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纺织材料学
绪论
• 一、纺织材料的定义
• 二、研究内容
• 三、纺织材料的发展
– 纤维
– 纱线
– 织物
• 四、应关注的知识和理论
一、纺织材料的定义
• 纺织材料是指纤维及纤维制品，具体表
现为纤维、纱线、织物及其复合物。
– “纤维与纤维制品”
• 原料，用于纺织加工的对象
• 产品，通过纺织加工而成的纤维集合体。
– “纤维、纱线、织物及其复合物”
• 形成过程可以顺序进行，也可以跳跃完成
一、纺织材料的定义
• 以材料的组成属性命名的学科
–高分子材料、金属材料、有机、无机材料、生物材
料等。 “纤维材料”
–将材料作为一整体去实现材料结构、形态、性质及
其变化。是宏观调控微观，多为均匀结构的讨论
• 以材料的应用属性命名的学科
–工程材料、建筑材料、组织工程材料等。 “纺织工
程材料”
–将材料看作一个整体，或形态尺寸宏大的各单元的
整体拼接，来实现结构功能和寿命，不属微尺度
• 纺织材料
–以表面作用及排列组合为主要特征，以微小个体纤
维构造（fabricate）的纤维集合体
–在材料领域中具有“性状”属性的地位
二、纺织材料的研究内容
• 纺织材料的内容包括纤维及纤维集合体。
• 纺织材料学：是纤维和纤维集合体的结
构、性能及其间相互关系的学问，包括
认知、表征（文、形、式）和发展。
二、纺织材料的研究内容
1
0
“文”即文字，是人类文明的产物，原本为简化表达和记载，
而今变得越来越复杂和冗长。
1
二、纺织材料的研究内容
0
“形”是物质或对象的直接表达，包括形状（照片与图像）
和行为（关系和规律曲线或形态模型） 。
棉纤维的形态结构模型
1
二、纺织材料的研究内容
0
如今的图形、图像技术使其变得既直观又简便，甚至复杂的
数学物理模型和材料行为过程都可以动态地表达出来。
单纤维比应力 T ( ) /cN/tex
30
单纤维典型拉伸曲线
Vangheluwe模型
25
屈服区有差异，
其他段拟合较好
20
E0
ENL
=B
15

10
E0
 ( )  k[1  exp(  )]  B 2
k
5
 
0
0
10
图３
20
30
伸长率 (%)
40
数字图形、物理模型及数学表达
50
1
二、纺织材料的研究内容
0
“式”即数字的关系，可以将很长而又费解的文字、很大
而又复杂的图形，甚至无法表达的内容，简明地表达出来。
E
h
m 2  2
m  m0
； 而
c
c 爱因斯坦相对论的质量－能量关系
CH2OH
O
甲壳素纤维
的分子式
HNCOCH3
v2
1 2
c
OH
O
O
OH
HNCOCH3
S l  S nl  4.2(1  n
O
CH2OH
1 / 5
Peirce的弱环（Weak-link）定律
n
2
) l
1
二、纺织材料的研究内容
0
表达还可以借助其他手段与方法来实现，称为测量。这是
实际的、直接的表达。
棉结测试
(可选)
UV 测试
(可选)
长度/强度、
颜色/杂质、 天平 马克隆值
测试
含水率测试
附加的长/强、颜色/杂质、含水率测试模块(可选)
条码读数器
(可选)
1
二、纺织材料的研究内容
0
表达还可以虚拟地进行，即通过已有的结果，进行建模、
替代实际的测量，来预见性地表达、或模拟性地表达。
流程方向
加工、设计过程 SK (K= 1,2,, N)
纤维性质 fi
(i=1,2,, m)
可加工性评价
最优组合与
最低成本原则

S1
f1i
1
F1 j
1
SK
f Ki
K

FKj
K
成品特征 Fj
(j =1,2,, n)
SN
f Ni
N
FNj
N
• 检测（各过程与效果）
特征与质量评价
• 控制（纤维和纤维集合体的运动）
舒适、风格、
功能、易护理、
可销毁和再利用
• 优化（加工工艺与设备）
fk(Exi)
IN
某加工
过程
gk(Exi)
OUT
研究对象及其间关系
表征方法与技术
纤维特征
纤维集合体特征
结构
特征
结构
特征
分子组成
分子结构
微细结构
几何形态
表面结构
力学
光学
热学
电学
表面
吸湿
纤维
排列
加捻
纠缠
粘结
组织
形态
密度
空隙率
力学
色泽
均匀性
耐久性
易护理
形态稳定
手感风格
舒适性
安全可靠
防护功能
纤维原料
纤
维
、
纤
维
制
品
的
各
层
和
相
互
关
系
图
原料选择的
基本概念与生态意识
纤维的初加工与成形加工
异形、复合、异组合
表面改性、差别化加工
成
网
固
着
环
纤维的结构与组成
纤维性能
纱线的成形与结构、复合、
连续、断续、渐变加工
境
的
影
响
纱线性能
纱线的结构与组成
对
织物的成形与多轴、
立体加
工，以及染整加工
粘
结
复
合
和
环
境
织物的结构与组成
织物性能
各种改型、复合、缝制、粘
贴及成形加工
的
影
响
最终产品结构与组成
废弃用物
使用
使用性能
纤维制品
研究对象及其间关系
1
0
纺织材料可以通过纤维的结合：
使刚性的材料变得柔软，使柔性的材料变得刚硬；
使性质均匀的材料变得各向异性，使各向异性的纤维组合成
各向同性物质；
使部分物质（液、汽、气）能够出入自然，而使其它物质
（颗粒、水、微生物、汽）无法通过；
可使材料在多孔状态下达到隔热、保暖；
可使材料在很大的变形下保持弹性；
可让其他材料无法实现的三维曲面造型，通过二维平面的纺
织材料，柔性、自然地贴服于人体上。
三、纺织材料的发展
古远天然纤维的采摘、绑扎、悬挂、编结
种植、饲养、采矿、再生、合成等方法获取初级纤维
复杂、智慧的人工机械，甚至物理、化学方法加工成的可用
于产业用、家用、服装用的纤维、纱线、织物及其复合体。
1
0
三、纺织材料的发展－纤维
天然纤维
50年前
化学纤维
约1000万吨 约330万吨
世界人口
27亿左右
50年后的今 约2500万吨 近4000万吨 65亿多
天
三、纺织材料的发展－纤维
截面
外观
分子
天然 组成 再生纤维 形态 仿棉仿毛 形态 异性纤维
纤维 模仿 合成纤维 模仿 中长纤维 模仿 复合纤维
人类模仿天然纤维的发展过程
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天然纤维
榜样
植物（种籽、韧皮、茎、叶、果壳）
动物（毛发、分泌液）
5000 年
矿物
（岩石类）
再生纤维素、
再生蛋白质
再生
合成纤维
纤
维
的
发
展
及
天
然
纤
维
的
作
用
开发利用
升级利用
麻、竹类
蜘蛛丝
溶解
粉末化
基因技术
改性类
拉伸细化
劈裂分离
100 多年
高湿模量
强力粘胶
Lyocell
(Tencel®)
甲壳素
聚乳酸
(玉米)
其它组成
化学纤维
如 PTT
PBT
氨纶
再生化学
纤维等
尼龙、涤纶等 6 大类
差别化
纤维
50 多年
异形、复合、超细
高收缩、弹性
可染色、可吸湿
表面改性多孔
共聚共混改性
芳纶、碳纤维、
高性能
玻璃纤维、
纤维
高强涤、锦、
维纶
50 年
导光
仿生
改性
异形复合
与组合
更微细至
纳米
功能化
收缩组合
智能化
高吸湿
牛奶
常温可染
大豆蛋白
多色谱
角蛋白
色彩艳
UHMPE
异粗细
PBO
异截面
高性能
PEEK
复合功能
陶瓷
智能化
导电
吸水
过滤
分离
相变
记忆
变色
等
纤维形、性、能的可控与可变，
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
天然纤维的作用就如
同母亲孕育了儿女
？
人类有能力、但还
稚嫩，会犯错误，
应该自律
三、纺织材料的发展－纤维
1
0
人类至今不及天然纤维的地方：
如纤维的强度和弹性伸长始终不及蜘蛛丝，即实际强度无法
进入其分子强度的同一个数量级。
如纤维的原纤结构无法像棉、毛那样可以发生多级螺旋。
如纤维的中空度只能达到60%，而木棉纤维达到近90%的连
续中腔。
如纤维的表观形态无法产生像毛发类纤维的鳞片状条纹或粗
糙起伏；
羽绒纤维可形成小枝杈和奇妙的分形现象；
兔毛：中腔的“竹节”结构。
木棉的微细结构与层次
1
0
(a)
(b)
分叉羽绒和竹节多髓腔兔毛的形态
三、纺织材料的发展－纱线
纱线：短纤维，加捻，连续；长丝，抱合，稳定的形态；
多根细长的纱、丝，集合，满足使用要求。
其基本的发展进程：
简单加捻组合或直接合并到复杂多轴系的组合；
加捻（短纤）和粘合（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、纺丝、合股成线的分离进行到纱、丝成“线”
一步完成。
三、纺织材料的发展－纱线
纱线不仅是由短变长（短→长）的过程，且是长→匀、单→
复、匀一→复杂的过程，涉及纱、丝、线及其组合复合体。
短纤纱（纱）
长丝束（丝）
单
轴
系
股线（线）
复合结构纱
复合结构丝
花式线
编织线
单、双、多的复合与组合
纱线的发展流程及可能的提示
多
轴
系
三、纺织材料的发展－纱线
Selftwist
spun
自捻
纺
“分”
罗拉
(动)
环锭
Sirofil
赛络菲
尔纺
S
Sirospun
赛络纺
加捻
直接卷取
(b)
(a)
S
短纤
须条
(d)
S
双短纤
须条(近)
双短纤须条(远) S
导纱钩
或加捻
S
罗拉
(不动)
F
不动
长丝束
加捻
加捻
罗拉
分束 (不动)
小须
条
(c)
纺纱中的分合之道引出的技术进展
Solospun
分束纺
• 长丝束：
– 从简单的变形加工，延伸到多组份、异粗细、
异长度、异截面、异收缩、异卷曲的一步成形
纺丝（异组合加工）。
• 长丝、短纤维纱的共性问题
– 如何能人为地控制纤维的形状，加工中的状态，
成形后的形态，使其能扬长避短、优势互补
三、纺织材料的发展－织物
机织物：
（1）起源与发展：
藤类、竹类材料的手工编织→线、绳的手工编织→手工
织机的织造→机械化织造→多维，多轴系的织机和机织物
（2）特征：交叉、刚硬和稳定
三、纺织材料的发展－织物
针织物：
（1）起源与发展：
柔软的草茎或线状物的绑扎、打结→柔软的纱、线、绳
的手工圈套、编结→简单的手工器具，弯曲的勾针或直挺的
细棒的圈套与编织→手摇机械针织机及自动针织机。
（2）特征：柔软易变形、三维圈套
三、纺织材料的发展－织物
编织物：
直到近50年，其没有多大发展的单轴系的编织溶入于纱线制
造技术；
多轴系的编织成为当今机械自动化三维、多轴向、连续一次
复合成形的最杰出的方法，是高层次结构、复合材料的基本要
素和象征。
三、纺织材料的发展－织物
非织造布：
是人类进步中循环往复、螺旋上升规律的写照。
最典型的非织造材料：人类文明起初使用皮革、草垫、纤
维絮垫、造纸等。
非织造加工在近50年中快速发展，成为简化工艺、节省时
间、降低能耗的典范。
三、纺织材料的发展－织物
织物作为可直接应用产品，正较多较快地转向产业用纺织
品；转向非织造、复合与组合、多轴与三维；转向机织、针织、
编织、非织、粘结、涂层加工体系的组合与复合，使织物结构
变得更合理、轻巧和功能化。
三、纺织材料的发展－表征方法
纤维材料的结构、性能及其相互关系的表征：
棉：美国的HVI和相关的ASTM标准；
毛：澳洲人基本解决了羊毛的系统评价和实用表征方法
（如ATLAS、SiroLan-LaserScan、OFDA等）以及IWTO采纳的
标准及测量方法。
三、纺织材料的发展－表征方法
纱线的结构和功能的表征：
纱线品质评价： Uster仪器几乎包揽（除显微观察和图像
处理技术的应用）。
织物的表征：
较为客观和具有理论指导意义的是织物手感（hand）与热
湿舒适性（comfort）的评价方法与仪器
如川端的KES，澳大利亚联邦科学院（CSIRO）的FAST，
动态悬垂表征和有限元算法模拟织物造形，以及多种暖体假人
模型测量装置。
三、纺织材料的发展－表征方法
由科学表征、抽象思维产生的理论，绝大多数是国外学者的贡献。
Hearle教授的缨状原纤理论、纤维转移理论和纱线力学分析；
Peirce博士的吸湿、弱环、弯曲、织物结构的理论；
Binns、Peirce、川端季雄、Postle等织物手感风格的观点与理论；
Woodcock的织物舒适性的透湿指数等，
以及高分子材料科学中的许多经典理论和方法。
四、应关注的知识与理论
1、关注工业体系及工程知识
纺织工程、化纤工程、服装工程、纺织品设计，以及计算
机技术、测量与仪器、标准体系方面的知识、技术及其进展。
2、关注材料科学的知识
金属和无机材料：规整结构（晶体）和力学物理性质
有机和高分子材料：高分子材料的结构、性质及其相互关
系；缠结、扩散、运动、松弛理论；纤维成形原理及分子设计
与合成控制；高聚物的力、热、电、光、表面性质方面的理论、
实验结果、假说与问题
生物材料和生物学：生物性（生物相容性、可降解性、
耐久性、可传导性等），生物体、生物酶
四、应关注的知识与理论
3、关注表征技术与方法
应多关注材料形态与结构，物理、化学、生物性质，表面
分析等测量理论与方法；
应该知晓和运用统计学和现代应用数学、图形图象技术、
计算机辅助算法与设计。
思
考
题
思考题：
1. 试述纺织材料学的地位及属性。（P11 T1）
2. 作为纺织材料学的发展，你认为什么是基础？应用数学
和计算机技术的作用为何？ （P12 T4）
3. 生物技术对纺织材料的发展有何作用？ （P12 T5）