结晶度与取向度

结晶区与无定形区

纤维中的分子链不是完全规则排列的，而是分成两部分：

结晶区（Crystalline region）：分子链规则排列、紧密堆砌（形成晶体）→ 分子间作用力强 → 强度高、不易被水与染料进入。

无定形区（Amorphous region）：分子链混乱排列、疏松 → 分子间空隙大 → 水、染料、化学试剂可以进入（这是吸湿、染色、化学反应的场所）。

实际结构（缨状微束模型）：一根分子链可以穿过多个结晶区与无定形区（像"缨子"一样）→ 把两者连成整体（因此纤维既有强度又有柔韧性）。

结晶度 = 结晶区重量 / 总重量 × 100%。

典型：棉 70%、亚麻 70%～90%、粘胶 30%～40%、涤纶 40%～60%、锦纶 35%～50%、羊毛（结晶很不完善，通常不以结晶度讨论）。

结晶度的影响

• 结晶度高 → 强度与模量高（分子排列紧密、作用力强）、尺寸稳定性好、耐热性好、耐化学性好。
• 结晶度高 → 吸湿性差（水进不去结晶区）、染色困难（染料进不去）、手感硬、透明度低。
• 例子：
• —— 麻（结晶度 70%～90%）：强力高、挺爽、但染色慢、易皱。
• —— 粘胶（结晶度 30%～40%）：吸湿好、易染色、柔软、但湿强低、易变形。
• —— 涤纶：纺丝后拉伸使结晶度与取向提高 → 强力大幅提升。
• —— 棉丝光：浓碱处理使结晶度下降（部分结晶被破坏）→ 吸湿与染色性提高、光泽改善。
• —— 绵纶/涤纶的碱减量与热处理也会改变结晶结构。
• 因此：结晶度是"强度"与"可及性（吸湿/染色）"之间的一对矛盾，需要根据用途平衡。

取向度的影响

• 取向度：分子链（或晶体）沿纤维轴排列的整齐程度。
• 取向度高 → 轴向强度高（外力由分子链主价键承担，而非靠分子间力）、模量高、伸长小、光泽强（表面更规则）、各向异性明显（横向强度低）。
• 如何获得高取向：拉伸（drawing）—— 纺丝后的拉伸是提高取向度的关键工序。
• —— 涤纶 POY（取向低）→ 拉伸 → FDY/DTY（取向高、强力高）。
• —— 芳纶 1414 与 UHMWPE 的超高强正是来自近乎 100% 的取向（液晶纺丝 / 凝胶纺丝 + 超高倍拉伸）。
• 副作用：取向度高 → 纤维横向强度低、易劈裂（如超强纤维的抗剪切差）；热收缩大（取向的链有回缩倾向，需热定型稳定）。
• 热定型的作用：在张力下加热，让链段松弛、消除内应力，同时保持取向 → 降低热收缩、稳定尺寸。

如何调控

• 拉伸：提高取向度（主要手段）。
• 热定型：在 Tg 以上、Tm 以下处理 → 可调整结晶度（提高或降低，视条件）并稳定结构。
• —— 松弛热定型：结晶度略升、尺寸稳定、热收缩降低。
• —— 张力热定型：保持取向、提高结晶度。
• 化学处理：丝光（浓碱）降低棉的结晶度；碱减量刻蚀涤纶的无定形区（相对提高表面结晶度）。
• 共聚与改性：引入共聚单体破坏链的规整性 → 降低结晶度（如阳离子可染涤纶 CDP 的结晶度低于普通 PET，因此更易染色）。
• 纺丝条件：冷却速率快 → 结晶度低（骤冷抑制结晶）；冷却慢 → 结晶度高。

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