（纺织工程专业论文）圆形截面纤维结构与其反光特性关系的研究.pdf

摘要 摘要 题名：圆形截面纤维结构与其反光特性关系的研究 研究生姓名：曲延梅导师：张海泉教授 专业：纺织工程 光泽是纤维的一个重要的品质评定标准，反光性能决定着纤维光泽的优劣。而纤维 的反光性能与它的结构存在着密不可分的联系。 目前对单根纤维的反光性能研究较少，主要涉及了表面反射光、透射光、内表面反 射光这些方面，对纤维的皮芯层结构、其内表面反射光的笛卡尔线现象等没有涉及。当 平行光线垂直于纤维轴照射时，纤维内表面反射光的出射角相对于入射角会逐渐增大到 一定值，而后减小，最大出射角对应的光线称为笛卡尔线，即圆柱形纤维的反光过程中 存在笛卡尔线现象。本课题主要利用纤维的这一特征，研究了圆形截面纤维结构的三个 方面：表面粗糙度、内部结构不匀、皮芯结构与纤维的反光特性的关系。 首先从化学纤维的加工工艺探讨了皮芯结构的形成原因、内部结构不匀的影响因 素、表面粗糙的原因，根据化学纤维的结构特点，建立纤维皮芯结构的物理模型，借助 于纤维内表面反射光的笛卡儿线，利用几何光学原理，系统分析讨论了皮芯层折射率差 异以及皮层厚度变化对笛卡尔线的影响； 设计实验方案，选择实验对象，制备实验仪器，针对前面分析的纤维结构的三个方 面，分别建立模拟实验，对理论分析的结果进行了实验验证分析。实验测定平行光垂直 纤维轴照射时各个出射角的二维漫反射光的光强分布，分析笛卡尔线的变化规律，与理 论分析相吻合。 课题完善了纤维笛卡尔线的研究，充实了纤维反光性能的研究内容，对纤维性能的 改进和开发特殊性能纤维具有重要的理论指导意义。 最后，对今后课题的研究方向进行了展望。 关键词：圆形截面纤维：皮芯结构；笛卡尔线；反光强度；粗糙度；内部结构不匀； 点散反射 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e s i st o p i c ：s t u d yo nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es t r u c t u r eo fr o u n d 。s e c t i o nf i b e r sa n d r e f l e c t i o n n a m e ：o uy a n m e i t u t o r ：z h a n gh a i q u a n m a j o r ：t e x t i l ee n g i n e e r i n g l u s t e ri sa ni m p o r t a n te v a l u a t i o ns t a n d a r di nf i b e rq u a l i t y t h er e f l e c t i o nd e c i d e sl u s t e r o ff i b e r s t h e r ei sa ni n s e p a r a b l er e l a t i o nb e t w e e nt h er e f l e c t i o na n ds t r u c t u r e n o w , l e s ss t u d yo nt h er e f l e c t i o no fs i n g l ef i b e rh a sb e e nd o n e ，i n c l u d i n gs u r f a c e r e f l e c t i o n t r a n s m i s s i o nl i g h t i n t e m a ls u r f a c er e f l e c t i o n b u ts k i n c o r es t r u c t u r ea n dt h e d e s c a r t e sr a yo fi n t e m a ls u r f a c er e f l e c t i o nh a v e n tb e e ni n v o l v e d w h i l ep a r a l l e lr a ys t r i k e s f i b e r sv e r t i c a l l y , t h ei n t e m a lr e f l e c t i o na n g l ei n c r e a s e st oc e r t a i nv a l u ew i t hi n c i d e n ta n g l e ， a n dt h e nd e c r e a s e s t h er a yw h i c hr e f l e c t sf r o mt h em a x i m u ma n g l ei sc a l l e dd e s c a r t e sr a y a l s ot h e r ei sd e s c a r t e sr a yi nt h ep r o c e e d i n go fr e f l e c t i o ni nr o u n d s e c t i o nf i b e r s i nt h i s a r t i c l e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h r e ep a r t so ff i b e r ss t r u c t u r e ( i n c l u d i n gs k i n c o r es t r u c t u r e ， i n n e rs t r u c t u r en o n u n i f o r m i t ya n ds u r f a c er o u g h n e s s ) a n dt h er e f l e c t i o nc h a r a c t e ri ss t u d i e d f i r s t l y , f r o mt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc h e m i c a lf i b e r s ，t h ec a u s eo fs k i n c o r e s t r u c t u r e i n f l u e n c ef a c t o r so fi n n e rs t r u c t u r en o n u n i f o r m i t ya n dc a u s eo fs u r f a c er o u g h n e s s a r ed i s c u s s e d ap h y s i c a lm o d e la b o u ts k i n c o r es t r u c t u r ei sb u i l ta c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l c h a r a c t e ro fc h e m i c a lf i b e r s w i t ht h e a i do ft h ei n t e m a lr e f l e c t e dl i g h t sd e s c a r t e sr a y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fg e o m e t r i c a lo p t i c st h ei n f l u e n c eo ft h es k i nt h i c k n e s sa n dt h e d i f f e r e n c eo fs k i n c o r es t r u c t u r e sr e f r a c t i v ei n d e xt or e f l e c t e dl i g h ta r es y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e db a s e do nt h et h e o r y d e s i g n i n ge x p e r i m e n t a lp r o g r a m ，p r e p a r i n ge q u i p m e n t ，a i m i n ga tt h et h r e ep a r t so ff i b e r s t r u c t u r ei nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o nt e s t sa r eb u i l t ，w h i c hc o n f i r m st h ec o n c l u s i o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i s i nt h e s et e s t s ，t h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft w o d i m e n s i o n a ld i f f u s e r e f l e c t i o ni st e s t e d ，a n dt h ec h a n g el a wo fd e s c a r t e sr a yi sa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sc o r r e s p o n de x c e l l e n t l yw i t ho n ea n o t h e r t h er e s e a r c hp e r l e c t st h es t u d yo nd e s c a r t e sr a yo ff i b e r s ，a n de n r i c h e st h er e s e a r c h c o n t e n ta b o u tr e f l e c t i o nc h a r a c t e r , w h i c hh a si m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c eo n i m p r o v e m e n to fc h a r a c t e ra n dd e v e l o p m e n to fp a r t i c u l a rf i b e r s a tl a s t t h et h e s i sm a k e st h ee x p e c t a t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：r o u n d s e c t i o nf i b e r , s k i n c o r es t r u c t u r e ，d e s c a r t e sr a y , r e f l e c t i o ni n t e n s i t y , r o u g h n e s s ，i n n e rs t r u c t u r en o n u n i f o r m i t y ，s c a t t e r e dr e f l e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 、岫 日期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：2 蛰迄扔 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 作为一项传统产业，纺织品、服装的出口一直是我国外贸出口的一个重要方面，随 着人们生活水平的提高，对纺织面料的要求越来越高。除了穿着使用的舒适性外，对其 健康环保性也有了更高的要求，想要追求更加天然的感受。这对纤维的性能也提出了更 高的要求。 近年来，我国的化学纤维的生产一直处于快速发展阶段，但对于具有高附加值的差 别化纤维，无论是研究还是生产还是处于较低的水平阶段，广阔的市场被国外的企业占 领，所以开发生产差别化纤维是我国企业发展的一个重要方向。纤维性能的改进是差别 化纤维的一个重要研究方向。因此纤维性能的研究对产品开发就有理论指导的意义。 纤维的光学性质在很大程度上影响纺织品及服装的风格外观，而且纺织品的很多方 面都利用了纤维的光学性质。随着纺织测试仪器的多元化发展，我们对纤维的光学性质 有了更加清楚、深刻的认识。在纤维的光学性质中，其反光性能无疑是一个重要方面。 1 1 国内外的研究现状 1 1 1 国外研究现状 国际上很早就有纺织纤维反光特性的研究报道，这主要源于棉纤维的品质评定l l j ， 因为棉纤维的品质与其光泽有着密切的联系。而化学纤维的出现使得纤维反光特性的研 究又出现了新的领域，这些研究的目的主要是为了改善和客观评价化学纤维的光泽。这 些研究的理论分析比较简单，研究一般采取物理方法测量纤维束的二维和三维反射光强 度曲线，对测得的结果用不同的方法进行处理分析，然后与视觉得到的主观评价结果进 行比较，分析影响纤维光泽的因素，探寻改变化学纤维光泽的方法和客观评价纤维光泽 的方法与指标。 近些年，对织物反光性能的研究中常常涉及纤维反光特性的研究【2 训。织物是纤维 按一定规律排列的集合体，织物的反光特性是纤维的反光特性按一定规律叠加的结果。 因此，这些研究中对纤维的反光特性都进行了系统分析。但是，这些研究一般都只考虑 纤维的表面反射光而忽略了内表面反射光与透射光。 另一个与纺织纤维反光特性有关的研究领域是人体头发光泽的研究。这一领域蕴含 着巨大的商业利益，所以研究一直非常活跃，并且有大量的研究报道1 6 圳。这类研究集 中于头发光泽的影响因素、客观评价方法及各类护发产品的作用。在研究中不仅研究头 发的表面反射光同时涉及到头发内部反射光的影响。但是，人体头发虽然也属于纤维， 但与普通用于纺织的化学纤维还是有较大的差异，尤其在表面形状、内部结构和对光线 的吸收上。 h o l k o k e 曾以透明圆柱体为纤维模型，对平行光垂直于纤维轴照射时纤维截面的反 射( 透射) 光光路进行定量分析，并对单根纤维的二维漫反射光强度曲线进行过理论分 析和实际测试。相关研究内容如下： 江南入学硕f ：学位论义 图l 一1 为折射率为1 5 5 的玻璃纤维的光路图。图1 1 中平行光垂直于玻璃纤维照射， 玻璃纤维直径为l o g m ，折射率为1 5 5 。光路严格依几何光学原理而作。光线在玻璃纤 维中的行进路线如图1 1 所示。 图1 1 玻璃纤维光路图 f i g 1 1l i g h tp a t ho fg l a s sf i b e r 图1 2 玻璃纤维光强度理论分布曲线 f i g 1 - 2d i s t r i b u t i o no fi n t e n s i t yo f g l a s sf i b e r 入射光被分解为表面反射光、折射进入纤维后经纤维内表面一次反射的内表面反射 光、折射进入纤维后由纤维内表面折射出纤维的透射光三部分光线。根据f r e s n e l 公式计 算，得到各部分反射光强的理论分布曲线，如图1 2 所示。 2 第一章绪论 1 1 2 国内研究现状 1 1 2 1 赵林、姚穆等 赵林、姚穆等结合物理学的基本原理和几何光学的基本规律以及光度学的基础理论 等三方面，研究了单根纤维在平行均匀光束垂直于纤维轴入射时的光学性质【1 3 1 4 】。分析 了单纤反光和透光的特征，光强分布以及反射光、透射光和散射光的相对大小；讨论了 在近场和远场条件下，漫反射光和透射光光强的不同规律；通过实验验证了远场时，纤 维的漫射光强度与纤维直径成正比的关系。相关研究如下： ( 1 ) 纤维的基本光学性质 绝干、纯净的纺织材料是绝缘电介质材料，绝缘性能很好，透明度极高。实际纺织材 料是含有伴生物和杂质的，吸湿后还含有水份，此时，纺织材料既不是全透明的，也不是 全反射的，是一种半透明材料。 绝干的纺织材料，吸收系数很小，对光几乎无吸收，光的透入深度较大；吸湿后的 纺织材料，对光有一定程度的吸收，但透入深度约有几毫米，是一般纺织纤维直径的百倍 左右。用光照射有一定回潮率的纺织材料时，入射光将部分被纤维表面反射，部分折射 透过纤维，部分被纤维吸收。被纤维吸收的那部分中又有一部分转变为纤维的内能，另 一小部分以散射光的形式发射出来，但比较小。 ( 2 ) 圆形截面单纤维的光学性质 纺织实验中，纤维受平行均匀光束照射的情况较普遍，且较典型，因此只研究在这 种光照条件下纤维的光学性质。设纤维是截面直径为办的圆柱体，单位长度为玩用平行 均匀光束垂直纤维轴线照射，单位面积 上光照能量为而，如图1 3 所示。入射到 纤维表面上的光强朐按余弦规律分 布，即 ，( 臼) = i oc o s o 一至0 一y 一一 v e ，因此，d 光也称快光，p 光也称慢光。纤维的双 折射能力以a n = n 一n 上表示，称为双折射差度或双折射率，t p x y , 折射。 表2 1 纤维折射率 t a b 2 1r e f r a c t i v ei n d e xo ff i b e r s 从表2 1 可以看出，纺织纤维的折射率一般在1 5 1 6 2 _ 问，醋酯纤维与涤纶例外。 三醋酯纤维的双折射率为一0 0 0 5 ，是最小的；涤纶的双折射率为0 1 8 8 ，是最大的。 但是，纤维是不均匀材料，试样中纤维之间在性质上是不同的甚至通过一个纤维截 面的折射率也是有变化的【2 3 - 25 1 。 2 1 4 光的反射与全反射 ( 1 ) 光的反射 在纤维表面，当光线投射到界面上时，会沿着一定的角度反射，反射光越强，纤维 的光泽就越亮。设定入射光强为而，反射光强为，两者之比为) ，与入射角6 c 和折射角声 有关，如式f r e s n e l 公式【2 ) j ： 江南人学硕士学位论文 y 气i , _ 2 1bsinn2：(a刊-f1)+丽tanz ( a - f 1 ) y 称为反射系数，当入射角仅很小时，反射系数) ，很小，在仅超过一定值后，) ，开始显著 上升，如图所示。在垂直入射似= o o ) 的情况下，上式可改写为： ( f i 一1 1 2 y 2 茅青 ( 2 2 ) 纤维的折光指数n 值平均约为1 5 ，所以反射光与入射光强度之比约为8 左右 图2 - 3 反射系数y 和入射角仅的关系( n = 1 5 ) 的物质 f i g 2 3r e l a t i o nb e t w e e nr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t ) ，a n di n c i d e n ta n g l ea ( n = 1 5 ) 而上面的论述仅适用于表面光滑平整的镜面反射，当表面凹凸不平时，则出现漫反 射的特征。如果纤维表面粗糙不平，纤维紊乱排列，反射光就以不同角度向各个方向漫 射，纤维的光泽就暗。粗羊毛的鳞片稀，且紧贴在毛干上，表面比较平滑，反射光较强， 毛的光泽强：而细羊毛的鳞片稠密，贴紧程度较差，因而光泽柔和。在制造半光或无光 合成纤维时，就是在纺丝液或熔体中加入少量折射率不同的小颗粒状的消光剂( 如二氧 化钛、碳酸钙) ，造成反射光漫射，达到消光的目的。此外纤维断面的形状，也是影响 纤维光泽的重要因素。锦纶、粘胶纤维和蚕丝具有特殊光泽，部分的是由于它们的圆形 的、锯齿形和三角形的断面形状对入射光不同的反射情况造成的。棉纤维经丝光处理后， 纤维膨胀，部分天然卷曲消失，断面接近圆形，因而纤维的光泽得到改善1 2 川。 ( 2 ) 光的全反射 当光线由光性较疏的物质如空气进入到光密物质时，一部分光会在表面发生反射 ( 有时称为外反射) ；但不能全反射，有一部分光折射进入介质内部，此部分的折射光 在通过介质，由介质射入空气时，在介质的内部界面会发生反射( 称为内反射) ，此时 与在表面的反射不同，是由介质进入空气的，即由光密进入光疏物质，能够发生全反射。 当入射角处于某一值时，折射光线几乎沿着两个介质的界面掠过且强度很弱，而反 1 2 第一二章理论分析 射光强接近入射光强。随着仅的增大，折射光消失，入射光全部反射。如图2 - 4 所示。 空气( 光疏介质) i9 0 0 图2 4 光的全反射 f i g 2 - 4t o t a lr e f l e c t i o n 临界角为，与折射率的关系为： 甩， s 1 n 口一= 二 若n 2 为空气的折光指数，, 贝l j n 2 = l ，所以上式为： 1 s l n 口c2 一 行 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 显然介质的折光指数聊越大，则临界角就越小。若介质为纤维，大多数纤维的折 光指数为1 5 ，此时6 【c 为4 1 8 。，因此当反射角5 4 2 。时光线不再进入空气，而是在纤维 与空气界面完全反射，作为光导纤维使用的纤维正是利用全反射的原理，如图2 4 所示。 只要纤维弯曲的半径大于纤维直径的三倍，就可以满足全反射的条件，在光导纤维中传 播的光线就不会穿过纤维界面进入空气而衰减。光导纤维在医学上可用于照明或观察人 体内部的器官，在通讯上用于光纤通讯已取得良好的进展。 2 2 圆形截面纤维的笛卡尔线现象 2 2 1 笛卡尔线 图2 5 笛卡儿线光路图 f i g 2 - 5l i g h tp a t ho fd e s c a r t e sr a y 江南人学硕i j 学位论文 笛卡儿线最早出现在法国数学家笛卡尔( r e n ed e s c a r t e s ) 的方法谈中，1 6 3 7 年， 他利用荷兰科学家在1 6 2 1 年发现的光折射定律，精确地计算了虹的角度，第一次成功地 解释了虹的成因。经过理论与实验研究，笛卡尔得到如下结论：虹是太阳光射入球状水 滴，经一次内反射之后出射形成的。笛卡尔描绘了虹的光路图，并利用s n e l l 定律精确地 计算了光线进入水滴到出射的路径，描绘了完整的光线路径图2 5 所示。图中，光线7 的 偏向角最小，通常称之为笛卡儿光线。在笛卡儿光线的出射点附近，光线最为密集，这 种密集的光线产生了虹，因而又称笛卡儿光线为虹光线，虹光线的最小偏向角为【2 6 2 8 j 氏i 。= k n + 2 1 1 一【k + 1 ) r j c o s i = i ( 7 2 1 ) i 尼2 + 2 k ) l ”2 c o s r = 瞅+ 1 ) ，2 彤2 1 ) k ( k + 2 ) 2 ( 2 5 ) 式中的所口尺分别为虹光线的入射角和折射角，n 为水的折射率，是波长九的函数。 笛卡儿计算出，对于主虹o m 加= 1 3 8 0 ，角半径为4 2 0 ；对于霓( 副虹) 如加= 1 2 9 0 ，角 半径为5 1 0 。主虹的色序为外红内紫，副虹的色序为内红外紫。虹和霓之间的大约8 0 的 天空较主虹之下和副虹之上的天空要暗一些，这一区域称之为a l e x a n d e r 暗带，之所以如 此，是因为处于这一范围内天空的水滴，射入其中的光线经过一次( 或两次) 内反射之 后，不可能到达观察者眼中，否则它们必须有比笛卡儿线更小的偏角。 笛卡尔线的研究主要依据几何光学原理，集中在水珠内表面反射光的方向上。实际 上，水珠内表面反射光在一个很宽的范围内都存在( 约8 4 0 ) ，而只有笛卡尔线能被观察 到，这是因为笛卡尔线有很高的强度，这j 下是笛卡尔线最独特的性质 2 2 2 纤维笛卡儿线产生的机理、条件 水珠为近似球体，任一截面为圆形，直径为1 0 - - - 5 0 t m ，而大部分天然纤维和合成纤 维的横截面为圆形，纤维的尺寸在几微米到几十微米，假定纤维透明，则纤维与水珠在 尺寸、材质等方面比较接近，从几何形态 来看，对于水珠任一截面都是圆形，所以 无论光线从何处射入，都可以产生笛卡儿 线，而对于纤维来说，可以将其简化为圆 柱体，只有在光线垂直于纤维轴入射的情 况下，才会有笛卡儿线的存在。所以在课 题中选取的研究对象为圆柱体结构的纤 维，且光线垂直纤维轴线入射。 光线i o 垂直于纤维轴入射时，其光路 行进路线如图2 6 所示。光线在纤维内表面 反射形成出射光线厶，随着入射光线的角 度逐渐增大，出射角也会随之增大而后减 小，在最大角眈附近光线比较集中，反射 出的光强1 3 l i , 较强，即对应的笛卡儿线。 b o p 图2 - 6 纤维中的光路图 f i g 2 - 6l i g h tp a t hi nf i b e r 根据图2 - 6 ，依据折射、反射定律以及几何定律，设定纤维的折射率刀尸1 5 可以得到 1 4 第一二章理论分析 如下公式： s i n a ：s i n 0 0 n l 巳24 b 一2 0 0 ( 2 6 ) 根据公式可以求出入射角锄与内反射光的出射角以的关系，如图2 7 所示，是一条具 有峰值的曲线。由图中可知，笛卡儿线对应的出射角最大为2 2 8 0 在最大角附近的出射角 比较接近，说明在其附近聚集了较多的出射光线，所以笛卡儿线附近对应的光强度比较 大。 o 妊 接 弓了 4 06 0 8 0 蛾销? 0 图2 - 7 入射角嘞与内反射角色的关系 f i g 2 7r e l a t i o nb e t w e e ni n c i d e n ta n g l e o oa n di n t e r n a lr e f l e c t i o n 2 3 圆形截面纤维结构对其反光性能的影响 2 3 1 纤维皮芯结构对反光性能的影响 2 3 1 1 纤维皮芯结构的形成 高速纺纤维在单轴拉伸形变中，由于表层和芯层的温度不同，表层在冷却空气的作 用下，熔体粘度降低，在较大的拉伸剪切应力作用下，皮层的取向和结晶均高于芯层， 使纤维结构出现径向差异，形成了皮芯结构。皮芯结构是高速纺纤维的一个重要特征。 研究表明，皮芯结明显的纤维强度偏低，在高速拉伸中的皮芯结构承受大部分的载荷容 易出现缺陷，造成应力集中引起纺程上的断头率增加【2 9 】。 2 3 1 2 皮芯结构的特点 纤维结构的径向差异可以用径向双折射差( 6 a n ) 来表征。径向双折射差随着纺丝速度 的增加而增加，且对温度条件很敏感。纤维表面的剪切应力可能是形成纤维径向差异的 原因之一。但剪切应力是受空气阻力控制的，在高速纺丝过程中剪切应力是很小的，影 响分子取向和结晶的可能性很小。另一种机理是与初生态纤维径向温度梯度有关。在纺 程上，温度梯度随纺丝速度缓慢增加，其值在1 0 3 1 0 4 。c c m 围内，并与纺程的位置及冷 却条件相关【2 9 3 0 1 。 纤维皮层和芯层之问有很小的温度差( 2 1 0 ) 就会造成1 0 - - 4 0 的粘度差。 江南人学顾1 ：学位论文 假定有一个由不同粘度的同心圆筒体，受到一个轴向张力，中心处的流速比l l ； i - 层流速 大。结果轴向张应力接近一致，而径向剪切应力则不同。在固化的丝条上，速度分布是 均一的。因此径向速度梯度接近于零，与速度无关。 由于上述物理量的径向分布，使表层张应力较大，故表层分子的取向度较高，且受 到较大的张应力作用及较低的温度引起表层结晶，而芯层处于熔融状态不能结晶，造成 表层和芯层性质上的差异。表层应力较大和分子耿向度较高，会导致纤维大分子结晶速 率增加，有较高的结晶度。所以，皮层的折射率会比芯层的折射率高。 2 3 1 3 皮芯结构对纤维反光特性的影响 纤维中皮芯结构的增加，使光线的反射、折射次数增加，在这一过程中，纤维中各 种光线对应的光量发生变化。 当具有皮芯结构的纤维受到光线照射时，在纤维的表面发生第一次光的反射和折 射，一部分光线从纤维表面反射出来，而折射进入纤维内部的光线在皮层与芯层的界面 会发生第二次反射与折射；折射后的光线会进入纤维的芯层，最后所有从纤维内部各个 层面上形成的内部反射光除了部分被吸收外，仍回到纤维的表面射出，在纤维的表面形 成一个散射层，使纤维表面的反射光量增加，纤维的光泽增强，柔和均匀、有层次、不 刺眼。 2 3 2 纤维内部结构不匀对反光性能的影响 2 3 2 1 内部结构不匀的原因 对化学纤维来说，内部结构不匀的因素有很多，其中比较重要的有高聚物中各种杂 质的影响。高聚物在生产加工过程中含有各种杂质，必然影响纤维的结构及其均一性， 进而不仅影响纤维的性能，而且常常影响纺丝操作的j 下常进行。以p e t 为例，其主要杂 质和影响有【刀j ： ( 1 ) 凝胶 凝胶是聚酯热裂解形成的三向交联聚酯，是一种无明显熔点的胶状物。高聚物中如 有凝胶将加快过滤器和组件的堵塞和更换周期增加纺丝断头，降低了纤维的结构均匀 性和染色均匀性。 为减少凝胶的生成，应避免空气中的氧与高温熔体接触、严格控制纺丝过程的温度， 减少熔体在纺丝系统的停留时间以及避免熔体流动的死角等。 ( 2 ) 无机物及其凝聚粒子 这里主要指聚酯在酯化和缩聚过程中加入的催化剂以及消光剂二氧化钛等。这些无 机物都最终滞留在高聚物和纤维中。这些物质一般也都会影响产品结构和性能的均匀 性，如加入量过多还会影响熔体的过滤性和可纺性，增加纺丝断头的机会。作为消光剂 的二氧化钛，一般加入0 1 5 一o 3 。但它本身是一种降解催化剂。能促进纺丝过程中 聚酯的降解作用，同时t i 0 2 的凝聚物粘附于滤芯及组件喷丝板上很难清洗，当二氧化钛 的粒度大于0 3 9 m 时容易在乙二醇悬浮液中凝聚，使高聚物的加工性能变坏。为去除过 大的t i 0 2 凝聚粒子和催化剂沉积粒子，必须加强熔体的过滤，以使产品中凝聚粒子数量 0 4 个m g 。 1 6 第一二章理论分析 ( 3 ) - - 甘醇含量 二甘醇为聚合过程的副反应产物，由于过量的乙二醇而产生少量的二甘醇和三甘 醇。也有人为加入二甘醇的，那是为了改善产品的某些特性，如染色性等。因为二甘醇 分子中含有醚键，它是亲染料基因的。但醚键的加入在一定程度上破坏了聚酯大分子排 列的规整性。使聚酯熔点下降、结晶困难、纤维强度也降低。同时热氧化稳定性也有所 下降。成纤聚酯一般二甘醇含量为0 7 一1 5 ，要求分布均匀，其波动值在o 0 5 一o 1 ，否则将使可纺性及染色均匀性变坏。 2 3 2 2 内部结构不匀对反光性能的影响 纤维内部结构不匀，使得进入纤维内部的光线不能像理论分析的那样有明显的方向 性，由于小颗粒的存在，使点散反射增加，光线在内部进行多次的反射与折射，反回到 表面的反射光增加，反光强度增大，且分布会更加均匀一些。 2 3 3 纤维表面形态结构对反光性能的影响 纤维表面形态结构主要指表面的凹凸状态。化纤在生产纺丝过程中由于加入的一些 助剂( 像二氧化钛颗粒) 以及不可避免的工艺因素，都会在纤维的表面形成一些凹凸、 损伤等，使纤维表面变得粗糙不平。表面状态对纤维加工以及纤维制品的价值都有很大 的影响。它影响织物的舒适性和风格，像光泽、摩擦系数等。在穿用织物时织物总会发 生一定的变形，此时应力一应变的关系，织物和皮肤的摩擦，织物中纤维之间的摩擦等 复杂现象都与纤维的表面形态有关。 2 3 3 1 纤维表面形态对表面反射光的影响 平整光滑的纤维表面，可以形成反射方向比较集中、反射光量比较大的正反射光。 有研究认为，若纤维表面有两维尺寸分别为8 m 以上的低曲率表面时，即能形成集中反 射的“极光”光泽感；若纤维表面不平整光滑，则会形成反射方向分散，每个方向的反射 光量并不集中。若反射光总量比较高，形成的可能是一种“肥光”的光泽感。 受这一规律影响的主要有棉纤维的转曲形态，羊毛纤维表面的鳞片状态。粗羊毛的 鳞片稀，且紧贴在毛干上；细羊毛的鳞片稠密，在毛干上贴紧程度较差；鳞片稠密并贴 紧毛干的细羊毛，光泽强；鳞片被剥净的细化( “丝光”化) 羊毛，光泽也强。纤维表面 经过射线( 如等离子射线) 刻蚀或化学剥蚀，则纤维的表面漫反射光也会加强。 粘胶纤维表面的皱襞形念造成其独特的手感和风格。醋酯纤维、铜氨纤维虽然也是 湿法纺丝的再生纤维素纤维，因为没有皱襞形态，其性能特别是织物的手感和风格与粘 胶纤维差异很大。另外，生丝和精练丝的表面形态不同，制品的风格也大不相同。所以， 纤维表面的微小变化对织物的风格、手感等都会有很大的影响。在后整理过程中对纤维 表面进行树脂整理，会使其手感发生很大的变化。不少合成纤维中都添加了t i 0 2 消光剂， 也有部分消光剂会裸露到纤维表面，影响可纺性、染色性和织物j x l 格。像在维纶表面， 因添加消光剂会出现小尺寸的凹凸状形态，聚偏氯乙烯与醋酸乙烯的共聚纤维d a r v a n 是 芯鞘结构纤维，其鞘层结构上也具有凹凸状构造。 2 3 3 2 纤维表面形态对内部反射光的影响 这是指重新回到纤维表面的来自纤维内部的反射光，它也是表面反射光的一部分， 1 7 江南人学顺i ：学位论文 这部分反射光不仅能从数量上加大光泽，而且在不同反射方向上可以形成不同的加大程 度，加大规律随到达表面时的反射方向而定。纤维表面的原纤结构能够决定入射光线在 表面反射的比例以及入射光线进入纤维内部实现内部反射的比例。 蚕丝纤维就是依靠这一规律获得高发色能力和柔和光泽感的( 因为带有物体色光谱 特征的内部反射光占了表面反射光的大部分) 。 纤维表面的微细变化可以改变光的吸收、反射、折射和散射，可以产生不同的色、 光效应。当纤维表面具有0 4 - - 0 7 p m 的凹凸点，且其密度大于9 个c m 2 时，光的漫散射和 内部的吸收增多，会产生深色效应；纤维表面光滑或中空、纤细，表面反光增强，产生 淡色效应；纤维表面和内部呈规律的光栅结构，将使不含色素的纤维产生绚丽的干扰色， 称为昆虫色效应。 2 3 4 纤维截面形状对反光性能的影响 纤维，尤其是化学纤维，截面形状多种多样，圆形、三角形、多边形等，形状不同， 光泽效应也差异很大。其中最具有典型意义的是圆形和三角形。 以相同的入射光量比较，三角形截面存在着全反射现象，所以反光强度较强，而且 还会出现闪光的效果( 即当改变光线的入射角时，纤维的光泽会随之发生明暗程度的变 换) 。这是因为和空气相比，纤维是一种光密物质，当光线从纤维内部向外折射时，不 是任何一束内部反射光都能从其相应界面上透出，有些内部反射光会在纤维截面的局部 棱边上发生全反射。因此，三角形截面的纤维不仅光泽较强，而且还有“闪光”效果，即 当改变光线的入射角或观察角度时，可以看到纤维的光泽会随之发生明暗程度的交替变 换。闪光效应的本质在于，光线入射方向改变后，光线在纤维内部界面上的入射角发生 了变化，因而使能够产生全反射的棱边或界面变成不再全反射，而原来不能全反射的变 成了能全反射。这种变化，自然会引起纤维光泽明暗程度的变化1 2 卜3 1j 。 而对于圆形截面的纤维，光线在任一界面上的入射角都和光线进入纤维的折射角相 等，所以在纤维中不会形成全反射。因此，圆形截面纤维的透光能力比较强，使得纤维 的外观看起来比较明朗。近年来有人研究了原棉光泽与其截面形状的关系，发现原棉的 光泽与棉纤维截面的椭圆率存在高度的相关性。当截面的长轴与短轴之比越接近1 ，原 棉的光泽越好。因此，原棉的光泽在很大的程度上反映了原棉的品质，成熟度越好，光 泽也越好。( 椭圆率一断面相互垂直的长轴与短轴之比) 。 1 8 第二章理论分析 2 4 纤维皮芯结构的物理模型 根据前面分析的化学纤维结构特点，以及对纤维结构的三个方面：皮芯结构、表面 粗糙度、内部结构不匀对反光性能影响的分析，发现对后两个方面无法进行定量理论分 析，所以对后两个方面主要采用实验验证的方法进行分析。 而对皮芯结构的特点，可以通过物理模型的建立，在理论上进行定量分析。建立纤 维皮芯结构的物理模型如图2 8 所示。分析光线在纤维中的行进路线以及光强的分布。 l o y n o 0 0厂 、 厂 。 、 ? 厶一 僚， 虻么缈】 j 、 图2 8 纤维皮芯结构的物理模型 f i g 2 8m o d e lo ff i b e r ss k i n c o r es t r u c t u r e 模型为同心圆结构的圆柱体，外部空气介质的折射率为坳= l ，皮层与芯层的折射 率分别为以，、坳，内外圆的半径分别为r 和r ，芯层所占厚度比值为聊，研究纤维的反光 特性包括平行光垂直于纤维轴照射时，纤维各部分的反射光分布及对光强的影响。 光线垂直纤维轴照射，在纤维表面形成表面反射光和折射光。在进入纤维内部的光 线中，有一部分会在纤维皮层表面和芯层表面形成反射光。根据笛卡儿线的形成机理， 所以课题中选取了皮层和芯层的内表面反射光i j l 和i i 2 进行研究，分析这两种光线是否具 有笛卡尔线，以观察它们的反光强度变化。 在理论分析中，主要通过观察内部反射光线i j l 和i i 2 的出射角易，和易2 的变化来分析皮 层和芯层内表面反射光是否具有笛卡尔线。对皮芯层的研究主要从皮芯层折射率差异、 皮层厚度两方面进行。 根据反射、折射定律： s i n 口 r o s i n f l ，2 1 ( 2 7 ) 根据对圆形截面纤维内表面反射光的分析，内表面反射光的出射角相对入射光的入 射角是一个有峰值的曲线，这是形成笛卡尔线的主要特征。所以，这里对入射光的入射 角与纤维内表面反射光出射角的关系进行分析。 1 9 江南人学硕i ：学位论文 设m = ，由折射定律及几何光学原理可得出关于反射角和出射角的计算公式如下： s f ”p ，：竺 、s i n 2 0 l m 2 + c o s e i 心m 2 一s i n 2 0 l c o s u 2 = 产芦= = = = = = = = = = ：r 一 m l c o s 0 1 一_ m 2 一s i n 2 8 l 咖良巫 乱，= 2 0 1 + 4 0 3 2 良一2 i 劬= 4 0 1 + 4 0 j 一4 函一2 i ( 2 8 ) 纤维皮芯结构存在的差异主要是皮芯层的结晶、取向的不同，造成折射率方面的差 异，所以皮芯结构对反光特性的影响主要从皮芯层折射率的差异、皮层厚度两个方面进 行考虑分析的。 2 4 1 皮芯层折射率的差异对笛卡尔线的影响 首先，分析在皮层厚度一定的情况下，折射率变化对出射角度变化的影响【3 2 】。根据 前面分析，皮层的取向和结晶均高于芯层，所以皮层的折射率比芯层的折射率大，设定 n ，为1 5 ，考虑h 2 与其差异的大小。 图2 - 9 与图2 1 0 为m = o 7 5 即皮层厚度较厚时，刀，和n 2 的差异很小和比较大两种情 形下，皮层和芯层内表面反射光i j l 和i j 2 对应的出射角易，和随入射角的变化曲线。 2 04 0801 0 0 入射角e 。( o ) ( a ) 易， 占、 嫂 杂 丑 4 06 01 入射角。0 ( 0 ) e 0 2 图2 - 9 入射角0 0 与内反射角幺的关系 f i g 2 - 9r e l a t i o nb e t w e e ni n c i d e n ta n g l e o oa n di n t e r n a lr e f l e c t i o na n g l e 以 加 幻 竹 e ；。援菸钼 第二章理论分析 入射角0 。( 。) 入射角0 。( o ) ( a ) 易j( b ) 图2 1 0 入射角0 0 与内反射角幺的关系 f i g 2 - 10r e l a t i o nb e t w e e ni n c i d e n ta n g l e o oa n di n t e r n a lr e f l e c t i o na n g l e 以 从4 幅图中出射角岛，和易? 的整体变化趋势是具有峰值的曲线。根据前面的笛卡线 形成机理，可以知道，这些有峰值的曲线说明对应的入射光线具有笛卡儿线现象。而随 着，2 ，、玎2 折射率差异的一点点增大，笛卡儿线对应的入射角与出射角都随之增大，且变 化率增大。在门，和珂2 差异很小的情况下，如图2 - 9 中的六条曲线都有明显的峰值变化， 笛卡儿线的特征比较明显。而对于图2 1 0 ，是在皮芯层折射率差异比较大的情况下，出 射角以，和相对于入射角岛的变化曲线。对应的1 1 2 = 1 3 4 ，折射率的差异在1 0 7 时， 出射角的曲线峰值已经很不明显，当差异大于1 0 7 后，图2 1 0 的a 、b 中对应的n 2 = 1 3 3 、 1 o 的四条曲线峰值不存在，也就不存在笛卡儿线现象。 4 5 柏 3 5 3 0 2 5 。_ 2 0 晏侣 接1 0 j | 5 0 - 5 1 0 2 04 0 6 08 0 入射角0 。( 。) 4 06 08 01 0 0 入射角e 。( o ) ( a ) 易，( b ) 图2 - 1 1 入射角0 0 与内反射角以的关系 f i g 2 11 r e l a t i o nb e t w e e ni n c i d e n ta n g l e o oa n di n t e r n a lr e f l e c t i o na n g l e 以 2 1 啪们伽伽m伽m m 5；加 e 。嫒杂丑 e o 艘 杂 弓| 江南人学硕l ：学位论文 图2 1 l 与2 1 2 显示的是在m = 0 9 9