结晶度与取向度

纤维的两相结构

纤维不是"均匀的一坨"，而是由两种区域组成：

**结晶区（crystalline region）**：

—— 分子链**排列整齐、紧密堆砌**（像整齐码放的积木）

—— 分子间作用力强 → **结构致密、强度高**

—— **染料分子进不去**（没有空隙）

—— 水也进不去 → 不吸湿、不膨化

**无定形区（amorphous region）**：

—— 分子链**乱七八糟、疏松堆砌**（像乱扔的绳子）

—— 分子间空隙大 → **染料、水可以进入**

—— 是**染色、吸湿、化学反应**发生的场所

—— 也是纤维**柔软、可变形**的来源

**两相模型（缨状微胞模型）**：

—— 一根分子链可以**穿过多个结晶区和无定形区**

—— 像"串起来的珠链"：一部分在晶体里（被固定），一部分在无定形区（自由）

—— 这种结构让纤维既有**强度**（结晶区 + 穿越的分子链）又有**柔韧性**（无定形区）

**关键推论**：

—— **染料只能染到无定形区**

—— 结晶度越高 → 可染区域越少 → **染色越难、得色越浅、饱和值越低**

结晶度对性能的影响

• **染色性**：
• —— 结晶度高 → 无定形区少 → **染料难以进入** → 上染慢、饱和值低
• —— 例：高强低伸涤纶（结晶度高）比普通涤纶**难染**
• —— 例：**拉伸后的涤纶**结晶度和取向度提高 → 染色变难
• —— 这就是"**同一批涤纶，不同拉伸条件，染色结果不同**"的原因
• **强力与伸长**：
• —— 结晶度高 + 取向度高 → **强力高、伸长大**... 不对，是**强力高、伸长小**
• —— 因为分子链已经被"拉直"了，再拉的空间小
• —— 例：**高强涤纶工业丝**（高结晶高取向）：强力极高、伸长很小
• —— 例：普通涤纶：强力中等、伸长 20%～40%
• **吸湿性**：
• —— 结晶区不吸湿 → 结晶度高 → **吸湿低**
• —— 但水只能进无定形区 → 吸湿主要发生在无定形区
• **尺寸稳定性**：
• —— 结晶区是"**锚点**" → 结晶度高 → **热收缩小、尺寸稳定**
• —— 这就是为什么**热定型**能提高尺寸稳定性（定型使结晶度提高、晶体更完善）
• **耐化学性**：
• —— 结晶区致密 → 化学试剂**难以渗入** → 耐酸碱性好
• —— 无定形区先被攻击
• —— 例：**碱减量**就是在无定形区（和表面）进行水解
• **玻璃化温度**：
• —— 结晶区**限制**了无定形区链段的运动 → 结晶度高 → **Tg 略升高、转变变宽**

取向度

• **定义**：分子链沿**纤维轴**方向排列的程度
• —— 取向度高：分子链都"顺着"纤维方向排列
• —— 取向度低：分子链横七竖八
• **纺丝过程中的取向**：
• —— 熔体从喷丝板出来 → **拉伸（drawing）** → 分子链被拉直、沿轴排列 → 取向度提高
• —— 拉伸倍数越大 → 取向度越高 → **强力越高、伸长越小**
• —— 这就是为什么"**未拉伸丝（UDY）**"强力低、"**全拉伸丝（FDY）**"强力高
• **取向度的影响**：
• —— **强力**：沿纤维轴的强力**大幅提高**（更多分子链共同承力）
• —— **横向强力**：降低（横向靠分子间力，取向高了反而弱）→ 纤维**容易劈裂**
• —— **伸长**：降低
• —— **光泽**：提高（表面更规整）
• —— **染色**：**变难**（结构紧密、无定形区也被"拉紧"）
• —— **热收缩**：取向高的纤维**热收缩大**（有"回缩"的趋势，一加热就想缩回去）
• —— 这就是**沸水收缩率**的来源
• **双折射（birefringence）测取向度**：
• —— 取向的纤维在光学上是**各向异性**的 → 有双折射
• —— 用**偏光显微镜**测双折射率 → 可定量取向度
• —— 简单、快速，是常用的取向度表征方法

加工中结晶结构的变化

• **热定型（heat setting）**：
• —— 在 Tg 以上、Tm 以下加热 → 分子链段可以运动 → **重排**
• —— 结果：
• —— **结晶度提高**（部分无定形区转变为结晶区）
• —— **晶体更完善（晶体尺寸增大、缺陷减少）**
• —— **内应力消除**
• —— 宏观表现：**尺寸稳定、热收缩减小、抗皱性提高**
• —— 但：**染色性下降**（结晶度提高了！）
• —— 重要的工艺原则：**先定型还是先染色？**
• —— 一般：**坯布定型（预定型）→ 染色 → 成品定型**
• —— 预定型：稳定尺寸、防止染色时起皱
• —— 但预定型温度**不能太高**（否则染色困难）
• —— 常见的做法：预定型 180～190 ℃，成品定型 160～170 ℃
• **碱减量**：
• —— 碱从**表面和无定形区**开始水解 → 纤维变细、表面产生凹坑
• —— 结晶度相对提高（无定形被优先水解掉）
• —— 表现：**仿真丝手感、悬垂改善、光泽柔和**
• **拉伸与热处理的历史（"热历史"）**：
• —— 纤维经历的每一次**加热、拉伸、定型**都会改变其结晶结构
• —— 这就是"**同一规格的涤纶，不同厂家、不同批次的染色性能不同**"的深层原因
• —— 印染厂能做的：**来料先做小样确认**，不能假定上批的配方能沿用
• **丝光（棉）**：
• —— 浓碱使棉纤维**膨化** → 天然纤维素 I 转变为**纤维素 II**
• —— 结晶度**下降**（从约 70% 降到 50%～60%）、取向度下降
• —— 结果：**无定形区增多 → 染料更容易进入 → 得色量提高 30%～50%**
• —— 这就是丝光能**省染料、提高得色**的根本原因！

相关词条

• 玻璃化温度（term-glass-transition）
• 扩散与扩散系数（term-diffusion）
• 热定型（heat-setting）
• 丝光（mercerizing）
• 碱减量（涤纶仿真丝）（proc-deweighting）