纖維的結晶區（定形區）、非晶區（無定形區）結構

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纖維的結晶區（定形區）、非晶區（無定形區）結構

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一、纖維結構的一般特征

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纖維是由成千上萬根線性長鏈大分子組成，這些大分子有些部分排列整齊，有些部分排列紊亂；整齊排列部分為結晶區，紊亂排列部分為非晶區；在結晶區中，數根大分子以某種形式進行較整齊且沿晶粒長度方向上平行排列。在兩個結晶區之間，由縛結分子進行連接，并由縛結分子進行無規則地排列形成紊亂的非晶區（無定形區）。每個大分子可能間隔地穿越幾個結晶區和非結晶區，大分子之間的結合力以及大分子之間的纏結把其相互聯結在一起，靠穿越兩個以上結晶區的縛結分子把各結晶區聯系起來，并由組織結構比較疏松紊亂的非晶區把各結晶區間隔開來，使纖維形成一個疏密相間而又不散開的整體。纖維中大分子的排列方向與纖維長度方向（軸向）呈現一定的取向。從總體上講，紡織纖維是由結晶區和非晶區構成的混合體。

宏觀上，上述結構特征可以從兩個方面進行表示：一方面紡織纖維中結晶區的大小占纖維的比例，通常用纖維的結晶度來表示；另一方面大分子的排列方向與纖維軸向符合程度，通常用纖維的取向度來表示。

２．纖維的結晶態結構

（１）結晶結構形態：纖維中的結晶區是由晶體構成。晶體是纖維大分子按照規則的三維空間點陣結構進行周期性有序排列所形成的結構體，其中構成晶體的最小單元為晶胞，也就是說晶體是由晶胞的周期性重復構成的。晶胞的形態和大小，可用三維立體結構中的三個邊的長度ａ、ｂ、ｃ以及三個邊之間的夾角α、β、γ六個參數來表征，這些參數通常稱為晶格常數，一個邊長的方向一般是纖維長度軸方向）。目前已發現纖維高聚物中共有七個典型的晶胞結構。

晶胞的結構參數不同，表示晶體中大分子的排列方式和結構不同。對于相同大分子纖維，若所形成的晶體中的晶胞具有不同的晶格參數，其性能特征就會有較大差異。晶胞結構參數取決于大分子性質和纖維生長（天然纖維）、加工過程中的條件。另外纖維在經過紡織染整加工中某些條件處理后，其晶體中的晶胞結構參數是可以改變的。

（２）纖維中的結晶形態：對于纖維結晶結構人們采用了Ｘ射線衍射、中子散射、顯微分析等手段，分別研究了各種高聚物在不同條件下所形成的結晶，發現高聚物中存在不同形式的結晶形態，包括單晶、樹枝狀晶、球晶、原纖狀晶、串晶和柱晶等，而組成這些晶體的片晶主要有折疊鏈片晶和伸直鏈片晶。

單晶是一些具有規則幾何形狀的薄片狀的晶體，厚度通常在１０ｎｍ左右，大小可以從幾個微米到幾十個微米，一般是在小于０．０１％極稀的溶液中緩慢結晶生成，且它是由折疊鏈片晶組成。樹枝狀晶是由單晶在特定方向上擇優生長，從而使結晶發展不均勻形成。一般當高聚物相對分子質量很大，而所形成的溶液濃度較高時，并且在低溫條件下，就會形成此類結晶。球晶是大分子在無應力狀態下，從濃溶液或熔體中緩慢冷卻形成的球狀復雜晶體結構。球晶中的晶片為折疊鏈片晶，而在各片晶之間還存在伸直鏈片晶的聯結。原纖狀晶體是高聚物大分子在結晶過程中受到攪拌、拉伸或剪切作用時所形成，是由完全伸展的分子鏈所組成。串晶是由高分子溶液邊攪拌邊結晶形成的結晶形態，串晶的中心是伸直鏈結構的原纖狀晶體，外延間隔地生長著折疊鏈晶片。柱晶是高聚物熔體在應力作用下冷卻結晶形成的以折疊鏈片晶為主的柱狀晶體。

化學纖維一般是在高壓力擠出加工條件下形成的，在其結晶區中，常存在著串晶、柱晶和原纖狀晶體等結晶形式，有時也會存在球晶形式。雖然在通常情況下球晶形式應該在生產中盡量避免，但如果纖維被要求具有一些特殊的光學性質時，球晶形式就是一種希望得到的結晶形態。

（３）結晶度：從上述討論知道，結晶區和非晶區的性能存在著較大差異，纖維中結晶區的大小和所占纖維的比例，直接影響纖維的性能和加工工藝的控制。因此通常采用結晶度對結晶部分的含量進行定量表述，結晶度是纖維中晶區部分的質量或體積占纖維總質量或總體積的百分數。

測試纖維結晶度的方法有密度法、Ｘ射線衍射法、紅外光譜法、量熱分析法等。但要注意的是，在同一根纖維中晶區和非晶區相互交織、同時存在，且沒有明確的界限，而不同的測定方法對晶區和非晶區的界定不同，因此采用上述各種方法測試結晶度時，所測得的結果存在較大差異。所以給出某纖維的結晶度時，必須說明相對應的測試方法；而比較不同纖維結晶度時，必須采用相同方法的測試結果。

３．纖維的非晶態結構

非晶態結構是指大分子鏈不具備三維有序的排列結構。纖維中呈現非晶態結構的區域稱為非晶區。目前對于非晶態結構的主導認識，主要是１９４２年Ｐ．Ｊ．Ｆｌｏｒｙ從統計熱力學出發，提出的非晶態的“無規線團模型”，該模型認為非晶態的高聚物是由大分子的無規線團組成，每條大分子鏈處于其他許多相同的大分子鏈的包圍中，而且分子內和分子間的相互作用是相同的。根據無規線團理論建立的數學模型，能較好地計算和預測非晶態高聚物的行為。

當然對于非晶態結構的認識，也存在其他的觀點，其中比較典型的是１９７２年Ｙｅｌ提出的“兩相球粒模型”，認為非晶態的高聚物是由折疊鏈構象的“粒子相” 和無規線團構象的“粒間相”構成。也就是說，在無規線團中存在著局部有序的大分子排列。根據此模型也能夠解釋部分實驗現象。

纖維非晶態結構也是一種非常重要的凝聚態結構，它直接影響纖維的力學、熱學以及吸附等性能，但其確切的理論尚需進一步研究。

纖維修正穗邊微束結構模型的示意圖