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 lm直径的圆柱体 (4~6)×10 m直径的圆柱体(4 纤维(lpum-100m)(46)×10 纳米材料(10nm-100nm)0.360.51 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 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 纤维表面的定义 所谓纤维表面是指纤维表层05~5m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) 表层厚度/表面轮廓 o● 9 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
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（1m~100m） (4~6)×10-4 纳米材料（10nm~100nm） 0.36~0.51 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 所谓纤维表面是指纤维表层 0.5~5nm 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）。 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
●●O●0●●O OOOOOO●ooo●o ●●●●●●●●●●●●● 图62AB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 E Ol△A 肥皂液膜|(v=FAD 图6-3液体表面增大所作的功 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 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6-4AFM的表面原子像 (a)羊毛
LA LAB LB 界 面 层 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。 = = = A W l G E (6-1) A (W=F l) F 肥皂液膜 l L 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。 表面缺陷 0 B. (b) 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 电子 中性 离子 二次电子 发 背散射 电子区 线产生区 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 低能电子衍射LEED 表面及吸附层结构 能量Eo50-~500eV 反射高能电子衍射 RHEED表面结构 Eo 10-100 keV 俄歇电子谱AES 表面组分,结合能 Eo 2-5 keV 电子 扫描电子显微镜SEM 表面形貌 全膜覆盖表面 透射电子显微镜TEM表面形貌 表面复制膜形态 扫描隧道显微镜STM表面轮廓、结构与成分表面轮廓m 紫外光电子能谱UPS 电子束缚能,吸附态「深度1.0-5.0mm 光子 X射线光电子能谱XPS电子能态表面吸附 深度1.0~50m 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<10mn
(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。 裂 口 孔 表 洞 面 缺 陷 裂隙 纤维 B A (a) (b) (c) 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。 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 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 1.0~5.0nm 深度 1.0~5.0nm 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 天然纤维的表面特征 棉纤维 微条纹产生的“起绉”表面结构 图68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 次表皮层a 鳞片膜) 内表皮层 细胞间质CMC 图6-10羊毛纤维表面的鳞片结构
(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 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
(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6-13腈纶纤维的表面形态与结构(SEM) 表面改性和高性能纤维的表面特征 1.纤维粗糙化改性 2.纤维柔软化改性 纤维柔软化的表面改性,就是改善纤维表面的摩擦性。最常用的方法是上柔软剂,或表面涂层 覆膜。 图6-14羊毛的等离子体刻蚀处理表面(SEM)
（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 6-13 腈纶纤维的表面形态与结构（SEM） 三、表面改性和高性能纤维的表面特征 1. 纤维粗糙化改性 2. 纤维柔软化改性 纤维柔软化的表面改性，就是改善纤维表面的摩擦性。最常用的方法是上柔软剂，或表面涂层 覆膜。 图 6-14 羊毛的等离子体刻蚀处理表面（SEM）