一、纺织材料的属性与内容

1.现有定义

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，即两种定义。

定义一：“纤维与纤维制品”。其表明了纺织材料既是一种原料、用于纺织加工的对象，又是一种产品、乃通过纺织加工而成的纤维集合体。不知对象则会盲目加以采用，低水平、高能耗地加工；不了解纤维则无从下手，则会伤及纤维，且会低估纤维的能力。不知产品则不明用途，就会出现使用不当的情况，也会限制应用范围；不了解纤维制品——广义的纺织品，则可能只知华丽、漂亮、得体、舒适的服用纺织品，而无法使其用途变得广泛、性能变得特殊、功能变得多样和智能。

定义二：“纤维、纱线、织物及其复合物”。其描述了纺织材料的形成过程，可以顺序进行，也可以跳跃完成；表达了从单一、分散、微小的纤维变为聚集排列、相互依存、互为作用的纤维集合体，乃至复合物的加工成形。前者“形成过程”说明纺织材料存在多种变体，存在从对象到产品的多级转换；后者“加工成形”意味着纺织材料结构的复杂与多变及纤维作用的奇妙和有趣。

2.纺织材料的属性

由上述两类描述可以看出，纺织材料涉及材料科学中的基本内容、材料归属及材料特征。但称呼“纺织”材料，又带上了加工色彩。材料科学中有高分子材料、金属材料、有机材料、无机材料、生物材料等，这是以材料的组成属性来命名的学科；或工程材料、建筑材料、组织工程材料等，这是以材料的应用属性命名的学科。依此，纺织材料应该命名为“纤维材料”，但这变成了以形态属性命名的材料，似乎是现在高分子、金属、有机、无机、生物材料的次级分类。或可以改为“纺织工程材料”，这又变为应用属性，涉及纺织工程领域中的非纤维的加工器材，还会引起歧义和误解。

应该清楚，纺织材料最关键和本质性的内容是以表面作用及排列组合为主要特征，以微小个体——纤维来构造（fabricate）的纤维集合体，这是组成属性和应用属性难以涵盖的材料命名。依据物质组成属性（即“质”属性）的，是将材料本身作为整体以实现材料结构、形态、性质及其变化的；依据应用属性的，也是将材料看作为一个整体或形态尺寸宏大的各单元拼接成的整体，来实现应用中的结构、功能和寿命的。

纺织材料则是以微小的纤维单个体为特征，通过人工方法利用纤维的性状，将纤维排列、构造成具有实用结构、性质和形状的材料。这种人工行为可以实施到细长微小、形态和性质多变的单根纤维。这是两类经典材料学所不具备的特征表述，因为前者是宏观调控微观，故大多为均匀结构的讨论；后者是宏观的性状和宏观拼接，非微尺度。

当今，以物质的形态尺度和功能作用来划分材料，变得日益明显。典型的代表是纳米材料和表面功能材料，这是趋势，是科学和准确的。因为材料本身所包含的三大属性：“质”“形”和“性”属性，正变得清晰和完整。

“质”属性：即物质组成属性。其包括物质的构成、含量和物态（气液固态）。这是人们善于选择并实现的特征属性，也是现有材料学中，人们较多关注的对象。如纺织材料的纤维的化学组成与组分含量比、纱线的纤维组成与混合比、织物的纤维和纱线组成及其均质或混纺和交织比，以及复合物所用纤维材料与黏结及成型材料的组成与复合比。

“形”属性：即广义的形态属性。其包括物体的形态与表面、尺度与维数、内部构造与排列。这些都是人们常见并可以调整改善的特征属性，但“形”作为材料的本质属性却往往被轻视和忽视。事实上，“形”包含四要素：形态、尺度、表面和结构。形是人们在材料学中常说的“性状”特征中的“状”，其在以往多指外表形态和内部结构，而忽略尺度和相互作用，造成认知的偏颇和缺陷。不仅如此，甚至只关注材料的性（性能）质（组成），即只有“质”和“性”的分类，而无“状”即“形”之概念。因此，材料应该有“形”属性的分类，这也是纺织材料、纳米材料、高分子材料在材料领域中的“性状”特征分类的基础与地位，见图1。

形态（morphology）：指物体的轮廓所构成的几何形状。对纤维及纤维集合体来说，诸如纤维的长度、截面形状、转曲、卷曲、分叉、表观形态等，纱线的表观形态及毛羽等，织物的厚度、细观表观和竖绒及毛羽、毛球等。

尺度（scale and dimension）：指纤维几何形态大小所在的尺度及其范围与维数及其范围。对纺织材料主要包括纤维的粗细、长短、卷曲、分叉结构等的尺度，可用纳米、微米、毫米等长度尺度；长径比、中腔比等比例尺度；以及维数和分形维数（Fractal dimension）来表达。

表面（surface）：指纤维及纤维集合体的表面微观形态和表面作用，即粗糙度、纳微尺度的有序周期排列表面、棘齿形表面和表面能等。

结构（structure）：指纺织材料中的基本单元的堆砌密度、排列形式和其间的相互作用这三个基本要素。这是材料学中人们所熟知的密度、排列和相互作用三要素。如单位体积中的基本单元（分子、纳米颗粒、原纤、纤维、纱线等）的个数或质量，为密度；基本单元的几何排列形式（取向、随机、网状、多维等）和组、复合构造排列，为排列；基本单元间的黏附、接触、摩擦等物理、化学作用，为相互作用。

“性”属性：即性能（performence）和功能（function）属性。“性”也常用性质（property）一词来表达，因为人们认为质决定性、性因质生而浑然一体，甚至觉得只有组成决定性质。性属性包括物质的物理性质、化学性质和生物性质，本书较多地关注物理性质。

显然，“形”和“质”是物质的两个独立的基本属性，是决定材料性能和功能的本质属性。即“形”和“质”可分别决定材料的“性”，而材料的“性”是其“形”和“质”的综合表达。最经典观点是：结构决定性质，而性质是结构的外在表现。只是化学性质较多地反映“质”属性，而物理性质较多地反映“形”属性。

由此可知，以形态特征命名的纤维及其集合体的纺织材料，物质组成不是其主特征，而“形”才是其最本质和重要的特征，即纺织材料是以“形”属性分类命名的材料，如图1所示的归类。其实，人们可以找到众多实例证明其“形”属性，如刚硬的钢丝或硬脆的碳纤维，却能制成柔韧的线绳；纤细柔软的纤维相互黏结，可成坚韧的竹子和紫檀木。遗憾的是，纺织材料学科出现至今，人们还是习惯于以“质”为主体，以“质”论性能，而把“形”作为一种附属或学术上的参量。故对纤维材料形的把握与缔造，是其发展的唯一途径。

材料的命名与归类除了组成和形态分类外，还有用途的分类，即按“应用”属性命名分类，如图1所示。应用属性是指材料的功能和使用场合，即材料的时空占有和物理、化学、生物性能。仅仅以“用在何处”对材料划分不仅过于表象和简单，而且概念复杂，包括了多种材料及其功能与性状。而材料应用中最本质的特征是功能，以此特征命名和分类成为必然。如承载、隔离、过滤、造型、耐久、舒适、传导、屏蔽、防护、高性能等，以及功能的复合、变化、自适应与智能的材料，已打破了材料性状特征即“质”、“形”属性的限制，也区别于原应用属性的划分，成为一个功能、复合或智能性的性状属性要求。材料不仅可以有不同组分的复合，而且有更重要、更本质的结构复合。这同样是纺织材料、功能材料、复合材料作为材料大类及发展的基本原因。

3.内容

依据纺织材料的定义，纺织材料的内容包括纤维及纤维集合体。纺织材料学则是纤维和纤维集合体的结构、性能及其间相互关系的学问。更为针对和确切的是：纺织材料的“形”“性”和“形”“性”相互关系的学问，其内容包括认知、表征和发展。

（1）认知

就是对纺织材料和前人经验知识的认识和了解，即感知与学习，是直接体会和阅读接受的过程。感知是最新、最直接的，没有人为的痕迹，也很少有引导，要凭好奇、耐心和观察力；学习是经典的、间接的，有人为观点和想法，要有兴趣、理解力和判断力。

（2）表征

简义是表达特征与征兆。表达可以用文字、图形、数字、符号及其组合，称为文、图、式三要素。

“文”：即文字。是人类文明的载体和标识，见图2。原本为简化表达与记载，而今变得复杂和冗长，并有符号、外来语和新词的混合。

“图”：是物质或对象的直接表达。包括形状（图3的照片与图像）和行为（图4的关系和规律曲线及模型）。如今的图形、图像技术使其变得既直观和精准，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予以表达。

“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，或虽有趣但需长时间的动画才能表达的，甚至无法表达的内容，简明地表达并解析出来。如按照爱因斯坦相对论的质量-能量关系。光子质量m为：

如甲壳素纤维的分子式：

如Peirce的弱环（Weak-link）定律：

式中：分别为l长度和nl长度时的纤维强度，σl为Sl的无论方差；以及图4中所示的数学模型。

表达还可以借助专门手段来实现，称为测量，是实际和直接的表达。表达还可以虚拟地进行，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现实与真实。

特征包括材料的结构、性能及其间相互关系的特征。因此，纺织材料的表征就是表达纤维及纤维集合体的形、性及形与性质的相互关系的特征。它是认识和知识发展的基础。它可解决知识的发现、表达、验证、确认和升华，以及对应的方法、技术和仪器的创新。

（3）发展

就是在原有基础上的新发现、新认知、新问题，以及知识的深化与创新。感知和传承学习中的体会，对个人来说是一种提高和发展，是知识发展的必要条件，但不等于发展。只有在确认其为正确的或事实，并为前人所未知的结果时，才是发展。纺织材料科学中存在许多未知点和未知领域，需要人们加以认知、表征和发展。

4.对象及相互关系

由纺织材料认知、表征和发展的内容，纺织材料学具体涉及的对象是纤维和纤维集合体的形、质性及形和质与性能间的关系，纤维与纤维集合体间的相互关系，以及对应的表征方法与技术。简明地表达如图5，上大三角和中两个小三角构成，并由各自的形（质）和性能支撑。

以纤维及纤维集合体形成过程为主线，引入加工处理步骤，形与性关系如图6所示。其不仅表达了纺织材料基本步骤和成形过程，而且表达了加工的作用，加工步骤循环的必要性，以及纺织材料应该关注的领域和必须解决的循环利用问题。这也是纺织材料形、性理论研究总跟不上加工产生形、性改变的主要原因。

图6中用“”和“”表达了从纤维结构与性能到最终产品结构与使用性能的基本关系，这是传统纺织材料所关注的经典而狭隘的范畴。为此，须考虑图6顶端纤维原料选择的基本原则和可持续性；要增添图6“”中的合理初加工步骤及其对结构和性能影响的标注；需连接图6底部最终使用纺织品与资源再利用的回路；要考虑试验环境对纤维及其制品的影响，见图6中的“”；更为重要的是要关注这些材料及加工对环境的影响，见图6中的“”。同时图6中，对化学纤维的异形、复合、各种异组合、表面改性处理、牵伸、变形、热定形、小卷装等和对天然纤维的轧花、脱胶、洗毛和缫丝初加工；对纱线的牵伸、加捻成形，复合、连续、断续、渐变喂入纺纱；对织物的成形和多轴、立体加工，以及染整加工；和最终纤维制品的改性、复合、缝制、粘贴及成形有所提及。以使学生和读者不至于认为纺织就是纺纱、织布的传统概念，传统纺织品依然是当今纺织工业的大宗纺织与产品。但纺织材料及其加工早已跳出此限制，涵盖结构柔性和复合的材料及其成形加工。而纱线，也不只是指那些单轴加捻成形的纱线；织物也不仅仅是指由纱线交织、针织而成的织物，如今都是广义概念的线状或片状柔性材料，很难限定其轴（喂入体系）和维（空间构形）数了。

纺织材料可以通过纤维的结合，使刚性材料变得柔软，使柔性材料变得刚硬；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，而使其他物质（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；使材料在很大的变形下保持弹性；也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、自然地贴伏于人体上。这是人类以柔对刚、以柔制刚、以柔变刚、将刚变柔的杰作，不仅为人类自身造福，而且为现代材料科学提供了丰富的素材。纺织材料是微米级（micrometer）纤维的构造体，其形状与结构是微米尺度讨论的问题，是最为接近现代纳米（nanometer）尺度的材料。事实上，纤维本身内部和表面性状已是纳米甚至分子尺度的内容，而导致材料性质变化的本因是这些纳米级的颗粒或纤维的表面作用成几个数量级的增加，也就是尺度这一形要素决定了材料的性质，而不是人们熟知的组成和结构。

遗憾的是纺织材料如绳、网，是人类最早使用的工具，与旧石器同期，有10万年以上的历史，是人类文明的起源物器和载体。其促进了文字的产生、发展与传承，孕育了印刷术，比新石器和陶器早，远比金属材料早，是高分子材料应用的元祖。但在本学科的研究上，过多地模仿均相或非均相结构材料学科的整体性质与内部结构，而忽略形态、尺度和表面。甚至满足于微米粗细纤维所带来的柔韧和表面功能，即纤维间物质的功能，而浑然不知自身为最接近纳米尺度材料的优势地位，而没有更早地去研究纤维的表面作用及纤维间排列的问题，进而提出尺度学解释和获得纳米纤维，却被其他学科先于一步提出并实现，可谓“遗憾”。