纺织物理 第五章 纤维的光学性质.doc
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第五章 纤维的光学性质 纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、折射和透射的性质，以及光在纤维中的传递性质纤维在光照下会呈色发光，纤维对不同振动方向的光会产生不同的折射效果，纤维受光以后会老化降解，这些都是纤维的光学性质纤维的光学性质直接取决于纤维的结构，纤维的分子结构能很好地将光线的光电场能转化成纤维分子或电子云的振动能，将使纤维的耐光老化性提高纤维聚集态结构的不同将引起纤维反光、折光性质的变化，尤其是取向的分子排列将使纤维的光学各向异性特征明显，应该说纤维的光学各向异性是纤维结构的各向异性的最明显的表征，也是用的最多最为方便的传统测量方法本章将重点介绍纤维的折射特征、双折射性质与测量、纤维的光老化及发光现象，以及纤维的红外光谱及性质通常光学性质的讨论范围为紫外光（２００～４００nm）、可见光（４００～７００nm）和红外光（０．７～２０um）光的波长不同，能量不同可见光的波长不同其颜色不同，结果见表５－１ 表5—1 各种颜色的波长及波长范围颜色标准波长波长范围红700620~780橙610595~620黄580575~595绿510480~575蓝470450~480紫420380~450第一节 纤维的反射与折射的性质一、 光与纤维 当光线照射在纤维上，在纤维与空气或与其他介质的界面处将发生反射与折射现象。
该界面在纤维体内存在时，情况也一样其光路与纤维的相互关系如图５－１所示 （5.1）式中，为光线在空气中或真空中的传播速度；为光线在纤维中的传播速度二、 纤维的折射率 纤维是一个轴对称的各向异性体，其折射率在 上是不同的折射率大小的矢量在纤维中是一个空间椭球分布，如图５－２所示可以看出，沿纤维轴向（Z轴）的折射率较大，为椭球的长度在纤维经向平面中的折射率为中心对称、值相等且较少图5—2 纤维的折射率分布 设：纤维中的直角坐标系的z轴为纤维轴方向，则、、分别表示纤维中沿x、y、z轴的折射率值则有：== = 而纤维轴的整体平均折射率值，即将纤维看成一各向同性体时的折射率值为：=（++） （5.1）或 =（2+） （5.2） 通常纤维的折射率有=,即平行纤维轴的折射率较大，光的传播速度较低；垂直纤维轴的折射率较小，故光的传播速度较快 光子在介质中的传递是受到介质的光密度影响的而介质的光密度是由电子密度和电子云的易动性决定的。
光子通过介质时，必然会与电子发生碰撞，和对电子云发生干扰，引起光子能量的转换与损耗，以及介质电子云的骚动，这将改变光子的运动速度与方向在宏观上体现出光线的传递速度减慢，光波波长的变化和折射率的增大因此，只要结构不同，分子排列方式不同、晶格参数（三轴方向和长短）不同，折射率值就会不同三、 纤维的反射与光泽 由图５－１可知，除了折射外另一主要的光学现象为光的反射图５－１中绘出的只是一种镜面反射和多层反射实践中，镜面反射只是主反射线，在其他各个方向上也有反射，称为漫反射或者散射，如图５－３（a）所示这与纤维的表面形态不同引起的散射不同有关，见图５－３（b）,形态不同是由主反射线的变化引起的前者是微观结构作用；后者为宏观形态作用入射主反射散射 (a)反射示意图 (b)形态散射示意图 光的反射直接影响被光照物的光泽特征 光线由光疏介质入射到光密介质时所产生的反射量，可由Flamier公式来表达，反射系数R为： R= (5.3) R0= (5.4) 对纤维来说，反射系数R一般为0.2~0.23左右，折射率n在1.5~1.6内。
第二节 纤维的双折射与测量一、 纤维的双折射 对物质来说，当沿着两个不同的光轴的光线传播时，由于在此二方向上光密度的不同，将使光线产生两种传递速度，即具有两个折射率值，这种现象就称为双折射现象，表征其的指标为双折射率Δn 双折射现象的本质是材料结构的各向异性的光学反映，对于三轴方向的折射率不同的物质其双折射率有三个若直角坐标系中的三个折射率分别、、则双折射率为： Δ＝— Δ＝— （５.５） Δ＝— 由于纤维是轴对称的各向异性体，即只存在平行纤维轴的折射率和垂直纤维轴折射率，故纤维的双折射定义为：Δn＝Δ－Δ （５.６） 即平行于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率与垂直于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率的差值Δn其物理过程为，当一束平面偏振光进入纤维时，可将其分解为二组相互正交的平面偏振光．如图５－４所示．一是沿纤维轴向振动的平面偏振光，其一般传播速度较慢，折射率值较大，称为非常光，或称慢光，又称e 光。
另一是垂直纤维轴方向振动的平面偏振光，其一般传播速度较快，折射率较低，称为寻常光，或称快光，又称o光故一般情况中光对纤维的作用结果是： v∥
２） 纤维的密度和结晶度纤维的结晶度增加意味着纤维密度的增加，而纤维密度与折射率的关系，根据Gladston & Dale’s方程可得：同理存在： 即折射率与密度成正比，双折射值也与密度成正比这也就是说，对同种纤维来说，纤维得密度越高，其双折射值越大３） 纤维大分子的构型（４） 纤维种分子得取向排列根据：其中：N为链段数，λ为牵伸比其中：前者为极性分子的极化度；后者为链段的双折射值（5．（５） 形状双折射率当两种各向同性体得物质（或同种物质不同形态）以一定方式有序排列组合时，该混合物将产生双折射现象，这种双折射定义为形状双折射这种双折射现象的实质是界面的有序排列而致，故又称为界面取向双折射如图５－７所示，玻璃棒插入水中，会形成双折射对于不同的界面形成的形状双折射值是不同的，如图５－８所示６） 水分对纤维双折射的影响纤维吸收水分后变为混合体，纤维自身的双折射和界面的双折射将会共同存在即：∴则：令：所以，纤维与水的混合体的折射为：三、纤维双折射的测量 纤维双折射的测量方法有许多，有传统的、近代的；也有这些方法与现代计算机技术结合的方法；有基于折射率的测量方法；亦有根据双折射现象的直接双折射值的测量方法。
虽然测量方法多种多样，但依据获得双折射值的途径可将这些方法分为直接法和间接法二类１、 间接方法 所谓间接方法是利用纤维在某种介质中（通常为液体），其光学人折射性质与该介质相同时，即两物质的界面消失时，测量该介质的折射率，包括平行和垂直纤维轴的折射率，最终求得纤维得双折射率 其原理为：当nf=ns (5.13) 式中nf、ns分别为纤维的折射率和溶液的折射率，如果入射光的平面振动方向分别垂直和平行与纤维轴时就可以得到： nf∥＝ns∥ 或者 nf⊥＝ns⊥最终得到纤维的双折射率： Δnf＝（n∥－n⊥）f＝（n∥－n⊥）s (5.14) 上式中溶液的折射率ns 可以阿贝折射仪直接测量获得显然要实现上述测量原理，不许要解决两个问题： ① 如何使溶液的折射率ns与纤维的折射率nf相等； ② 怎样确切地知道 ns=nf ，一般要求精度为<０．０００５ 对于第一个问题一般采取三种方法解决１） 溶液混合法 因为纤维地折射率一般在１.５～１.６之间，通常只需要选择两种互溶地溶液，一种为高折射率（>1.6）的溶液（如α–溴代萘）；一种低折射率（<1.5）的溶液（如石蜡油1.47）。
将这两种溶液以不同的比例进行混合，而获得不同的折射率的混合液，以覆盖被测纤维的折射率(1.5～1.6之间)这一混合折射率ns为： （５．１４）这种混合法在理论上极为简单明了，但在实际应用中要求很多很严具体内容有：① 两种溶液能很好的相溶，而无化学反应；② 两种溶液的物理性能稳定，不易挥发；③ 两种溶液的比重应尽量一致，避免分层；④ 两种溶液的折射率要能覆盖所有被测纤维的折射率；⑤ 两种溶液的透明度要高，无毒，无味 实际上要满足这些条件是极不容易的１） 改变光波波长法 利用不同波长的光与物质相互作用时，会产生色散即其折射率会发生变化的特点，连续地调节光波波长值，使纤维的折射率与溶液的折射率一致完成这一光波波长变化的装置 n是一个可连续变化波长的单色器，即光栅这种测量方法的曲线示意图见图5—10λ0图中nsi为溶液的色散曲线；纤维的色散曲线显然随光波波长的变化，ns→nf ，当λ=λI时，nsi= nf 事实上，溶液不同（或温度不同）ns的色散曲线位置不同，nf的值也就不同因此测量时必须注意溶液和温度的一致性２） 温度变化测量法 由于溶液和纤维所受的温度不同，其折射率也会不同，即存在温度与折射率的关系曲线，如图5—11所示。
图5—11 随着温度的上升，纤维和溶液的折射率下降，因此连续地改变温度，就能找到使纤维折射率nf等于溶液的折射率ns的温度点即：当T=TI时，nsi= nf 这种改变温度的方法，只需一个具有恒温和可先行升温的溶液槽即可 上述三种方法比较，（1）法最简单，无需专门设备，亦最常用；（2）法只是设备复杂些，但是测量速度快，准确 对于第二个问题，即如何准确地判定ns= nf ，其解决方法有多种１） 倍克线法（Beck line） 其原理是，当纤维放置在某一折射率的。
