紡織材料學 (第 2 版) PDF

 “十三五”普通高等教育本科部委级规划教材 纺织科学与工程一流学科建设教材 纺织材料学（第 2 版） 于伟东 主编 纺织材料学1.indd 1 2019/9/24 15:23:18  内 容 提 要 本书以纺...

 “十三五”普通高等教育本科部委级规划教材 纺织科学与工程一流学科建设教材 纺织材料学（第 2 版） 于伟东 主编 纺织材料学1.indd 1 2019/9/24 15:23:18  内 容 提 要 本书以纺织材料的定义、属性和内涵为本，介绍了纤 维、纱线和织物等纤维集合体及其复合体的结构与性能特 征，加工及使用对纺织材料的形（形态、尺度、结构和表 面）、性（性质和功能）的影响和形、性测量与评价的方 法。内容涉及纺织材料的基础理论和应用范畴，包括纤维的 分类，结构与形态，力、热、光、电、湿、表面、初加工性 质和纤维的鉴别与质量评定；纱线的分类、结构与形态特 征、力学性质、可加工性能和纱线的鉴别与品质评定；织物 的分类、结构与基本组织，耐久性、易护理性，风格、舒适 性和应用功能的可靠性与安全性，以及织物的使用保养、鉴 别与品质评定。以了解纤维及其集合体的形、性特征为基 础，明晰形与性之间的关系；辨析形、性产生与变化或不同 的原因；和保持、改善、提升纺织材料使用性能的方法。从 而使学生、读者能对纺织材料，这一柔性、多孔、各向异性 的纤维制品有基本但全面的认知，而具备探索与推进认知的 基本能力。 本书是普通高等教育“十五”国家级规划教材的修订版， 是纺织科学与工程学科本科的基础教材，并适于纤维科学、 高分子材料科学、造纸、人造革等相关学科专业的专科、本 科、研究生、教师和企业技术人员的学习参考用书。 图书在版编目（CIP）数据 纺织材料学 / 于伟东主编.--2 版. -- 北京 ：中国纺织出 版社，2018. 9（2019.8 重印） “十三五”普通高等教育本科部委级规划教材 ISBN 978-7-5180-5206-6 Ⅰ. ①纺… Ⅱ. ①于… Ⅲ. ①纺织纤维 - 材料科学 - 高 等学校 - 教材 Ⅳ. ① TS102 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 147542 号 责任编辑：符 芬 责任校对：寇晨晨 责任设计：何 建 责任印制：何 建 中国纺织出版社出版发行 地址：北京市朝阳区百子湾东里A407号楼 邮政编码：100124 销售电话：010—67004422 传真：010—87155801 http：//www.c-textilep.com E-mail：faxing @c-textilep.com 中国纺织出版社天猫旗舰店 官方微博http：//weibo.com/2119887771 北京玺诚印务有限公司印刷 各地新华书店经销 2006年5月第1版 2018年9月第2版 2019年8月第2次印刷 开本：787×1092 1/16 印张：29 字数：699千字 定价：68.00元 凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社图书营销中心调换 纺织材料学1.indd 4 2019/9/24 15:23:23  公元 2000 时间标尺 纺织村料与文明 1800 1889 年 硝酸人造丝出现 石器时代 青铜器时代 铁器时代 电子材料时代 1500 中国棉纤维开始 1000 作为大宗类纺织 原料替代麻纤维 中国宣州 500 已开始生产 兔毛织物 0 公元 0 织物 战国织锦 残痕 500 铜戈把上丝织物提花绔的残痕 新疆哈密地区 1000 已有留存毛织物 并有刺绣 1500 埃及留存的 龙山文化时期的骨梭 多彩提花织物 2000 江苏草鞋山留存的葛纤维织物 浙江钱山漾 留存的苎麻织物 3000 宝鸡北首岭砚和邓州大墩子笔帽 陕西半坡遗址带平纹底纹陶钵 4000 代 河姆渡象牙首饰 山西西阴村半茧 时 5000 印度出现棉织物 器 6000 小亚细亚出现 陶 留存的亚麻和 江西万年县仙人洞带篮纹的陶器 7000 羊毛织物 埃及出现麻织物 8000 且南美洲出现 10000 留存编织物痕迹 1.7万年前 20000 3 万年前 10mm 中 50000 国 周口店人缝制兽皮用骨针 中 中 欧 100000 辽宁海城小孤山骨针(左下） 12万年前 国 东 美 公元前 山西大同许家窑投石索示意 纺织材料学1.indd 2 2019/9/24 15:23:21  ①空间站与太空行走 （航天服、电池板、采样管、 天线、防护罩、……） ④极限运动 ②外套透视 功能的隐 身效果 光子晶体纤维 ③光子晶体光纤 光线弯曲 缓冲阻拦索 外套 ⑤缓冲阻拦索与尾钩 ⑦航母飞机降落阻拦系统 ⑤ 隐身原理图 ⑨结构色 变色龙 ⑧蚊龙号生命缆 孔雀羽毛 ⑩运动与探险 尺 波长尺度 度 纺织材料学1.indd 3 2019/9/24 15:23:23  第 2 版前言 12 年前，作为普通高等教育“十五”国家级规划教材的《纺织材料学》 （第 1 版）的出版， 将原来产品手册型的“纺织材料学”转变成了材料学类的教材，即从点数纺织材料及其 性能的名称为主的介绍，转变为以阐述材料结构和性能特征、影响性质与功能的因素及 机理和结构与性能间相互关系为主的教材。从而在分类概念与命名、现象与成因的解释 和性能优化与功能实现的机械、物理、化学等制备原理上，基本达到国际 20 世纪 80～90 年代的水平。而在纺织材料的特性及其实现的成形与结构的关系上仅为 20 世纪 80 年代 的水平。但这已引起国内“纺织材料学”教学内容和教材的明显转变与进步。 随着纺织材料应用领域的拓展和其物质的人工化与功能化、制备的多样化与先进化、 表征的定量化与综合化，使人们逐渐意识到纺织材料为“形” （即物体的形态、尺度与维度、 结构和表面）属性而非“质”（即物质的组成、含量和物态）属性的材料，并属典型的“软 物质”［1991 年诺贝尔物理奖得主法国的皮埃尔 - 吉勒·德热纳（P.G.de Gennes）教授 提出的］材料。人们开始更为自觉地采用定量和数字化的方式表征纺织材料的形、性特 征和探索两者间的关系，并与“质”特征平行地构筑与材料性能的关系和解释其物理与 化学的本因。因此，在此书第 2 版中，对决定材料性能的本征因素——形、质各自的构成 要素作了明确的定义，并强化了形与性之间相互关系和作用机理的定量或半定量的表述。 纺织材料本身的获得和加工，就集机械、物理、化学、生物或仿生加工为一体。第 2 版的《纺织材料学》在基本不增加篇幅的条件下，对纺织材料的化学、生物相容性、 生态与安全和对经典理论的定量（公式）化作了表达与新解，甚至织物的结构和表面形 成中的声子晶体和光子晶体都做了强化和必要地拓展，特别是织物的风格、舒适性、可靠 性和安全性四大类性能的明确化，使此书第 2 版的知识基础与水平进入了 21 世纪初的十年。 本书仅涵盖了纺织材料学的基本内容，更深的知识内容可修读《纺织物理》，或阅读 所列参考书目的相关专著。本书应采用 64～72 学时以讲授为主的，或以讲授与学生自学 并重的 40～48 学时的教学。适用于纺织类高校或有纺织科学与工程学科和相关专业的高 校中工程类、复合与医用材料类、产品类、服装类、经管类的纺织材料学本科教学，教 师只需针对本书的基本内容进行实例的选择或另举。 全书的章、节、条由于伟东（东华大学）确定，并完成全书的统稿。各章节编写分工： 绪论 于伟东；第一章 于伟东、刘洪玲（东华大学）、张海泉（江南大学）；第二章 于伟东、 纺织材料学1.indd 5 2019/9/24 15:23:23  刘洪玲、陈衍夏（四川大学）；第三章 于伟东、刘洪玲；第四章 胡国梁（浙江理工大学）； 第五章 于伟东、储才元（东华大学）；第六章 于伟东；第七章 于伟东、任煜（南通大学）、 魏菊（大连工业大学）、周胜（扬州职业大学）；第八章 于伟东、徐红（新疆大学）、杨 红英（中原工学院）、姚江薇（绍兴文理学院）；第九章 于伟东、刘洪玲、臧传锋（南通 大学）；第十章 于伟东、刘洪玲、张毅（天津工业大学）；第十一章 于伟东、张尚勇（武 汉纺织大学）；第十二章 于伟东、储才元；第十三章 于伟东、刘洪玲、杨建忠（西安工 程科技学院）；第十四章 李建强（武汉纺织大学）于伟东；第十五章 于伟东、吕丽华（大 连工业大学）、魏菊、吴坚（大连工业大学）；第十六章 于伟东、储才元；第十七章 于伟东、 于湖生（青岛大学）；第十八章 于伟东、刘洪玲、于湖生（青岛大学）；第十九章 于伟东、 杜赵群（东华大学）；第二十章 于伟东、刘洪玲、杨建忠；第二十一章 于伟东、刘晓艳（东 华大学）；第二十二章 刘洪玲、于伟东。 此第 2 版编写过程中得到东华大学纺织材料与技术实验室和纺织软物质科学中心 （TMT & FSMSC）的博士研究生丁作伟、邢瑶、孙懿等对文献资料的准备、提供和文字 输入工作，在此表示由衷地感谢。 在全书第 2 版出版中，对中国纺织出版社给予此书出版工作的认真、重视和支持深 表诚挚地感谢。 因本书第 2 版中引入一些新说法并对原书部分内容进行了简化，若有不足或不妥之 处，真诚地欢迎批评指正。 于伟东 2018 年 2 月 纺织材料学1.indd 6 2019/9/24 15:23:23  第 1 版前言 纺织材料是纺织科学与工程的专业基础，纺织科学与工程孜孜以求的就是发现与制 造可持续、环境友好、能满足人类需求的纺织材料。而纺织材料学则必须对纺织材料的 结构、性能及其间相互关系做出如实、正确的解释，并以此作为纺织材料改进、提高和 设计的基本依据的原理。 纺织材料作为人类衣着和服饰之物，与人类的文明历史相齐，成为历史记载一硬一 软实物（如陶器和织物）中的软物质见证。而今纺织材料已突破衣着御寒、遮体增色之功能， 扩展至广义的服用、家用、产业用三大领域。不仅满足着人们所熟悉的感性、舒适的衣 着与装束，而且成为家用和产业用中不可或缺的基本用材。 当你穿戴厚实、温暖的冬装，伫立在寒冷的旷野上；当你身着轻盈、凉爽、舒适的 夏装行走在炎热夏季的烈日下；当你搭乘轻便、快速、安全的交通工具返程回家、外出 旅游中；当你坐在美妙音响的影剧院或轻结构的体育场，欣赏那所爱的人类艺术或能力时； 当你穿行于公共建筑、车站广场，或小憩于露天吧座、公交车站时；当你走在宏伟的堤 坝或大桥上，或实习于现代农业大棚中，或俯瞰城市的建筑时；当你的同伴在组织受损 后能得到及时地修补与再生时；甚至当你躺在温馨、柔软的床上安静地看书时，或置身 于那仅仅只有简单隔墙或屏风的嘈杂餐馆或会场时，你是否感到或察觉，原来笨重的钢 结构、混凝土的物体，已在悄悄中被柔性、轻质的纺织材料所替代，破损的组织或结构 体在被修复和更新；你是否意识或想到，看上去坚硬、刚强、稳固的结构体或能生长细 胞的物质，竟然是那柔软、细小的纺织纤维及其集合体所为。应该想到，那正是它们在 默默无闻地保护着你，为你吐故纳新，为你排除各种声、光、热、电、磁、汽、生物的 干扰与侵袭。这与人类本身的喧嚣和无休止的开发、利用、整理、生产形成鲜明的反差。 人类在使用和缔造这些结构体的同时，应该约束自身、保护资源和保护纤维，应该思考 与实施合理地应用与开发纺织材料。 纺织材料突飞猛进的发展和日益广泛的应用，来源于人类的智慧和能力，来源于人类 的探索及思考。是前人的尝试与经验和后人的努力与传承的结果。作为本书，感谢纺织材 料科学中的专家、学者、工程技术人员的努力与探索，给了本书以实质与灵感；感谢相关 或相同书名的著书，给予本书以参考与借鉴；感谢众多关心与支持本书写作的师长、同行 和学生们，给了本书以建议和帮助，使本书在这本身就是纤维集合体的材料上成形。 纺织材料学1.indd 1 2019/9/24 15:23:23  2 纺织材料学（第 2 版） 本书由于涉及范围与内容庞大，且希望给学生和读者留下更多、更方便的空间去阅 读和自习，虽经割舍，但篇幅仍较大。故建议在实际授课中，采用自学和精炼讲授的方式。 工程类专业的学生应偏重于纤维性质和纱线与织物章节，以及纤维鉴别与品质评定，兼 顾纤维结构和织物保养；纺织材料类专业的教学以整书为准；纤维高分子材料类专业以 纤维章节为重点，兼顾纱线与织物章节；服装类专业的教学则应较多地偏重于织物和纤 维性质类章节；经济管理类专业可以对本书中有关命名、分类、特征和性能方面的各章 节内容多作讲授。并由衷地希望学生和读者能多作自习和进行相关感知实验。 全书内容共分绪论和 22 章，其中纤维部分 9 章，纱线部分 4 章，织物部分 9 章。书 中章、节、条由于伟东确定，并负责全书的统稿和审校工作。各章节编写分工如下 : 绪 论于伟东（东华大学）；第一章于伟东、张海泉（江南大学）；第二章陈衍夏（四川大学）、 于伟东；第三章于伟东、陈衍夏（四川大学）；第四章胡国梁（浙江理工大学）、于伟东； 第五章储才元（东华大学）；第六章于伟东；第七章于伟东、周胜（扬州职业大学）；第 八章于伟东、姚江薇（东华大学）；第九章于伟东、鲍燕萍（东华大学）；第十章于伟东、 张毅（天津工业大学）；第十一章于伟东、丁国强（武汉科技学院）；第十二章储才元； 第十三章于伟东、杨建忠（西安工程科技学院）；第十四章李建强（武汉科技学院）、于 伟东；第十五章于伟东、吴坚（大连轻工学院）；第十六章储才元；第十七章于伟东、于 湖生（青岛大学）；第十八章于伟东、于湖生（青岛大学）；第十九章于伟东、杜赵群（东 华大学）；第二十章杨建忠；第二十一章于伟东、刘晓艳（东华大学）；第二十二章于伟东、 刘洪玲（东华大学）。 全书编写过程中得到东华大学纺织材料与技术实验室的硕士和博士研究生在打字成 稿及部分作图上的帮助，尤其是付江、刘茜、刘君杰、刘健、殷祥刚、金宏斌、任雪玲 等的富有实效的工作，在此表示由衷的感谢。对出版社审核、编辑加工工作，亦表示衷 心的感谢。 在撰写和修改这本书稿时，作者们常这样想，希望能够自己清晰、明确，以使读者 明白和理解作者想要说什么、又说清楚了什么；希望能够提供源于经典或已被证明正确 的理论、原理和方法，使得所学真实、有效和可用；希望能有自己的想法、实践和成果， 能给所著所述赋予新说及发展；希望能将枯燥、乏味、定势的工程或理论观点变为通俗、 形象的描述，给读者享受和遐想。但由于作者水平有限，本书可能存在不足或不妥之处， 诚挚欢迎读者批评指正。 于伟东 2005 年 12 月 纺织材料学1.indd 2 2019/9/24 15:23:23  目 录 绪论………………………………………… 001 第二节 纤维的结构特征与测量………… 054 一、纺织材料的属性与内容… ……… 001 一、纺织纤维结构的一般要求… …… 054 二、纺织材料发展中的问题… ……… 005 二、纤维化学结构的测量… ………… 054 三、应关注的知识及思考… ………… 012 三、纤维聚集态结构的测量… ……… 055 思考题… ……………………………… 013 四、纤维形态特征的测量… ………… 057 第三节 典型纤维的结构与特征………… 057 第一章 纤维的分类及发展……………… 015 一、典型天然纤维的结构与特征… … 057 第一节 纤维及其分类…………………… 015 二、典型再生纤维素纤维的结构特征…… 062 一、纤维定义与要求… ……………… 015 三、典型合成纤维的结构… ………… 063 二、纤维的分类与命名… …………… 015 思考题… ……………………………… 068 第二节 各类常用纤维简介……………… 018 一、植物类纤维… …………………… 018 第三章 纤维形态的表征………………… 070 二、动物类纤维… …………………… 023 第一节 纤维的长度及其分布…………… 070 三、再生纤维… ……………………… 026 一、纤维长度指标的基本表达… …… 070 四、普通合成纤维… ………………… 030 二、纤维长度分布的基本测量… …… 072 五、差别化纤维… …………………… 033 三、纤维长度分布及其相互关系… … 076 六、功能性纤维… …………………… 035 四、典型纤维的长度表达… ………… 077 七、高性能纤维… …………………… 040 第二节 纤维的细度及其分布…………… 079 第三节 纤维的成形加工………………… 044 一、纤维的细度表征… ……………… 079 一、化学纤维制造概述… …………… 045 二、纤维细度不匀指标… …………… 080 二、静电纺丝和自生长纤维… ……… 046 三、纤维细度及分布的测量方法… … 082 第四节 纤维的应用与未来……………… 047 四、纤维细度及其不匀表征的意义… 085 一、纤维的应用… …………………… 047 第三节 纤维的卷曲或转曲……………… 087 二、纤维的未来… …………………… 047 一、纤维的卷曲形式及表征… ……… 087 思考题… ……………………………… 049 二、纤维的转曲及表征… …………… 091 第四节 纤维的截面形状及表征………… 092 第二章 纤维的结构特征………………… 050 一、异形纤维的基本概念… ………… 092 第一节 纤维基本结构的构成…………… 050 二、截面异形的表征… ……………… 092 一、纤维的形态… …………………… 050 三、截面空心与复合的表征… ……… 093 二、纤维的聚集态结构… …………… 051 思考题… ……………………………… 095 三、纤维的分子结构… ……………… 053 纺织材料学1.indd 1 2019/9/24 15:23:23  2 纺织材料学（第 2 版） 第四章 纤维的吸湿性…………………… 096 第六章 纤维的表面性质………………… 127 第一节 纤维的吸湿及吸湿机理………… 096 第一节 纤维表面的内涵………………… 127 一、纤维的吸湿与吸湿指标… ……… 096 一、表面的基本概念… ……………… 127 二、吸湿的等温与等湿线… ………… 097 二、纤维表面涉及的内容… ………… 128 三、吸湿机理与理论… ……………… 098 第二节 纤维的表面特征………………… 132 四、吸湿滞后性… …………………… 099 一、天然纤维的表面特征… ………… 132 五、影响纤维吸湿的因素… ………… 101 二、化学纤维的表面特征… ………… 133 第二节 吸湿性的测量…………………… 102 三、表面改性和高性能纤维表面特征…… 134 一、直接测量法… …………………… 102 第三节 纤维的摩擦性质………………… 135 二、间接测量法… …………………… 103 一、纤维摩擦中的基本现象… ……… 135 第三节 吸湿对纤维形性的影响………… 104 二、摩擦机理与测量… ……………… 138 一、吸湿对纤维重量和密度的影响 … 104 第四节 纤维的浸润性与芯吸…………… 140 二、吸湿对纤维体积膨胀的影响… … 104 一、纤维浸润现象… ………………… 140 三、吸湿对纤维力学性能的影响… … 105 二、纤维浸润性测量… ……………… 143 四、吸湿对电学性能的影响… ……… 105 三、纤维芯吸与表征… ……………… 144 五、吸湿对热学性能的影响… ……… 105 思考题… ……………………………… 145 六、吸湿对光学性能的影响… ……… 106 思考题… ……………………………… 107 第七章 纤维的热学、光学和电学性质… 147 第一节 纤维的热学性质………………… 147 第五章 纤维的力学性质………………… 108 一、比热容… ………………………… 147 第一节 纤维的拉伸性质………………… 108 二、导热系数… ……………………… 149 一、纤维的拉伸曲线与性能指标… … 108 三、常用保暖性指标… ……………… 151 二、常见纤维的拉伸曲线… ………… 110 四、热作用时的纤维性状… ………… 151 三、纤维拉伸性质的测量… ………… 111 五、纤维的耐热性和热稳定性… …… 154 四、拉伸断裂机理及影响因素… …… 112 六、纤维的燃烧性能… ……………… 156 五、束纤维的拉伸性质… …………… 115 第二节 纤维的光学性质………………… 157 第二节 力学性能对时间依赖性………… 115 一、光在纤维中的反射与折射现象… 157 一、应力松弛和蠕变… ……………… 115 二、光泽… …………………………… 158 二、纤维的弹性… …………………… 117 三、光的双折射… …………………… 159 三、纤维的动态力学性质… ………… 118 四、耐光性及光照稳定性… ………… 161 四、基本力学模型… ………………… 119 五、光致发光 … ……………………… 163 五、纤维的疲劳… …………………… 121 第三节 纤维的电学性质………………… 163 第三节 纤维的弯曲、扭转与压缩……… 122 一、导电性质… ……………………… 163 一、纤维的弯曲… …………………… 122 二、介电性质… ……………………… 165 二、纤维的扭转… …………………… 124 三、介电损耗… ……………………… 166 三、纤维的压缩… …………………… 125 四、纺织纤维的静电… ……………… 167 思考题… ……………………………… 126 思考题… ……………………………… 168 纺织材料学1.indd 2 2019/9/24 15:23:24  目 录 3 第八章 纤维的初加工性………………… 170 二、纱线加工的进展… ……………… 214 第一节 天然纤维的初加工性…………… 170 第三节 纱线的结构特征………………… 218 一、棉的初加工性… ………………… 170 一、纱线的基本结构特征… ………… 218 二、毛的初加工性……………………… 174 二、常用纱线的结构特征… ………… 218 三、丝的初加工性… ………………… 177 思考题… ……………………………… 220 四、麻的初加工性……………………… 180 第二节 化学纤维的初加工性…………… 184 第十一章 纱线的基本特征参数………… 221 一、形态及形态稳定的可加工性……… 184 第一节 纱线的细度与不匀……………… 221 二、纤维溶解与劈裂的可加工性… … 186 一、纱线的细度… …………………… 221 三、回用纤维的加工及方法… ……… 186 二、纱线的细度不匀… ……………… 224 四、化纤的整理与卷装… …………… 187 三、纱条细度不匀的构成及测量影响…… 226 第三节 纤维的损伤与清洁化加工……… 188 第二节 纱线的捻度与捻缩……………… 228 一、初加工中的纤维损伤……………… 188 一、纱线加捻的特征指标… ………… 228 二、清洁化的初加工…………………… 189 二、纱线的捻缩… …………………… 230 思考题… ……………………………… 190 三、加捻对纱线性能的影响… ……… 231 第三节 纱线的毛羽与特征……………… 232 第九章 纤维的鉴别与品质评定………… 192 一、毛羽的形成与基本形态… ……… 232 第一节 纤维的鉴别……………………… 192 二、毛羽的特征指标… ……………… 233 一、手感目测法… …………………… 192 三、毛羽的测量方法… ……………… 234 二、显微镜观察法… ………………… 193 四、毛羽的控制… …………………… 234 三、化学方法… ……………………… 197 第四节 纱中纤维的转移与分布………… 235 四、物理方法… ……………………… 198 一、纤维在纱中的转移… …………… 235 五、近代物理技术鉴别法… ………… 199 二、纤维在纱截面中的径向分布… … 236 六、特征识别与系统鉴别… ………… 200 思考题… ……………………………… 237 第二节 纤维的质量要素与评定………… 202 一、纤维的质量要素… ……………… 202 第十二章 纱线的力学性质……………… 238 二、纤维的质量检验与评定… ……… 202 第一节 纱线的拉伸性能………………… 238 思考题… ……………………………… 209 一、纱线的一次拉伸断裂特性… …… 238 二、纱线的弹性… …………………… 239 第十章 纱线的分类与结构特征………… 210 第二节 纱线的断裂机理………………… 240 第一节 纱线的分类与命名……………… 210 一、纱线的断裂过程… ……………… 240 一、按纱线的体系分类… …………… 210 二、长丝纱条的初始模量和断裂强度…… 241 二、按纤维组成分类… ……………… 212 三、短纤维纱的强力分析… ………… 242 三、按纱线的用途分类… …………… 212 四、影响短纤维纱强伸度的因素… … 243 四、其他分类… ……………………… 213 五、混纺纱的拉伸性质… …………… 245 第二节 纱线的加工与发展……………… 213 第三节 纱线的弯曲、扭转与压缩 一、纱线加工的基本原理… ………… 213 性质……………………………… 247 纺织材料学1.indd 3 2019/9/24 15:23:24  4 纺织材料学（第 2 版） 一、纱线的弯曲特性… ……………… 247 二、三维纺织加工… ………………… 282 二、纱线的扭转特性… ……………… 247 思考题… ……………………………… 284 三、纱线的压缩特性…………………… 249 第四节 纱线的耐久性能………………… 249 第十五章 织物结构与基本组织………… 285 一、纱线的拉伸疲劳… ……………… 249 第一节 机织物的结构与组织…………… 285 二、纱线的弯曲疲劳… ……………… 250 一、机织物的基本结构… …………… 285 三、纱线的磨损性… ………………… 251 二、织物组织参数… ………………… 289 思考题… ……………………………… 252 三、基本组织… ……………………… 290 第二节 针织物结构与组织……………… 292 第十三章 纱线可加工性与品质评定…… 253 一、针织物的规格与结构参数… …… 292 第一节 纱线的可加工性………………… 253 二、纬编针织物的基本组织… ……… 294 一、纱线的可加工性的概念… ……… 253 三、经编针织物的基本组织… ……… 296 二、影响短纤纱可纺性的因素… …… 253 四、针织物的性能… ………………… 297 三、影响长丝纱可变形性的因素… … 255 第三节 非织造布的结构………………… 299 四、影响线成形性的因素… ………… 257 一、非织造布的主结构… …………… 299 第二节 纱线的识别及方法……………… 257 二、非织造布的加固结构… ………… 299 一、纱线的识别依据… ……………… 257 三、非织造布的结构特征指标… …… 301 二、纱线鉴别常用的方法… ………… 258 第四节 编织物和间隔织物的结构……… 302 第三节 纱线的品质要素与评定………… 259 一、平面编织物的编织角… ………… 302 一、纱线的品质要素… ……………… 259 二、绳缆的螺旋角… ………………… 302 二、纱线的品质评定… ……………… 260 三、间隔织物的间隔纱线织造角… … 303 思考题… ……………………………… 267 思考题… ……………………………… 303 第十四章 织物及其分类………………… 268 第十六章 织物的基本力学性质………… 304 第一节 织物的概念、分类及应用……… 268 第一节 织物的拉伸性质………………… 304 一、织物的基本概念… ……………… 268 一、拉伸性质的测定方法和指标… … 304 二、织物的基本分类… ……………… 269 二、织物的拉伸断裂机理… ………… 306 三、织物的应用… …………………… 271 三、织物断裂强力的估算… ………… 308 第二节 一般织物及名称… ……………… 273 四、影响织物拉伸性质的因素… …… 308 一、机织物… ………………………… 273 第二节 织物的撕裂性质………………… 312 二、针织物… ………………………… 276 一、撕裂强力的测试方法… ………… 312 三、非织造布… ……………………… 276 二、撕裂破坏机理… ………………… 313 第三节 特种织物………………………… 278 三、织物的撕裂曲线及强度指标… … 314 一、平面型结构织物… ……………… 278 四、影响织物撕裂强度的因素… …… 314 二、立体型（3D）结构织物… ……… 279 五、织物的纰裂… …………………… 316 第四节 织物加工及其发展……………… 280 第三节 织物的顶破性质………………… 317 一、二维纺织加工… ………………… 280 一、测试方法与指标… ……………… 317 纺织材料学1.indd 4 2019/9/24 15:23:24  目 录 5 二、织物的顶裂破坏机理… ………… 318 第十九章 织物的舒适性………………… 349 三、影响织物顶破性质的因素… …… 318 第一节 织物的透通性…………………… 349 第四节 织物的弯曲性质………………… 318 一、织物的透气性… ………………… 349 一、织物弯曲刚度及测量方法和指标…… 319 二、织物的透湿汽性… ……………… 351 二、影响织物刚柔性的因素… ……… 320 三、织物的透水性… ………………… 352 思考题… ……………………………… 321 四、织物的透光性… ………………… 354 第二节 织物的热湿舒适性……………… 355 第十七章 织物的耐久性………………… 322 一、织物热湿舒适性内涵… ………… 355 第一节 织物的力学耐久性……………… 322 二、织物热湿舒适性的评价… ……… 355 一、织物的耐疲劳性… ……………… 322 三、影响织物热湿舒适性因素… …… 358 二、织物的耐磨损性… ……………… 324 四、织物热湿舒适性的应用… ……… 358 三、织物的耐勾丝性… ……………… 329 第三节 织物的刺痒作用………………… 358 四、织物的耐刺割性… ……………… 330 一、织物刺痒性及产生机制… ……… 358 第二节 织物的耐老化性………………… 332 二、影响织物刺痒性的因素… ……… 359 一、织物老化现象及作用… ………… 332 三、刺痒感的测量方法… …………… 359 二、单一作用的老化… ……………… 332 四、刺痒感的消除方法… …………… 361 三、复合作用的老化… ……………… 333 第四节 织物的静电与湿冷刺激………… 361 思考题… ……………………………… 334 一、静电刺激… ……………………… 361 二、湿冷刺激… ……………………… 362 第十八章 织物的保形性与色牢度……… 336 思考题… ……………………………… 363 第一节 抗皱性与褶裥保持性…………… 336 一、织物的抗皱性… ………………… 336 第二十章 织物的风格与评价…………… 364 二、织物的褶裥保持性… …………… 338 第一节 织物风格概念与分类…………… 364 三、抗皱性与褶裥保持性的相互关系…… 338 一、织物风格的定义与构成… ……… 364 第二节 织物的悬垂性…………………… 339 二、织物风格的分类与要求… ……… 364 一、静态悬垂性… …………………… 339 第二节 织物手感风格…………………… 365 二、动态悬垂性… …………………… 342 一、织物手感的定义与内涵… ……… 365 第三节 织物的起毛与起球性…………… 342 二、织物手感评定… ………………… 365 一、起毛和起球机理… ……………… 342 三、织物手感风格的仪器评定… …… 367 二、起毛与起球的测量及评定方法… 344 第三节 织物光泽与视觉风格…………… 375 三、起毛起球的影响因素及消除方法…… 345 一、织物的颜色与光泽感… ………… 375 第四节 织物尺寸和色泽稳定性………… 346 二、织物纹理与组织的视觉效应… … 378 一、织物的缩水与湿膨胀性… ……… 346 第四节 织物风格与加工成衣性………… 378 二、织物色牢度… …………………… 347 一、织物加工成衣性概述… ………… 378 三、织物成形中的收缩不匀与畸变… 347 二、织物成形性的基本指标… ……… 379 思考题… ……………………………… 348 三、影响织物成形性的因素… ……… 380 思考题… ……………………………… 381 纺织材料学1.indd 5 2019/9/24 15:23:24  6 纺织材料学（第 2 版） 第二十一章 织物的防护功能及安全性… 383 第一节 织物的去污与防污……………… 403 第一节 织物的防火与阻燃功能………… 383 一、织物上的污垢… ………………… 403 一、织物防火和阻燃功能的必要性… 383 二、污垢与织物结合的形式… ……… 404 二、防火织物… ……………………… 384 三、织物的去污… …………………… 405 三、阻燃织物… ……………………… 385 四、织物的防污… …………………… 409 四、织物的抗熔孔性与抗熔滴性… … 386 第二节 织物的防霉与防蛀……………… 410 第二节 织物的生化防护作用…………… 387 一、织物的防霉… …………………… 410 一、常见生物防护… ………………… 387 二、织物的防蛀… …………………… 411 二、危化品防护及防生化服… ……… 390 第三节 纺织品其他保养处理…………… 412 第三节 织物的物理防护作用…………… 392 一、纺织品的柔软及外形保养… …… 412 一、热防护… ………………………… 392 二、纺织品的收存与保管… ………… 412 二、光辐射防护… …………………… 393 三、常见纺织品的基本保管… ……… 413 三、电磁辐射防护… ………………… 394 第四节 织物的鉴别……………………… 413 四、高能辐射的织物防护… ………… 396 一、鉴别要素与层次分类… ………… 414 五、隔声吸音去噪纺织品… ………… 397 二、织物的识别… …………………… 414 第四节 织物的可靠性与安全性………… 398 第五节 织物的品质评定………………… 416 一、可靠性和安全性的定义… ……… 398 一、织物品质评定的内容… ………… 416 二、纤维增强结构材料的可靠性… … 398 二、品质评定的基本方法… ………… 417 三、纺织结构材料的功能可靠性… … 398 三、常用织物品质评定举例… ……… 418 四、医用纺织结构材料的安全性… … 399 思考题… ……………………………… 421 第五节 织物的智能防护作用…………… 400 一、智能纺织材料的基本概念… …… 400 附录一 几种常用纺织纤维性能汇总表… 423 二、典型智能防护… ………………… 400 附录二 名词中英文对照索引…………… 428 思考题… ……………………………… 401 附录三 各章参考书目号索引…………… 445 参考文献…………………………………… 447 第二十二章 织物使用保养与品质评定……… 403 纺织材料学1.indd 6 2019/9/24 15:23:24  绪 论 这部分主要阐述三个问题，何谓纺织材 无机材料、生物材料等，这是以材料的组成属 料？为何纺织材料学发展缓慢？如何丰富和掌 性来命名的学科；或工程材料、建筑材料、组 握该知识体系？ 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”， 一、纺织材料的属性与内容 但这变成了以形态属性命名的材料，似乎是现 1. 现有定义 在高分子、金属、有机、无机、生物材料的次 纺织材料是指纤维及纤维制品，具体表现 级分类。或可以改为“纺织工程材料”，这又 为纤维、纱线、织物及其复合物，即两种定义。 变为应用属性，涉及纺织工程领域中的非纤维 定义一：“纤维与纤维制品”。其表明了纺 的加工器材，还会引起歧义和误解。 织材料既是一种原料、用于纺织加工的对象， 应该清楚，纺织材料最关键和本质性的内 又是一种产品、乃通过纺织加工而成的纤维集 容是以表面作用及排列组合为主要特征，以微 合体。不知对象则会盲目加以采用，低水平、 小个体——纤维来构造（fabricate）的纤维集 高能耗地加工；不了解纤维则无从下手，则会 合体，这是组成属性和应用属性难以涵盖的材 伤及纤维，且会低估纤维的能力。不知产品则 料命名。依据物质组成属性（即“质”属性）的， 不明用途，就会出现使用不当的情况，也会限 是将材料本身作为整体以实现材料结构、形态、 制应用范围；不了解纤维制品——广义的纺织 性质及其变化的；依据应用属性的，也是将材料 品，则可能只知华丽、漂亮、得体、舒适的服 看作为一个整体或形态尺寸宏大的各单元拼接成 用纺织品，而无法使其用途变得广泛、性能变 的整体，来实现应用中的结构、功能和寿命的。 得特殊、功能变得多样和智能。 纺织材料则是以微小的纤维单个体为特 定义二： “纤维、纱线、织物及其复合物”。 征，通过人工方法利用纤维的性状，将纤维排 其描述了纺织材料的形成过程，可以顺序进行， 列、构造成具有实用结构、性质和形状的材料。 也可以跳跃完成；表达了从单一、分散、微小 这种人工行为可以实施到细长微小、形态和性 的纤维变为聚集排列、相互依存、互为作用的 质多变的单根纤维。这是两类经典材料学所不 纤维集合体，乃至复合物的加工成形。前者“形 具备的特征表述，因为前者是宏观调控微观， 成过程”说明纺织材料存在多种变体，存在从 故大多为均匀结构的讨论；后者是宏观的性状 对象到产品的多级转换；后者“加工成形”意 和宏观拼接，非微尺度。 味着纺织材料结构的复杂与多变及纤维作用的 当今，以物质的形态尺度和功能作用来划 奇妙和有趣。 分材料，变得日益明显。典型的代表是纳米材 2. 纺织材料的属性 料和表面功能材料，这是趋势，是科学和准确 由上述两类描述可以看出，纺织材料涉及 的。因为材料本身所包含的三大属性： “质” “形” 材料科学中的基本内容、材料归属及材料特征。 和“性”属性，正变得清晰和完整。 但称呼“纺织”材料，又带上了加工色彩。材 “质”属性：即物质组成属性。其包括物 料科学中有高分子材料、金属材料、有机材料、 质的构成、含量和物态（气液固态）。这是人 纺织材料学1.indd 1 2019/9/24 15:23:24  002 纺织材料学（第 2 版） 们善于选择并实现的特征属性，也是现有材料 几何排列形式（取向、随机、网状、多维等） 学中，人们较多关注的对象。如纺织材料的纤 和组、复合构造排列，为排列；基本单元间的 维的化学组成与组分含量比、纱线的纤维组成 黏附、接触、摩擦等物理、化学作用，为相互 与混合比、织物的纤维和纱线组成及其均质或 作用。 混纺和交织比，以及复合物所用纤维材料与黏 “性”属性：即性能（performence）和功 结及成型材料的组成与复合比。 能（function）属性。“性”也常用性质（property） “形”属性：即广义的形态属性。其包括 一词来表达，因为人们认为质决定性、性因质 物体的形态与表面、尺度与维数、内部构造与 生而浑然一体，甚至觉得只有组成决定性质。 排列。这些都是人们常见并可以调整改善的特 性属性包括物质的物理性质、化学性质和生物 征属性，但“形”作为材料的本质属性却往往 性质，本书较多地关注物理性质。 被轻视和忽视。事实上， “形”包含四要素：形态、 显然，“形”和“质”是物质的两个独立 尺度、表面和结构。形是人们在材料学中常说 的基本属性，是决定材料性能和功能的本质属 的“性状”特征中的“状”，其在以往多指外 性。即“形”和“质”可分别决定材料的“性”， 表形态和内部结构，而忽略尺度和相互作用， 而材料的“性”是其“形”和“质”的综合表达。 造成认知的偏颇和缺陷。不仅如此，甚至只关 最经典观点是：结构决定性质，而性质是结构 注材料的性（性能）质（组成），即只有“质” 的外在表现。只是化学性质较多地反映“质” 和“性”的分类，而无“状”即“形”之概念。 属性，而物理性质较多地反映“形”属性。 因此，材料应该有“形”属性的分类，这也是 由此可知，以形态特征命名的纤维及其集 纺织材料、纳米材料、高分子材料在材料领域 合体的纺织材料，物质组成不是其主特征，而 中的“性状”特征分类的基础与地位，见图 1。 “形”才是其最本质和重要的特征，即纺织材 形态（morphology）：指物体的轮廓所构 料是以“形”属性分类命名的材料，如图 1 所 成的几何形状。对纤维及纤维集合体来说，诸 示的归类。其实，人们可以找到众多实例证明 如纤维的长度、截面形状、转曲、卷曲、分叉、 其“形”属性，如刚硬的钢丝或硬脆的碳纤维， 表观形态等，纱线的表观形态及毛羽等，织物 却能制成柔韧的线绳；纤细柔软的纤维相互黏 的厚度、细观表观和竖绒及毛羽、毛球等。 结，可成坚韧的竹子和紫檀木。遗憾的是，纺 尺 度（scale and dimension）： 指 纤 维 几 织材料学科出现至今，人们还是习惯于以“质” 何形态大小所在的尺度及其范围与维数及其范 为主体，以“质”论性能，而把“形”作为一 围。对纺织材料主要包括纤维的粗细、长短、 种附属或学术上的参量。故对纤维材料形的把 卷曲、分叉结构等的尺度，可用纳米、微米、 握与缔造，是其发展的唯一途径。 毫米等长度尺度；长径比、中腔比等比例尺度； 质 组成 属性 应用 属性 以及维数和分形维数（Fractal dimension）来表达。 高分子材料、金属材料、 建筑材料、化工材料、 表面（surface）：指纤维及纤维集合体的 有机 材料、无机材料、 医用材料、通信材料、 生物材料等 组织工程材料等 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。 转 纺织材料 向 结构（structure）：指纺织材料中的基本 形 性 单元的堆砌密度、排列形式和其间的相互作用 形态属性 功能 属性 纳米材料、膜材料、 承载、隔离、过滤、造型 、 这三个基本要素。这是材料学中人们所熟知的 纤维材料、纸、皮革材料、 耐久、舒适、导通、屏蔽、 密度、排列和相互作用三要素。如单位体积中 复合、结构材料等 高性能、 自适应、智能等 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 图1 纺织材料依“形”属性的归类 纺织材料学1.indd 2 2019/9/24 15:23:24  绪 论 003 材料的命名与归类除了组成和形态分类 简义是表达特征与征兆。表达可以用文字、 外，还有用途的分类，即按“应用”属性命名 图形、数字、符号及其组合，称为文、图、式 分类，如图 1 所示。应用属性是指材料的功能 三要素。 和使用场合，即材料的时空占有和物理、化学、 “文” ：即文字。是人类文明的载体和标识， 生物性能。仅仅以“用在何处”对材料划分不 见图 2。原本为简化表达与记载，而今变得复 仅过于表象和简单，而且概念复杂，包括了多 杂和冗长，并有符号、外来语和新词的混合。 种材料及其功能与性状。而材料应用中最本质 的特征是功能，以此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 图2 文字的帛书记载 原应用属性的划分，成为一个功能、复合或智 能性的性状属性要求。材料不仅可以有不同组 “图”：是物质或对象的直接表达。包括形 分的复合，而且有更重要、更本质的结构复合。 状（图 3 的照片与图像）和行为（图 4 的关系 这同样是纺织材料、功能材料、复合材料作为 和规律曲线及模型）。如今的图形、图像技术 材料大类及发展的基本原因。 使其变得既直观和精准，又简便，甚至复杂 3. 内容 的数学物理模型和材料行为过程都可以动态 依据纺织材料的定义，纺织材料的内容包 地予以表达。 括纤维及纤维集合体。纺织材料学则是纤维和 “式”：即数字的关系。可以将很长而又费 纤维集合体的结构、性能及其间相互关系的学 解的文字、很大而又复杂的图形，或虽有趣但 问。更为针对和确切的是：纺织材料的“形” “性” 需长时间的动画才能表达的，甚至无法表达的 和“形” “性”相互关系的学问，其内容包括认知、 内容，简明地表达并解析出来。如按照爱因斯 表征和发展。 坦相对论的质量－能量关系。光子质量 m 为： （1）认知 （1） 就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 如甲壳素纤维的分子式： 的过程。感知是最新、最直接的，没有人为的 CH2OH HNCOCH3 OH 痕迹，也很少有引导，要凭好奇、耐心和观察 O 力；学习是经典的、间接的，有人为观点和想法， O O O 要有兴趣、理解力和判断力。 OH CH2OH HNCOCH3 n （2）表征 2 图3 原子力显微镜（AFM）探针的照片与碳硅烷树杈状聚合物图像 纺织材料学1.indd 3 2019/9/24 15:23:24  004 纺织材料学（第 2 版） 30 单纤维典型拉伸曲线 25 表征方法与技术 单纤维比应力T(cN/tex ） Vangheluwe模型 20 屈服区有差异， 其他段拟合较好 15 E0 纤维特征 纤维集合体特征 ENL =Bε 10 η 形、质 性能 形、质 性能 E0 5 σ(ε）=ηk ［1-exp( ε）］+Bε2 ηk σ， ε 0 分子组成 力学 纤维 力学 0 10 20 30 40 50 分子结构 光学 排列 色泽 伸长率(%） 微细结构 热学 加捻 均匀性 几何形态 电学 纠缠 耐久性 图4 数字图形、物理模型及数学表达 尺度与密度 声学 载结 易护理 表面 表面 组织 形态稳定 如 Peirce 的弱环（Weak-link）定律： 吸湿 形态 手感风格 密度 （3） 空隙率 舒适性 安全可靠 式中： 、 分别为 l 长度和 nl 长度时的 防护功能 纤维强度， σl 为 Sl 的无论方差；以及图 4 中所 示的数学模型。 图5 纺织材料的研究对象及其间关系 表达还可以借助专门手段来实现，称为测 以纤维及纤维集合体形成过程为主线，引 量，是实际和直接的表达。表达还可以虚拟地 入加工处理步骤，形与性关系如图 6 所示。其 进行，通过已有的结果，进行建模，替代实际 不仅表达了纺织材料基本步骤和成形过程，而 的测量，来预见性地表达或模拟现实与真实。 且表达了加工的作用，加工步骤循环的必要性， 特征包括材料的结构、性能及其间相互关 以及纺织材料应该关注的领域和必须解决的循 系的特征。因此，纺织材料的表征就是表达纤 环利用问题。这也是纺织材料形、性理论研究 维及纤维集合体的形、性及形与性质的相互关 总跟不上加工产生形、性改变的主要原因。 系的特征。它是认识和知识发展的基础。它可 图 6 中用“ ”和“ ”表达了从纤维结 解决知识的发现、表达、验证、确认和升华， 构与性能到最终产品结构与使用性能的基本关 以及对应的方法、技术和仪器的创新。 系，这是传统纺织材料所关注的经典而狭隘的 （3）发展 范畴。为此，须考虑图 6 顶端纤维原料选择的 就是在原有基础上的新发现、新认知、新 基本原则和可持续性；要增添图 6“ ”中的 问题，以及知识的深化与创新。感知和传承学习 合理初加工步骤及其对结构和性能影响的标 中的体会，对个人来说是一种提高和发展，是知 注；需连接图 6 底部最终使用纺织品与资源再 识发展的必要条件，但不等于发展。只有在确认 利用的回路；要考虑试验环境对纤维及其制品 其为正确的或事实，并为前人所未知的结果时， 的影响，见图 6 中的“ ”；更为重要的是要关 才是发展。纺织材料科学中存在许多未知点和未 注这些材料及加工对环境的影响，见图 6 中的 知领域，需要人们加以认知、表征和发展。 “ ”。同时图 6 中，对化学纤维的异形、复 4. 对象及相互关系 合、各种异组合、表面改性处理、牵伸、变形、 由 纺 织 材 料 认 知、 表 征 和 发 展 的 内 容， 热定形、小卷装等和对天然纤维的轧花、脱胶、 纺织材料学具体涉及的对象是纤维和纤维集 洗毛和缫丝初加工；对纱线的牵伸、加捻成形， 合 体 的 形、 质 性 及 形 和 质 与 性 能 间 的 关 系， 复合、连续、断续、渐变喂入纺纱；对织物的 纤维与纤维集合体间的相互关系，以及对应 成形和多轴、立体加工，以及染整加工；和最 的表征方法与技术。简明地表达如图 5，上大 终纤维制品的改性、复合、缝制、粘贴及成形 三角和中两个小三角构成，并由各自的形（质） 有所提及。以使学生和读者不至于认为纺织就 和性能支撑。 是纺纱、织布的传统概念，传统纺织品依然是 纺织材料学1.indd 4 2019/9/24 15:23:25  绪 论 005 循环利用 纤维原料 原料选择的 纺织材料是微米级（micrometer）纤维的 基本原则与生态意识 构造体，其形状与结构是微米尺度讨论的问题， 纤维的初加工与成形加工 是最为接近现代纳米（nanometer）尺度的材料。 异形、复合、异组合 表面改性、差别化加工 事实上，纤维本身内部和表面性状已是纳米甚 成 环 网 境 至分子尺度的内容，而导致材料性质变化的本 固 纤维的结构与组成 纤维性能 对 因是这些纳米级的颗粒或纤维的表面作用成几 着 表 纱线的成形与结构、复合、 征 个数量级的增加，也就是尺度这一形要素决定 连续、断续、渐变加工 的 影 了材料的性质，而不是人们熟知的组成和结构。 响 遗憾的是纺织材料如绳、网，是人类最早 纱线的结构与组成 纱线性能 和 使用的工具，与旧石器同期，有 10 万年以上 织物的成形与多轴、立体 加工，以及染整加工 加 的历史，是人类文明的起源物器和载体。其促 粘 工 进了文字的产生、发展与传承，孕育了印刷术， 结 及 复 织物的结构与组成 织物性能 制 比新石器和陶器早，远比金属材料早，是高分 合 品 对 子材料应用的元祖。但在本学科的研究上，过 各种改型、复合、缝制、 粘贴及成形加工 环 多地模仿均相或非均相结构材料学科的整体性 境 的 质与内部结构，而忽略形态、尺度和表面。甚 最终产品结构与组成 使用性能 影 响 至满足于微米粗细纤维所带来的柔韧和表面功 能，即纤维间物质的功能，而浑然不知自身为 使用 废弃纺织品 纤维制品 最接近纳米尺度材料的优势地位，而没有更 早地去研究纤维的表面作用及纤维间排列的问 图6 纤维、纤维制品的各层和相互关系图 题，进而提出尺度学解释和获得纳米纤维，却 当今纺织工业的大宗纺织与产品。但纺织材料 被其他学科先于一步提出并实现，可谓“遗憾”。 及其加工早已跳出此限制，涵盖结构柔性和复 合的材料及其成形加工。而纱线，也不只是指 二、纺织材料发展中的问题 那些单轴加捻成形的纱线；织物也不仅仅是指 既然定义的纺织材料是纤维、纱线、织物 由纱线交织、针织而成的织物，如今都是广义 及其复合物，纺织材料就不是天造之物，其虽 概念的线状或片状柔性材料，很难限定其轴（喂 然对应着各自人工获取与制备的特征。纺织材 入体系）和维（空间构形）数了。 料已从远古天然纤维状物质的采摘、加捻成线 纺织材料可以通过纤维的结合，使刚性材 绳、编结成织物，而用于绑扎、悬挂、承载、 料变得柔软，使柔性材料变得刚硬；使性质均 包裹等工具，进而作为标识、记载、伪装、遮 匀的材料变得各向异性，使各向异性的纤维组 挡之用具，并逐渐转化为遮寒蔽体或装点美观 合成各向同性物质；使部分物质（液、汽、气） 的服饰，进化到如今有目的、有技术地种植、 能够出入自然，而使其他物质（颗粒、水、微 饲养、采矿、再生、合成，获取初级纤维，再 生物、汽）无法通过；可使材料在多孔状态下 由复杂、智慧的人工机械，以及物理、化学、 达到隔热、保暖；使材料在很大的变形下保持 生物方式加工成的可用于服装、家用、产业用 弹性；也可让其他材料无法实现的三维曲面造 的纤维及纤维制品，来满足或基本满足人类生存 型，通过二维平面的纺织材料，柔性、自然地 与发展的需求，足以显示出人类的才智和能力。 贴伏于人体上。这是人类以柔对刚、以柔制刚、 1. 纤维发展引出的问题 以柔变刚、将刚变柔的杰作，不仅为人类自身 对纺织材料而言，令人振奋的发展可能是 造福，而且为现代材料科学提供了丰富的素材。 近百余年来纤维材料的发展，其不仅表现在产 纺织材料学1.indd 5 2019/9/24 15:23:25  006 纺织材料学（第 2 版） 量上的巨大进展，进展速度令预测专家们瞠目 清晰地看出这一模仿的痕迹，如图 7 所示。 结舌，而且反映在纤维的品种和性能或功能上 天然 组成 再生纤维 长度 仿棉仿毛 形态 异形纤维 的突飞猛进。这种变化使材料学家和生产厂商 纤维 合成纤维 模仿 中长纤维 模仿 复合纤维 模仿 应接不暇，而使消费者兴奋并受益。 因为 60 年前，人类生产及使用的天然纤 图7 人类模仿天然纤维的发展过程 维约为 1000 万吨，不包括麻、木棉、其他动 植物纤维；化学纤维 330 万吨，仅为天然纤维 正是模仿天然纤维的线型高分子，人类从 的 1/3。60 年后的今天，天然纤维的消费量约 简单地直接溶解和过滤获得黏胶液，制得“再 3000 万吨；化学纤维却达到 6180 万吨，是天 生（regenerated） 纤 维 ”， 到 使 用 合 成 技 术 将 然纤维的 2 倍多。60 年前的世界人口仅 27 亿， 低分子变为线型高分子进而加工出合成的再生 今天的人口约 72 亿，增加了 2.66 倍；而天然 纤维以及其他金属纤维和玻璃纤维，因“人造 纤维增加的 3 倍，还不包括麻，如果只是满足 （man-made）纤维”一词已被黏胶类纤维占用， 人类的穿衣需求，此增长倍数足以与人口膨胀 故称作合成纤维（synthetic fiber）。再生纤维当 持平。化学纤维增加了 18.7 倍，除了纤维材料 时已有纤维素和蛋白质类，现又出现再生淀粉 得以在其他领域中广泛应用而使加工和使用者 纤维、再生甲壳素纤维，甚至再生化学纤维， 感到欣慰及满足外，反过来的问题也值得人们 乃至所有纤维的再生化。这将是 21 世纪前半 深思，60 年间，使用有限的石油和土地资源将 叶最重要的内容，因为有年产 6000 万吨的化 人均消费量从 4.9kg 发展到 12.75kg，是否真的 学纤维在不断地变成自然界中的高分子原料。 值得？应该重视纤维资源的循环利用。 对初级化学纤维进行长短、粗细和消光处 产量的增加令人高兴也使人烦恼，因为 理，是化学纤维改进的第一步。如仿棉、仿毛、 纤维品种和性能的发展确实是人类文明与进 中长纤维和加二氧化钛粉末（200～300nm）消 步的象征，但纤维来源于宝贵的石油与天然 光的纤维。从 19 世纪末叶到 20 世纪 30～40 年代， 气 及 土 地 资 源。 从 远 古 人 类 开 始 使 用 树 叶、 花了近半个世纪，这些统称为普通化学纤维。 枝条和动物毛皮，到发现和利用纤维已有至 而后又开始模仿天然纤维的形态及部分性质， 少 10 万年的历史。传统观认为 8000 年前古 见图 7 及图 8 中的“ ”。以此改善原来统一 埃及开始使用麻；6000 年前古巴比伦使用羊 呆板的圆形和不吸湿、难以染色的缺陷。如今 毛；5000 年前古印度使用棉花；4700 年前中 统称为差别化纤维，即与原来合成纤维的形态、 国使用蚕丝。而考古新发现除棉外，又将时 组分和可及性（可吸湿、可染色）存在差别的 间推前，以色列犹大沙漠赫摩尔山洞发现的 纤维。如从羊毛皮质的双边分布和蚕丝三角形 距今 9160～8150 年的亚麻织物；南美洲安第 截面，导出了复合纤维（或卷曲纤维）和异形 斯山洞窟遗址中发现距今 10600～7780 年的毛 纤维，以增加纤维的弹性及可纺性和纤维的光 织物残片；中国河南荥阳青台村仰韶文化遗 泽。又如可以仿制皮革的超细纤维；能够产生 址发现的距今约 5630 年的丝织物。这些均为 收缩或弹性的高收缩纤维和弹性纤维；可以较 文明史前的实证，但其也仅为记录，而人类 好吸湿甚至吸水的高吸湿纤维；能够保暖的中 开始使用纤维的历史肯定先于记录。麻、毛、 空纤维；和可提高染色性的阳离子可染涤纶等。 棉、丝这四大类纤维不仅在生长与获得上对 事实上，初级化学纤维本身因纺丝凝固先 人类极为友好，是天然纤维素或蛋白质，易 后的原因，会产生非圆形化的截面，但那不是 于获取、能耗小、可持续，和再生；而且在 人为所致，故人们不将其归入差别化纤维，因 结构和性能上各有特点，成为人类效仿并发 为人们认为差别化是人工控制纤维形态、组分 展化学纤维的范例。从化学纤维的发展便可 和可及性的成功。虽然这些都是源于自然界的 纺织材料学1.indd 6 2019/9/24 15:23:25  绪 论 007 天然纤维 植物（种籽、韧皮、茎、叶、果壳） 米纤维：虽静电纺丝的纤维粗细仍在亚微米 榜样 动物（毛发、分泌液） 5000 年 矿物（岩石类） （100～1000nm）尺度徘徊且强度很低（≤ 1cN/ 再生 再生纤维素、再生蛋白质 dtex），但已能产业化生产；虽自生长纤维还 合成纤维 锦纶（尼龙） 、涤纶等 6 大类 在实验室研究，但能轻而易举地实现纳米尺度； 开发利用 100 多年 差别化 异形、复合、超细 高收缩、弹性 虽从废弃天然纤维中分离纳米原纤体的产率及 升级利用 纤维 极细羊毛 可染色、可吸湿 速度较低，但已能分离得棉、麻的纳米晶须和 近 60 年 麻、竹类 高湿模量 表面改性多孔 蜘蛛丝 强力载胶 仿生 羊毛的亚微尺寸的巨原纤和纳米尺寸的微原纤 Lyocell 改性 共聚共混改性 溶解 (Tencel®） 高性能 芳纶、碳纤维、玻 晶须体。 粉末化 璃纤维，高强涤纶、 甲壳素 纤维 通过选择高性能组分或纤维的高性能化， 基因技术 锦纶、维纶 聚乳酸 纳米 静电纺 改性类 异形复合 拉伸细化 (玉米） 纤维 自生长 获得高性能纤维，如碳纤维，强度从 1～3GPa 牛奶酪素 异组合 导光 劈裂分离 提高到 9GPa，虽与其晶体强度差 2 个数量级， 大豆蛋白 超细、亚 ＜60 年 导电 其他组成 微至纳米 功能化 吸水 但为最强纤维之一；超高分子量聚乙烯强度 化学纤维 弹性 智能化 过滤 如 PTT 高吸湿 分离 达 4.5～5GPa，与其分子强度已几乎在同一数量 常温可染 静电纺准 PBT 相变 多色谱 纳米纤维 级。人们在努力实现纤维强度向其分子强度的 氨纶 记忆 角蛋白 高性能 再生化学 异收缩 变色 纤维等 异粗细 UHMPE 自生长 逼近，但至今为止，还没有一根长丝，在考虑 PBO 纳米纤维 自适应 异截面 PEEK 复合功能 等 重力作用下，能够将地球与月球相连。而均匀 陶瓷 智能化 连续的碳纳米管却能提供这种可能，见图 9。 纤维形、性、功能的可控与可变，组成的可选 纤维高性能化和纤维自适应行为的实现 人类应该承认自然界 人类有能力、在迸步 天然纤维的作用就如 但还稚嫩，会犯错 同母亲，孕育了儿女 ？ 误，应该自律 图8 纤维的发展及天然纤维的作用 启示，但人类从无到有、从不能控制到能够控 图9 碳纳米管 制的生产，并在一些性能和形态上超过人们赖 以生存和学习的对象——天然纤维，如强度、 通过纤维形态、尺度、结构和组分的调整， 弹性、超细等。 以及排列的多维、多层次，可使纤维获得不同 由此成功，人类变得一发而不可收拾。在 的力、热、光、电、声、磁、湿、表面功能等， 纤维改性和高性能上，在功能化甚至智能化上 如图 8 所示。甚至利用纤维组分或结构对这些 形成了新的分枝，而且以应用为主线，在改性、 物理作用，或生物、化学作用产生的激发反应 高性能、功能化上取得了许多进展，见图 8。 并可循环（称可复位性），而制成自适应（self- 通过共混、共聚、接枝、表面改性以及纤 adapted）的智能纤维。如形状记忆、相变、变 维聚集态结构和高次结构的精细调整，出现的 色、结构色、触须感应等。人类不仅可以选择 聚丙烯腈类，大豆、牛奶酪素类、角蛋白改性类， 纤维的质（组成与含量）和调控纤维的形（形态、 等离子体或高能辐射表面改性类，液晶纺丝控 尺度、结构与表面）以获得纤维的性（性能与 制分子排列与结晶，高次结构（原纤）的螺旋 功能），而且可赋予纤维进行形、性自适应变 化等。 化的功能，即“智能”。这与当今人类科技的 采用静电纺丝（electro-spinning）和自生 生物基因技术（克隆技术）一样，具有突破性 长（self-growing） 或 纤 维 分 离 技 术， 制 备 纳 的意义和极大的挑战。 纺织材料学1.indd 7 2019/9/24 15:23:26  008 纺织材料学（第 2 版） 尽管人类可以或正在进行纤维的改变与 生长或吐出结构复杂、性能优异的纤维。柔弱、 创造，甚至在改变天然纤维，但人类至今还 微小的棉纤维竟能携带沉重的种子，广布于他 在许多方面不及天然纤维。如纤维的强度和 乡；同样的麻纤维却能构造起坚实的复合体， 弹性始终不能达到蜘蛛丝的状态，即实际强 保护茎秆、提供养料。这些可爱的动植物们， 度无法达到其分子强度同一数量级。如纤维 竟然能比人类更富有天分地进行着纤维的生成 的原纤结构无法像棉、麻那样为多层结构且 及结构形态的调整。特别是对基本构成单元的 在不同层的螺旋排列不同，也就无法实现棉、 排列和多尺度化，看上去强大而聪明的人类却 麻 纤 维 外 层 具 有 自 约 束 的 网 状 或 包 缠 结 构。 显得笨拙，始终不及天然纤维所为。这些定是 如纤维的中空度只能达到 60%，而无法像木 纤维发展、认知与表征中所要解决的问题。 棉纤维那样达到近 90% 的连续中腔和均匀的 纤维在不断地发展，新纤维层出不穷，对 薄 壁， 更 无 法 想 象 在 这 仅 1～2μm 的 胞 壁 厚 纤维的认识与了解也在不断深化，应该积极主 度中存在 5+2 层不同取向和排列密度的原纤 动关注这些进展。 结构层，见图 10。如纤维的表观形态无法产 2. 纱线发展引出的问题 生像毛发类纤维的鳞片、甚至波纹状的起伏； 纱线是通过加捻将短纤维连续并具有强 无法像羽绒纤维形成的多级枝杈和奇妙的分 度 和 弹 性； 将 长 丝 相 互 抱 合 形 成 稳 定 形 态； 形现象，如图 11（a）所示；也无法像兔毛那 或将多根纱、丝复倂集合的细长物。其作为 样形成中腔的“竹节”结构［图 11（b）］。 绑扎、系挂的工具比纤维还早使用，那时只 是选用细草束和细藤枝的绳。而加捻不仅可 使纱线成形与变形，而且可以通过喂入方式 和张力变化获得花式纱线。其形成与区别如 图 12 所示，是一个从简单加捻组合或直接合 并到复杂多轴系的组合；从只有加捻（短纤） 和黏合（生丝）方式到引入编织和纠缠机制 （空气变形或气流混乱化纠缠）；从纺纱、纺 图 10 木棉纤维的微细结构与层次 丝、 合 股 成 线 的 分 离 进 行 到 纱、 丝 成“ 线 ” 一步完成，都体现了纤维→线状纤维集合体 过程中的组合复合、相互作用和一次成形的 思想。这完全跳出了传统概念中的纱→线→ 绳的短纤体系及组合变粗的定势，使纺织材 料在纱线这一领域中变得成熟、丰富和完整。 单 短纤纱（纱） 长丝束（丝） ？ 轴 系 股线（线） 复合结构纱 复合结构丝 多 图 11 分叉羽绒和有竹节多髓腔的兔毛 花式线 编织线 轴 系 人工纤维（Artificial fiber）成形技术，除 了速度和均匀性外，都不及生物界温文尔雅、 单、双、多的复合与组合 形式多样、一次完成的成纤行为。尤其是羊、 蚕和蜘蛛，在其柔弱的毛囊或分泌腺中，却会 图 12 纱线的形成与区别及可能的提示 纺织材料学1.indd 8 2019/9/24 15:23:26  绪 论 009 图 12 表明， 纱线不仅仅是一个由短变长（短→ 符合传统科学实验与摸索的思维定式和进展 长）的过程，而且是长→匀、单→复、匀一→ 路线，一步一个脚印但显得有些笨拙。因为 复杂的过程，涉及纱、丝、线及其组复合体。 在这之前、之中有太多的提示与暗示，如纺 尤其是短纤纺纱体系中的短纤复合纱和短纤结 织本身的纱线合股与花式纱体系；整经过程 构纱的出现与发展，成为这一过程最典型例子。 的合并，如天然和人工长丝的复合纺丝…… 人们从富有成效的刚硬握持的非自由端 我国在 20 世纪纤维和纺织加工工业与技术迅 纺 纱 中， 质 疑 了 这 类 纺 纱 体 系（ 如 环 锭 纺 ） 猛 发 展 的 时 期， 在 众 多 暗 示 和 机 遇 的 时 代， 的速度和成纱质量，进而转向柔性握持的自 在同样享受着传统或“新型”纺纱技术的时刻， 由端纺纱，如转杯纺、涡流纺、静电纺、摩 却未能产生类似的实践，哪怕是一些类似的 擦纺等。而正是这种转移，促进了对于传统 想法。这可能与我们只注意了解或解释一些 环锭纺纱这一非自由端纺纱的深入思考、艰 新事物与新想法，过多地猎奇或复制他人的 苦抉择和努力发展。这是一大思维创新。于 工作，而未反思这些创造的过程并获取启发， 是人们开始将两根分得很开的须条进行纺纱 尤其是其中规律性或必然性的东西有关。 ［图 13（a）］，创造了“自捻纺”；又将两根 可喜的是，在对这些技术的分析中，已 须条靠得很近，在一个皮辊宽度上纺纱图 13 出现了思考和创新实践。如将短 / 长复合纺技 （b），创造了 S/S（短 / 短）纺，俗称“Sirospun（赛 术拓展到非自由端纺纱体系；在传统的环锭 络纺）”；进而干脆对一根须条实施切分［图 纺中采用多轴系的对称与非对称的复合纺制 13（c）］, 创造了单须条分束纺（Solospun）。 备细特（高支）或超细特（超高支）纱和回 还有引入长丝束 F，形成了 S/F（短 / 长）纺 用纤维的高支、高品质纱，甚至纺负泊松比 纱，国人大多称为“Sirofil（赛络菲尔）”纺纱。 纱；采用 3～5 轴系的非等汇聚点的复合结构 前三个创造都是纺纱领域中 20 世纪 60～80 年 纺纱形成多结构相、优势互补、高弹性、功 代，对环锭纺纱体系的突破性贡献，解决了