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第六章纤维的表面性质
纤维的表面性状是构筑纤维集合体的客观基础。
纤维的表面是外力,光、热辐射,电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体。
纤维表面同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体。
表6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比
材料
体积比
1m直径的圆柱体
(4~6)×10-9
1mm直径的圆柱体
(4~6)×10-6
纤维(1mm~100mm)
(4~6)×10-4
纳米材料(10nm~100nm)
~
本章仅介绍一些基本概念及现象,并以传统的摩擦和浸润表达为主。
第一节纤维表面的内涵
一、表面的基本概念
纤维表面的表达与物理或物理化学所述表面一致,包括表面结构、表面性质和表面状态。
1. 纤维表面的定义
~5nm内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。显然,是微尺度(micro-scale),确切地说是形态亚微米尺度(submicro-scale)、厚度纳米尺度(nanoscale)和分子尺度(molecular scale)。

图6-1 表面结构、形态及相互作用
纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的,如图6-1所示。
相对来说,界面要厚得多,因为其至少有两个“表面”完成过渡,见图6-2。但两个表面的过渡互为“溶合”,或晶体缺陷的界面,其厚度亦可与纯表面一样,甚至更小。
图6-2 A/B物质的界面层示意图
2. 表面能
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。
(6-1)
图6-3 液体表面增大所作的功
二、纤维表面涉及的内容
纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法。
1. 纤维表面结构内涵
纤维表面结构包括要素:表面厚度、表面形态、表面组成和表面结构(狭义的)。
表面形态是表层的外轮廓,同样是微尺度的,但跨度较大,在原子尺度~亚微米尺度范围内,如扫描隧道电子显微镜STM(Scanning tunneling microscope)或原子力显微镜AFM(Atomic force microscope)所看到的表面原子排列轮廓,见图6-4,以及羊毛鳞片表面和兔毛的鳞片形态,分别见图6-5(a)和(b)。
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)
2. 纤维表面所涉及的基本物理性质
纤维表面性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质,;浸润性质。还有纤维表面的热学、光学、电学性质,以及表面缺陷引起的力学性质劣化等。
图6-6 纤维表面缺陷导致的断裂
3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法
表面分析是一个专门化的学科,涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术。
图6-7 电子束激发的各类信息示意图
表6-2 常用表面分析方法名称及用途
探针
表面分析方法
用途
激发粒子能量或分析深度
电子
低能电子衍射LEED
反射高能电子衍射RHEED
俄歇电子谱AES
扫描电子显微镜SEM
透射电子显微镜TEM
扫描隧道显微镜STM
表面及吸附层结构
表面结构
表面组分,结合能
表面形貌
表面形貌
表面轮廓、结构与成分
能量E0 50~500eV
E0 10~100 keV
E0 2~5 keV
全膜覆盖表面
表面复制膜形态
表面轮廓<10nm
光子
紫外光电子能谱UPS
X射线光电子能谱XPS
电子束缚能,吸附态
电子能态表面吸附
深度 ~
深度 ~
离子
二次离子质谱SIMS
表面元素分析
E0>500eV
“探针”
原子力显微镜AFM
表面结构、轮廓和成分
<10nm
(1) 表面组成分析
(2) 表面结构分析
(3) 表面形态分析
(4)表面电子能态分析
(5)表面性质分析
4. 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,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。
第二节纤维的表面特征
一、天然纤维的表面特征
1. 棉纤维
微条纹产生的“起绉”表面结构。
图6-8 棉纤维的表面形态
2. 麻纤维
3. 毛发类纤维
(1)羊毛
较大的横向突纹,称为伪棱脊;存在较细小的平行于纤维轴向的条纹为微“鳞纹”。见图6-9。
图6-9 羊毛纤维表面的鳞纹
图6-10 羊毛纤维表面的鳞片结构
(2)兔毛纤维
(3)羽绒纤维

图6-11 羽绒表面的原纤排列及“膜层”(TEM)
4. 蚕丝纤维
二、化学纤维的表面特征
1. 再生纤维
2. 普通合成纤维

图6-12 不同纺丝速度涤纶的表面结构(SEM)

图6-1