v 相关

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（ 2 ）表观接触面积的影响

式中， α 为与粗糙度和材料硬度相关的常数

ANF

（ 3 ）正压力的影响

两物质间的正压力 N的大小与摩擦并非线性关系 cbNaNF

式中， a ， b ， c 均为常数， n 为 2/3~1 的常数

23/4/2023/4/20 2424

（ 4 ）表面粗糙度的影响

光滑表面增加物体间的相互接触面积；粗糙表面增加两物体间的机械锁结

粗糙度 r

摩擦系数

O

硬体

软体

图 6-18 摩擦系数 μ与粗糙度 r的关系

表观

实际

A

Ar

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（ 5）表面硬度的影响

（ 6）纤维外观形态及表面附着物的影响

（ 7）环境温湿度的影响

• 纤维的截面形状：非圆形纤维易于产生螺旋状的转曲， 影响相互靠近，相互间接触概率低，摩擦作用弱

• 纤维的卷曲：影响纤维间的相互纠缠，抱合力增加

抱合力：指纤维间的正压力 N＝ 0时的纤维间的滑移阻力，是纤维成网、成条的根本机制

接触点塑变，增大接触面积，导致机械锁结的解体

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2. 2. 粘－滑现象粘－滑现象 产生粘－滑现象的本质原因是纤维的静、动摩擦产生粘－滑现象的本质原因是纤维的静、动摩擦

力或静、动摩擦系数的差异所致 力或静、动摩擦系数的差异所致

F SF

F D

xO

(F S ,F D )

v下移动板

上滑动块F

弹簧

(a) (b)

图 6-19 粘－滑过程及摩擦力曲线

下板块以 v 被拖动时，由于 FS ，上滑块与其同步粘合移动，弹簧拉力F 增大。当 F>FS ，上滑块因 F 作用回退，动摩擦产生；当 F<FD 时，粘合移动→粘－滑周而复始。

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涤纶丝与涤纶丝的粘－滑作用产生与消失的相对移动速度范围

T = 7 5 g

T = 5 0 g

T = 2 5 g

8 0

1 0 0

6 0

4 0

2 0

01 0 -4 1 0 -3 1 0 -2 1 0 -1 1 0 0 1 0 1 1 0 2

滑移速度 ( m /m in )

摩擦力

(g)

图 6-20 纤维摩擦中的粘－滑现象

相对移动速度 >0.1m/min 时粘－滑现象将消失

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3. 3. 摩擦的对称性摩擦的对称性

纤维

接触点

动纤维

定纤维

T小， T大 T大， T小

(a) 对 称 摩 擦 (b) 非 对 称 摩 擦

图 6-21 纤维的对称和非对称摩擦示意图

对称摩擦：双变点接触摩擦，“ X” 摩擦，瞬间接触作用，温差小、摩擦作用程度小非对称：单变点接触摩擦， “＋”摩擦，动纤维温度逐渐上升

23/4/2023/4/20 2929

梢( T )

逆鳞片 顺鳞片根( R )

逆 顺

=T =R

弱作用， ＝ 0 强作用，且 大

逆 顺

逆顺

Äæ>˳

图 6-22 羊毛差微摩擦效应

44 、摩擦的方向性、摩擦的方向性

a. 摩擦的各向异性： μ∥≠μ⊥

b. 差微摩擦效应：羊毛特有， Δμ＝ μ逆－μ顺 >0

顺逆

顺逆2

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A

A '

A ' '

拉伸拉伸

回缩

F顺小F逆大

移动量

图 6-23 羊毛毡缩过程示意图

羊毛集合体的毡化：由差微摩擦效应，羊毛的高弹性伸长率和促进弹性伸长与回复的热、湿、机械综合作用完成的

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二、摩擦机理与测量二、摩擦机理与测量1. 1. 纤维的摩擦机理纤维的摩擦机理

plad0 FFFFF

Fad ：粘附力，摩擦作用的大小与相对滑移速度有关Fl ：锁结力，宏观形态的锁结造成了接触点处的卡扣和锁结Fp ：耕犁力，由于材料变形，剪切而被刨刮、耕犁的力

Fad ， Fl 和 Fp 均为接触面积 A 、粗糙度 r 、相对滑移速度 v 的函数

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F

T 1T 0

mm

( a )½ÊÅÌ ·¨ »ú¹¹ ( b )½ÊÅÌ ·¨ Ô­Àí

T 0 T 1

d S

dTT + d T

R

图 6-24 绞盘法测量原理示意图

2. 2. 纤维摩擦性质的测量纤维摩擦性质的测量

02

dsin

2

dsin

02

dcos

2

dcos

NdTTT

FdTTT

d

d

TN

TF

若 F=μN 代入上式得：

dd TT eT

T＝

0

1

T1=m ； T0=m-FS,D ； θ=π

)ln(π

1

Fm

m

∴

∴

∵

23/4/2023/4/20 3333

F 0 f ( F f)

N NL

( a )d

l

F

微粘结点

单纤维

F = d l

= Fd l

剪应力

( b )

图 6-25 纤维抽拔法实验原理

（ a ）不加压可测单纤维的抱合力 F0f；加压可测摩擦阻力 Fτf （ b ）可测单纤维在粘结剂中的粘结力

23/4/2023/4/20 3434

¢Ù¹Î ¸Ë

¢Úµ¶Æ¬

¢ÛÏË Î¬¼ÜW W可调

¢Ù,¢Ú,¢Û可以互换

移动 v

力传感器

图 6-26 刮动法测量装置原理图

典型的非对称测量

23/4/2023/4/20 3535

第四节 纤维的浸润性与芯吸第四节 纤维的浸润性与芯吸一、纤维浸润（一、纤维浸润（ wettingwetting）现象）现象

1. 1. 平衡与非平衡浸润平衡与非平衡浸润

固体

液体 x

y

θ

a

b

SV

LV

SL

气体

图 6-27 平衡浸润模型

cosLVSLSV

（ 1 ）平衡态浸润（静态浸润）气、液、固三相交汇点 b受力达到平衡（∑ X=0 ），达到平衡不变的液体形状

Young-Dupré方程

23/4/2023/4/20 3636

θθ 可否浸润可否浸润 coscosθθ 状态状态θθ＝＝ 0°0° 完全浸润完全浸润 11 或称铺展或称铺展

00<<θθ<90<90 可浸润可浸润 00 正浸润正浸润θθ=90=90 无浸润无浸润 00 零浸润零浸润

9090θθ180180 不可浸润不可浸润 00 负浸润负浸润θθ=180=180 完全不浸润完全不浸润 11 随遇稳态随遇稳态

表 6-4 平衡浸润的几种形式

接触角 θ：指气－液切面与固－液界面间，含液体的夹角

接触角 θ值表达固体的浸润性

LV

SLSVcos

－

＝

23/4/2023/4/20 3737

（ 2 ）非平衡浸润（铺展浸润、动态浸润）

在理论上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程， Young-Dupré方程不再适用

铺展浸润的特征：液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固－气界面消失

23/4/2023/4/20 3838

2. 2. 浸润的滞后性浸润的滞后性 固体表面第一次浸润（固体表面第一次浸润（ θθ11 ）和第二次浸润（）和第二次浸润（ θθ22 ）间存在）间存在

的差异的差异

21

3. 3. 伪浸润现象伪浸润现象

指由于材料的表观形态与真实形态存在差异，或材料表面不同组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中，而引起的表观接触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的现象

23/4/2023/4/20 3939

B B’ A A’

A

A’

B’

B

A滴 B滴

B’

A

B

图 6-28 粗糙表面浸润模型图

B B B A A A

A B

图 6-29 不同组份表面的浸润模型

形态伪浸润 组份伪浸润

表观接触角θA≠θB≠θ， θA’=θA’’=θB’=θB’’=θ为真正的接触角

不同组份的区域趋向于微观化时， θA与 θB的差异趋向一个稳态值θAB

23/4/2023/4/20 4040

二、纤维浸润性测量二、纤维浸润性测量1. 1. 接触角接触角 θθ 测量测量

纤维 纤维 转动

液体

图 6-30 插入转动法示意图

(b)

纤维

(a) L

H D 液滴

图 6-31 悬滴法计算示意和实物图

L

DH

2tan

23/4/2023/4/20 4141

a

b

注入 吸出

图 6-32 浸润的前进角和后退角的测量示意

23/4/2023/4/20 4242

2. 2. 浸润力的测量浸润力的测量 F

L

纤维

Gf

Fb 液体

纤维

v

图 6-33 浸润力测量原理图

bfP FGFF F 为纤维拔出力； FP为浸润力；Gf为纤维的重力； Fb为纤维浸润段的浮力 将 F换算出表面张力的表达，并令纤维为圆形截面，可得

LfLV 44cos LdLd

P

F

（ 1 ）竖直拔出法

23/4/2023/4/20 4343

O A B B C

C D (a) I

J2 P P’ Q

纤维

J1

浸没点

图 6-34 典型的实验曲线及过程示意图

(2) 水平浸入拉出法

23/4/2023/4/20 4444

A

D

O'

B

C

E F G

b

a a

b b

纤维

液面

a

>

<

图 6-35 液面和纤维的接触点的关系示意图

23/4/2023/4/20 4545

图 6-36 实验曲线中力值变化分析示意图

CDAB FFw 浸润因子w为

FAB和 FCD 分别为 AB和 CD段得力值

当θ＝ β时

TAA1 /π)(ππ ttt

ADT ttt

不考虑纤维架和纤维的浮力作用

)1/(π w

)( AA1TD1D ttttt

1TAA1 wwttt

23/4/2023/4/20 4646

表 6-5 浸润因子与接触角 θ的关系

力值关系力值关系 浸润因子浸润因子 接触角接触角FFCDCD ww→∞→∞ θθ=0=0

FFABAB 1<1<ww<∞<∞ 0<0<θθ<π/2<π/2

FFABAB==FFCDCD ww=1=1 θθ=π/2=π/2

FFABAB<<FFCDCD 0<0<ww<1<1 π/2<π/2<θθ<π<π

FFABAB=0=0 ww=0=0 θθ=π=π

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3. 3. 铺展速度的测量铺展速度的测量

A+ 气体 长丝

液体

A

A+

A-

0< v < vs

v = vs

v > vs

图 6-37 长丝向下运动时液面月牙状的变化

23/4/2023/4/20 4848

三、纤维芯吸与表征三、纤维芯吸与表征1. 1. 纤维集合体的浸润现象纤维集合体的浸润现象

纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象，或称芯吸。纤维集合体的浸润有毛细吸水的现象，或称芯吸。 芯吸作用与单纤维的浸润作用和孔隙形状因子有关芯吸作用与单纤维的浸润作用和孔隙形状因子有关

2 r

毛细管

2 r

液体少

液体少

图 6-38垂直和水平无毛细作用时液体的状态

典型的毛细管压力 p方程为： r

p cos2 LV

r

P=0

23/4/2023/4/20 4949

2. 2. 芯吸高度芯吸高度

hW

d

hP

d

LV

织物

LV 纤维表面

(a) 90°<θ<180° （拒水） (b) 0°<θ<90°（导水）

图 6-39 纤维正、负浸润时的芯吸模型图

g4

)cos( 2

hd

d )2

(cosg

4 LVP

d

h

g4

cos2

hd

d )2

0( cosg

4 LVW

d

h导水高度

拒水高度

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3. 3. 芯吸速度芯吸速度

可由定时间 t，测芯吸高度 hW、扩展长度 L和芯吸液体质量mW来表达

t

mv

t

Lv

t

hv W ml

Wh 或或

vh (cm/sec)为单位时间内的上升高度值；vl (cm/sec)为单位时间扩散的长度；vm (g/sec)为单位时间内芯吸的质量的增加量

孔隙横向时（纤维集合体平放）时，可用扩展比和扩展取向度表达织物对液体扩展的各项异性

l||l vvf 2

l||l

l||l )(

4

11

vv

vvf