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行业动态

超细纤维的基本概念

发布时间:2013年11月10日来源:山东世安超纤新材料有限公司 点击: 2277 次

一、纤维细度的表征

所谓纤维,是指一种细长而柔韧的物质。纺织用纤维的长度与直径之比应大于1000,典型的纺织用纤维的宜径为数微米至数十微米,长度一般大于25mm;通常其断裂强度在2 cN/dtex以上,断裂伸长率不低于10%。

过去,纤维的细度用物理量纤度表征;现在,表征纤维细度的法 定物理量为线密度,用符号pt表示。线密度的定义为“质量除以长 度” , 其计量单位是特[克斯], 用符号tex表示。

特[克斯](tex)的定义为1km长纤维的质量为1g时,称该纤维 的线密度为1特[克斯],即1tex=1g/km。由此可知,1km长的纤维 质量为3g时,纤维的线密度即为3 tex。由于纤维很细,为表示方 便,常以特[克斯]的1/10作为线密度的度量单位,即分特[克斯] ( dtex) ,1tex=10dtex。

也曾使用过其他计量单位度量纤维细度,如旦(den或d),当 9000m长纤维的质量为1g时,称其细度为1旦;公支(Nm),当质量 为1g的纤维长1m时,称其细度为1公支。这些方法已逐步被法定 计量单位特[克斯]所取代。

显然,用线密度表征纤维的细度只具有相对性,即对同种纤维 而言,可用线密度进行纤维细度的比较;而对不同种类的纤维,因纤 维密度不同,严格讲就不能用它进行纤维之间细度的比较。应该 说,纤维直径才是衡量纤维细度最具可比性的物理量。但是,在实 际应用中纤维直径的测量较为困难,因此多用线密度来相对表示纤 维的细度。

纤维直径与其线密度之间的关系可根据线密度的定义[式 (1一1)]和纤维质量的计算公式[式(1—2)],经过简单推导得出:
pt= m/L (1一1)
m = p.πD2L/4 (1一2)
将两式联立, 可知纤维直径与其线密度之间有以下关系:
D = 1.128(pt/p)1/2
式中:D——纤维直径
pt——纤维线密度
p——纤维密度
通常以um作为纤维直径D的单位,以dtex作为纤维线密度pt 的单位,以g/cm3作为纤维密度p的单位。 设{pt}dtex表示以dtex为单位的线密度数值,{p}g.m-3表示以g/cm3为单位的密度数值,于是,式(1-3)即为:
D = 1.128[{pt}dtexdtex/{p}g.cm-3g.cm-3]1/2
= 1.128({pt}dtex/{p}g.cm-3)1/2[dtex/(g.cm-3)]1/2
因为:
dtex=tex/10,而tex=g/km,所以dtex=g/10km=g/1010um
并且:
g/cm3=g/1012um3
于是:
D= 1.128({pt}dtex/{p}g.cm-31/2[g(1010um)-1/g(1012um3)-1]1/2
= 1.128({pt}dtex/{p}g.cm-3)1/2[10um]
=11.28({pt}dtex/{p}g.cm-3)1/2um
即:
D=11.28({pt}dtex/{p}g.cm-31/2um (1-4)

显然,当已知以dtex为单位的纤维线密度数值和以g/cm3为单位的纤维密度数值后, 即可由式(1 -4)直接得到以um为单位的纤维直径。

部分纤维材料的密度见表1。

 

表1 部分纤维材料的密度
纤维 p/g.cm-3 纤维 p/g.cm-3
粘胶纤维 1.51 PE纤维 0. 91
PA6纤维,PA66纤维 1.14 玻璃纤维  2. 62
PET纤维 1.38 芳纶1313 1. 38
PAN纤维 1.16 芳纶1414 1.44
PP纤维 0.91 碳纤维 1.77

注PA6为聚酰胺6,PA66为聚酰胺66,PET为聚对苯二甲酸乙二酯,PAN为聚丙烯 腈,PP为聚丙烯,PE为聚乙烯。

单纤维的线密度(俗称dpf)对纤维及纤维制品的品质影响很 大,将在下面讨论。超细纤维最显著的特征就是它具有比普通纤维 小得多的线密度。目前,世界上可实现人工制造的最细的超细纤维‘ 的线密度是0.00011dtex(0.000099旦),其直径仅有0.095um,达 到了纳米级水平。

二、超细纤维的定义

迄今为止,国际上及我国并没有对超细纤维的概念的公认定 义。美国PET委员会将单纤维线密度为0.3~1.0dtex的纤维定义 为超细纤维,日本则将单纤维线密度为0. 55dtex以下的纤维定义为 超细纤维, 荷兰AKZO公司则认为超细纤维的上限应为0.3dtex。 但大多数人接受的概念是单纤维线密度为0.1~1.0dtex的纤维属 于超细纤维;而单纤维线密度小于0. 1dtex的纤维被称为超极细纤 维。从纤维细度出发,目前对纤维的称谓有粗旦纤维、细旦纤维、微 细旦纤维、超细纤维以及超极细纤维之分。

三、超细天然纤维

人类对化学纤维细度的追求是受天然纤维的启迪,超细纤维是 仿生学在化学纤维领域的拓展。自然界中存在的天然纤维呈现出 这一事实:纤维愈细愈能表现出优异的性能与功能。部分天然纤维 的线密度列于表2。

 

表2 部分天然纤维的密度及线密度
纤维名称 密度p/g.cm-3 线密度pt/dtex 直径D/um
 细绒棉  1.51  1. 50~2.0  11.2一13.0
 长绒棉  1.51  1. 11~1.43  9.7~11.0
 粗绒棉  1.51  2. 80~3.45  15.4~17.0
羊毛  细羊毛  1.32  <5.84  <25.0
 中细羊毛  1.32  2.10~12.7  15.0~37.0
苎麻  1.52  17.20  40.0
 亚麻  1.46  1. 49~2.98  12.0~17.0
 大麻  1.49  2.39 - 9.49  15. 0~30.0
 桑蚕茧丝  1. 33~1.4  2. 11~2.9  13. 90~ 16. 54
 桑蚕熟丝  ——  0. 79~1.12  8. 50~10. 13
 柞蚕茧丝  1. 58~1.65  4.93  19.45
 柞蚕熟丝  ——  1.85 12.09
蜘蛛丝  ——  ——  .50~1.00

注:表中数据系依据中国大百科全书出版社(1984.6第1版)出版、陈维稷先生主 编的《中国大百科全书》(纺织卷)的第16、172、188、300页中相关词条数据折算 而得。

1. 蜘蛛丝

蜘蛛网中, 由中心向外呈放射状的丝较粗, 是蜘蛛网的支撑骨 架; 蛛网中环状排列的丝很细, 直径在0.5~1.0um, 可用作天体望 远镜的基线。美国马萨诸塞州研究中心的军事科学家和分子生物 学家发现, 蜘蛛丝是承受重物和抵抗外力冲击的最佳材料, 它具有 极高的强度和模量, 可用作核放射研究的试样吊线。Kevlar( 聚对苯 二甲酰对苯二胺) 纤维虽可用作防弹服, 抵御“ 常弹” 冲击, 但其断 裂伸长率只有4%, 韧性不足; 而蜘蛛丝的断裂伸长率可达1.4%, 韧 性极佳, 不仅是防弹服的优良材料, 甚至有报道说将它用在坦克装 甲上, 可“ 刀枪不入” 。

2. 蚕丝

蚕丝是由丝胶包覆了2根三角形丝素蛋白纤维组成的“ 复合纤维”。在缫丝过程中,用热水溶去茧丝外层的丝胶,便可得到2根由丝素蛋白构成的熟丝(即绢丝)o绢丝纤维的线密度大约在1.0dtex。

3.皮革

所有天然皮革均由多种具有复杂化学结构的氨基酸组成。天 然皮革的形态结构虽很复杂,但都是由各种不同细度的纤维集合体 所构成。扫描电子显微镜( SEM)对天然皮革形态结构的研究表明, 原纤维(直径为0. 1um数量级,即A数量级)大多集中在一起;细纤 维(直径在0.1um左右)则成束状集合、交络;而纤维整体(直径在 1~4um)也是成束状相互集合、交络,彼此缠结形成纤维束。天然 皮革由各种不同粗细的纤维构成,靠近皮革表层的纤维最细,内部 的纤维则呈束状立体缠结,形成交络结构。这一结构正是形成天然 皮革优异性能的根本原因。天然皮革中最细腻的为麂皮。但是麂 子是珍贵的野生动物,是人类的朋友。近年来,人们制造的“人造麂 皮”正是对天然麂皮的模仿,而人造麂皮制造的最关键技术是它的 基材——超细纤维的制作。

4.动物的绒毛

例如生活在南美洲安第斯山脉的珍贵动物——骆马,它的皮毛 很贵重, 绒毛虽纤细却有筋骨, 细度不足1.ldtex(1旦) 。 水貂毛皮的高级感不在于毛的粗硬,而在于它从1个毛孔中可 以生出12 ~13根绒毛。这些绒毛非常细,大多不足1.1dtex(1 旦), 具有尖端并呈根部细、中间粗的形态结构。 鸡、鸭躯体下方长出的绒毛不但非常纤细,而且具有中空结构, 既轻又保暖。

5.其他超细天然纤维

木材经过提取木质素后得到的纤维素纤维、天然竹筒内壁的“膜”、附着于鸡蛋壳内壁的“膜”等也都是由天然超细纤维构成的。 大米放置时间较长后会生虫, 小虫吐出的丝的直径也仅有0.5um。

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