纤维的基本理化性能.ppt

纺织纤维与纺织品,1. 不同用途的纺织品对纤维有不同的性能要求 服用纺织品 装饰用纺织品 产业用纺织品 2. 纺织纤维是起决定性作用的因素 纺织品的使用性能物理机械性能、化学性能 纺织品的审美特性外观风格 纺织品的经济性成本、加工费用 3. 选择纤维要考虑纺织品的用途,第三章 纺织纤维的基本理化性能,1. 纤维：一般认为,凡具有足够的细度(直径100m)和足够的长径比（长度/直径500）, 并具有一定柔韧性的物质。 2. 纺织纤维：长度在10mm以上的纤维。 3. 纺织纤维应具备的特性 可纺性 化学稳定性 染色性 4. 纺织纤维的分类,纤维素类：棉(白/彩棉)、亚麻、苎麻、竹纤维 蛋白质类：羊毛(绒)、蚕丝、驼毛等,再生纤维：粘胶(人造棉)、富纤、醋纤、 天丝(Lyocell) 、大豆纤维 合成纤维：涤纶(的确良)、锦纶(尼龙)、维纶 氨纶(莱卡)、腈纶、丙纶等,天然纤维 化学纤维,纺织纤维,第二节 纺织纤维的物理结构,一纤维的长度 1. 一些基本概念 伸直长度(一般的纤维长度)：纤维在充分伸直状态下的长度 自然长度：纤维在自然伸展状态都有不同程度的卷曲或卷缩，它的 投影长度为自然长度 伸直度：纤维自然长度与伸直长度之比。 2. 长丝和短纤维 长丝：可不经纺纱直接用于织造 蚕丝，化学纤维长丝 短纤维：棉、麻、毛等天然纤维 化学纤维短纤维 3. 纤维长度的特点 纤维长可以纺制较细的纱线 纤维长可以提高纱线强力,二纤维的细度及其表征方法 1. 纤维的细度对纺织品性能的影响 影响纺织品的弯曲刚性、悬垂性、手感 影响纺织品的光泽 影响纱条的均匀度 影响纱线的抗扭刚度 不同细度的表示方法 1）线密度表示法（线密度：单位长度的质量） 特克斯（tex）：号数 指纤维在公定回潮率下，1000m长度所具有的质量（克） 分特克斯 ：1tex=10dtex 旦尼尔（denier）： 指纤维在公定回潮率下，9000m长度所具有的质量（克） 1tex=9denier,2）线密度的倒数表示法（即单位质量纤维具有的长度） 公制支数（Nm） 指纤维在公定回潮率下，1g重纤维所具有的长度（m） 英制支数（Ne） 指纤维在公定回潮率下，公定质量为1磅（1b）的纤维（或纱线）所具有 的长度码（yd）数。 例：棉纱的英制支数计算 1磅重的棉纱，有几个840码，即为几英支 精梳毛纱的英制支数计算 1磅重的毛纱，有几个560码，即为几英支 麻纱的英制支数计算 1磅重的麻纱，有几个800码，即为几英支,三纤维的横截面及纵向形态结构 不同的纤维有不同的纵向外观和横截面形状，尤其是天然纤维。 棉纤维,四纤维的卷曲性能 1. 卷曲对于纺织品的影响 使短纤维纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合力，使成纱具有 一定的强度。 可以提高纤维和纺织品的弹性，使手感柔软，对抗皱性和保暖性 及表面光泽的改善都有影响。 2. 纤维的卷曲 一般天然纤维有一定的卷曲。 化学纤维为了纺纱顺利一般进行不同程度的卷曲。,第三节 纺织纤维的吸湿性,一空气湿度 1.水蒸气分压E 用来表示湿气体的湿度（单位：帕斯卡Pa）。 2.绝对湿度H 单位体积空气中所含水的重量（单位：g/m3）。 3.相对湿度RH 绝对湿度H与同温度下饱和状态的绝对湿度Hs的比值。 二标准大气（大气的标准状态） 用温度、相对湿度、大气压三个基本参数表示。 国际标准：温度20（热带可为27） RH=65% 大气压力86106 kPa 我国标准：温度20 RH=65% 大气压力1标准大气压（101.3 kPa，760mmHg） 样品在检测前必须在标准大气压下达到吸湿平衡（调湿）。,三纤维的吸湿现象及其表征 大多数纺织纤维放置在大气中会不断和大气进行水分的交换， 纤维一面不断地吸收大气中的水分，同时又不断地向大气放出 水分。 吸湿过程： 吸收水分占主要方面，使纺织纤维重量增加。 脱湿过程： 放出水分占主要方面，使纺织纤维重量减轻。 吸湿性: 纺织纤维吸收和放出水分的性能。,四吸湿量的表示方法 回潮率： 纺织纤维内水分重量与绝对干燥纤维重量之比的百分数。 含水率： 纺织纤维内所含水分重量与未经烘干纤维重量的百分数。 R回潮率 M含水率 G0未经烘干的纤维的重量 G绝对干燥纤维的重量 由于使用需要，有如下几种表示方法 实际回潮率：纤维制品在实际所处环境条件下具有的回潮率。 标准回潮率：在标准状态下，纤维制品达到吸湿平衡的回潮率。 同一材料的标准回潮率不是定值，在一定范围内波动。 公定回潮率：为贸易、计价、检验等需要而定的回潮率。 （商业回潮率）,1纤维的吸湿过程 （1）吸湿等温线 平衡回潮率：放置于某一温度和湿度下的纤维，在达到吸湿平 衡时的回潮率。 吸湿等温线：纤维在一定的温度下，通过改变相对湿度所得到 的平衡回潮率曲线。 不同纤维的吸湿等温线,由曲线可看出 不同纤维的吸湿等温线不同。 吸湿性强的纤维的吸湿等温线呈反S形，吸湿性弱的纤维的 吸湿等温线反S形不明显。 在空气相对湿度为015%和70%100%时，纤维的平衡回 潮率增加较快，而在空气相对湿度为15%70%时平衡回潮 率增加较慢。 原因如下： 纤维素纤维吸附水分的示意图 结合水：直接吸附的水分，难去除 游离水：间接吸附的水分，易去除,（2）吸湿热 纤维在吸湿的同时伴随着热量的放出，这部分热量称为吸湿热。 2吸湿滞后 脱湿等温线：在同样温度下，纤维在相对湿度为100%的空气中 达到吸湿平衡后，测定纤维的回潮率，再使环境的 相对湿度递减并依次测定相应的平衡回潮率，它与 相对湿度绘制而成的曲线即为脱湿等温线。 吸湿滞后：脱湿等温线始终高于吸湿等温线，两者不相重合的现象。 纤维的吸湿滞后,吸湿性好的纤维，吸湿滞后现象比较明显，脱湿等温线始终高于吸湿 等温线。对于吸湿性差的纤维，吸湿滞后现象不明显。 原因如下： 水分子进入纤维后，使纤维无定型区的分子链间距离增加，纤维 无定型区的氢键不断打开，纤维素分子间的氢键被纤维素分子与 水分子间的氢键所代替，虽然形成了新的氢键，但仍保持着纤维 素分子间的氢键，即新游离出来的羟基较少。在解吸过程中，水 分子离开纤维，无定型区纤维素分子之间的氢键重新形成，但由 于受内部阻力的抵抗，分子间的距离不能完全回复到未吸湿前 的状况，仍保持较大的距离，被吸着的水不易挥发，即纤维素 分子与水分子之间的氢键不能全部可逆的打开，故吸着的水较 多，因而有较高的平衡回潮率，形成吸湿滞后现象。,3时间和温度对吸湿的影响 纤维的吸湿和脱湿达到平衡回潮率所经历的时间是很长的。 相对湿度增加，纤维的吸湿增加。 温度对纤维的吸湿有一定的影响。 4纤维结构对纤维吸湿的影响 （1）亲水性基团：OH，NH2，CONH，COOH （2）结晶区与非晶区：吸湿主要发生在无定形区与结晶区表面。 （3）纤维内部孔隙：孔隙多，有利于形成毛细管水，吸湿性好。 （4）表面吸附：纤维细，比表面积大，吸附水分子能力强，可提高 纤维的吸湿性。 （5）纤维伴生物：如棉蜡使棉吸湿性差，果胶使麻吸湿性好，油剂 一般使化纤吸湿性差。 五纤维的溶胀 溶胀：纤维在吸湿的同时伴随着体积的增大的现象。 纤维溶胀的异向性：直径增大的程度远大于长度增加的程度。 纤维由于吸湿而发生的溶胀现象基本可逆。,第四节 纺织纤维的力学性质,一、有关力学术语 应力：外力使材料发生形变，同时在材料内部产生相等的反作用力 抵抗外力，在单位面积上产生的这种反作用力即为应力。 1. 张应力 （拉应力） 方向垂直于受力平面 张应变（伸长率）：单位长度上的伸长。,简单的拉伸示意图,弹性模量E（杨氏模量）：产生单位张应变所需的张应力。 E= / 它表征材料抵抗变形能力的大小。模量越大，材料越不容易变 形，表示材料刚度越大。 抗张强度（抗拉强度、断裂强度、极限强度）： 使单位面积材料断裂所需的最大张力。,2. 切应力（剪切应力） 方向平行于受力平面,简单的剪切示意图,3. 变形与应变 变形: 物体在平衡的力作用下,发生形状或尺寸的变化。 变形的大小用应变表示。 应变(率):单位长度的变形。 =(L-L0)/L0=L/L0,二、纤维的拉伸性质 1. 纤维的应力应变试验 （1）纤维力学强度的主要指标,a点是比例极限， oa近似一条直线，表示应力与应变成正比，直线的斜率为试样的弹性模量E，表示纤维材料伸长的难易，直线斜率越大，E越大，纤维材料越硬，越难伸长。 Y点为屈服点，对应的应力Y为屈服强度或屈服应力， Y为屈服伸长率。 t点为断裂点，对应的t为拉伸强度或断裂应力， t为断裂伸长率。 t可能高于Y ，也可能低于Y。,纤维典型应力应变曲线,t,脆性破坏：纤维材料在断裂前变形小，在出现屈服点之前断裂， 断裂表面光滑。 韧性破坏：纤维材料在断裂之前有较大形变，拉伸过程有明显的 屈服点和细颈现象，断裂表面粗糙。,（）纤维应力应变曲线的类型 软（柔）和硬（刚）区分模量的低或高。 弱和强是指强度的大小。 脆指无屈服现象，而且断裂伸长很小。 韧指断裂伸长和断裂应力都较高的情况。 断裂功：到t点处纤维应力应变曲线下的面积，韧性 的标志。,纤维的应力应变曲线,模 量,软 硬,拉伸强度,强 弱,断 裂 功,脆 韧,判断高聚物软硬、强弱、脆韧的方法：,棉纤维：刚而脆，初始模量较高，断裂强度中等，断裂伸长和断裂功较低 羊毛：柔而弱，断裂强度、初始模量和断裂功较低，断裂伸长中等。 蚕丝：刚而强，断裂强度和初始模量较高，断裂伸长和断裂功中等。 涤纶：刚而韧，初始模量、断裂强度、断裂伸长和断裂功较高。 锦纶：柔而韧，初始模量较低，断裂强度、断裂伸长和断裂功较高。,几种纤维的应力应变曲线,.纤维的强度 常用相对强度表示 P0相对强度（N/tex） P纤维被拉断时所需的力，绝对强度，N D纤维的线密度，tex （）理论强度 纤维所能承受的最大外力，与键的数量和键的强度有关。 纤维最重要的键： 范德华力 键能：421kJ/mol 氢键 键能：842kJ/mol 共价键 键能：290420kJ/mol 由此计算出的理论强度通常是实际强度的1520倍。,（2）纤维断裂机理 纤维断裂是克服了分子内的化学键结合力和分子链间的作用力。 一般纤维断裂的机理：化学键的断裂和分子间滑移 如果纤维大分子链排列方向是平行于受力方向的，则纤维断裂可能是 （1）或（2），如果大分子链的排列方向是垂直于受力方向的，纤维 的断裂是（3）。,纤维断裂微观过程的三种模型,由此分析，高分子实际断裂不会是以上三种情况的任何 一种，那么断裂的最可能的原因是： 首先发生在未取向部分的氢键或范德华力的破坏，随后 应力集中到取向的主链上，使共价键破坏，随着范德华力和 共价键的不断破坏，最后导致大分子的破坏。,高分子的实际强度与理论强度差异很大，原因如下： 一、高分子的排列没有那么紧密规整。 二、拉伸破坏时每根分子链受力没有很均匀，因而达不 到应有的强度。 实际物体的破坏是先从其中某些强度薄弱的地方开始， 然后应力逐渐向其他的部位扩展、集中，使较强的地方随即 破坏，使整个材料达不到应有的强度。,棉、麻和粘胶纤维的断裂机理： 棉、麻以大分子断裂为主要原因，由此产生其湿强比干强高。 粘胶纤维以分子间的滑移主要原因，由此产生其湿强比干强低。,纤维的实际强度比理论强度低得多，主要是由于它们 的取向状况不理想，即使高度取向的纤维也或多或少存在未 取向部分，而且结构中还存在裂隙、空洞、气泡以及缺陷、 杂质等弱点，纤维的断裂首先是从这些部位开始。 在外力作用下，纤维中的大分子链不可能均匀承受外 力，而是首先使未取向分子链段间的氢键和范德华力发生破 坏，应力逐渐向其他部位扩展，集中到少量取向的分子链 上，最终使它们被拉断。,（3）实际强度 纤维的强度与结构的关系 化学结构：增强纤维分子间作用力，引入交联键和增加分子链的 刚性，可提高强度。 分子量：分子量低时，纤维断裂是以分子链的滑移为主，强度较低； 分子量增加，次价键力的总和增大，纤维强度随之增加； 但当分子量增加到一定数值时，次价键力的总和超过 主价键力，纤维断裂以大分子主链断裂为主，强度与分子量 关系不明显。 结晶：能限制大分子链相对滑移，强度提高。 取向：有利于应力的均匀分布，强度提高。 纤维结构的缺陷：存在使强度下降。, 纤维的强度与使用或测试条件的关系 环境温湿度对强度的影响： 温度越高，拉伸强度下降，断裂伸长率增大，初始模量下降。 纤维含湿越大，纤维强度降低（棉与麻纤维除外）。 应变速率对强度的影响： 对纤维来说，室温附近测试时，对应变速率的依赖性很显著， 速率增加的效果与温度降低的效果相同。 试样长度对强度的影响： 试样越长，薄弱环节越多，平均强度越低。 试样根数对强度的影响： n根纤维成束被拉断测得的强度比单根测得平均强度值的n倍要小， 根数越多，差异越大。 所以，实际测试纤维的强度时，要规定环境条件及试样条件。,3.纤维的伸长性 （1）断裂长度（LR）： 纤维的一端固定，另一端向下悬垂并不断延长，由于自身重量而断裂时的长度。 （2）断裂伸长率（断裂延伸度）： 断裂伸长：纤维在拉力作用下发生伸长，且随拉力增大和作用时间 的延长而不断增加，直至断裂。纤维断裂时的长度与原 来长度之差为断裂伸长。 断裂伸长率：断裂伸长与纤维原来长度之比 断裂伸长率反应纤维的柔韧性。 断裂伸长率大纤维手感柔软，在加工时可以缓冲受到的力，毛丝、断头比较少；太大则易变形。 普通纺织纤维的断裂伸长率在1030%范围内。,L0纤维的原长 L 纤维伸长至断裂时的长度,4纤维的拉伸弹性 （1）纤维的初始模量 即应力应变曲线初始一段直线的斜率 初始模量：纤维伸长率为1%时的应力应变的比值。 初始模量表征纤维对小形变的抵抗能力，即对小的拉伸作用或弯曲作用所表现的硬挺度，反映纤维刚性。 初始模量大，纤维不易变形，刚性大，织物抗皱性好，穿着挺括。 初始模量小，手感柔软。 初始模量取决于大分子链的结构及分子间的引力。 柔性越高，纤维的初始模量越小。 同一类纤维中，结晶度和取向度高，初始模量大。,（2）纤维的弹性回复（回弹性） 回弹性：纤维在外力作用下发生形变，纤维从形变中回复原状的能力。 表示方法：形变回复率、功回复率 受环境的影响大（20，相对湿度65%） 一次负荷回弹性能 将纤维在拉伸负荷试验机上以一定 速度（10%/min）拉伸，拉伸至一定伸长率 （通常2%）的b点，然后保持伸长不变， 停留60s，此时发生应力松弛（bg）， 然后以和拉伸相同的速率使纤维减负荷而回缩， 至图中c点，应力松弛到零，然后再等待180s， 则回缩至d点。 lad （塑性形变、永久形变） ldc （高弹形变、推迟回复形变） lce （普弹形变、瞬时回复形变）,由于测定方法中时间的限制，往往不能把三者严格区别开来， 从实用角度根据外力去除后在一定时间内形变回复情况，将形变分为： 可复弹性形变 急弹形变 ：普弹形变高弹形变中回复快的部分 缓弹形变： 高弹形变中回复速率中等部分 不可复形变： 永久形变： 塑性形变高弹形变中回复较慢的部分 形变回复率（回弹率）,瞬时形变回复率（回弹率）,回复功（弹性功）,多次循环负荷回弹性质与耐疲劳性 在测定试样的负荷伸长性能时，如果在达到断裂负荷以前， 就停止负荷并逐渐减小，以至完全去除负荷，将这种增加和去除负荷 的过程循环重复多次，得到多次循环负荷伸长曲线。,疲劳：给纤维加上较断裂强度为小的负荷，接着放松，然后再给纤维 加上大小与上次相同的负荷和放松，虽然所加外力并未超过纤 维的断裂强度，但经过“加负荷去负荷”的反复循环作用一定,纤维的疲劳是织物在服用过程中破损的主要原因。,次数后，纤维最后也会断裂，这种现象称为疲劳。,耐久度：纤维所能承受的“拉伸松驰”循环的次数称为耐久度。 耐疲劳性的高低与所加外力大小、作用时间、松驰时间有密切关系。,纤维较高的耐疲劳性： 较高的断裂强度 较高的断裂延伸度 弹性（急弹性）,外力越大，作用时间越长，疲劳越早发生。,松驰时间越长，缓弹形变可得到较多的回复，形变累加比较慢，,疲劳出现得比较晚。,耐磨性是纤维强度、延伸性和回弹性的综合表现。 麻：强度虽高，但延伸度低，弹性差，故耐磨性差。,5.纤维的断裂功与耐磨性 （1）纤维的断裂功 断裂功：纤维从受拉伸直到断裂，外力对纤维所做的总功。 与纤维粗细和原始长度有关。 断裂比功：单位线密度和单位长度的试样拉伸至断裂，外力所做的功。 可以有效地评价纺织纤维的强韧性和耐磨性。 （2）纤维的耐磨性 耐磨性：一般用纤维多次拉伸后的断裂功来表示。,多，故耐磨性好。,锦纶：强度、延伸度和弹性都高，耐磨性特别好。,羊毛：强度低，但延伸度高，弹性好，经过多次拉伸后断裂功降低不,第五节 纤维的热学性质,一比热容： 单位质量的纤维在其温度变化1时所吸收或放出的热量。 单位： J/(kgK) 水的比热比纤维大，所以纤维吸湿后比热容相应增大。 不同温度，纤维的比热容不同；温度升高，纤维的比热容增大。 二导热性 纤维的导热性，用导热系数表示。 值越小，纤维导热性越低，绝缘性和保暧性越高。 在空气不流动情况下，纤维中夹持的空气越多，保暧性越好。如中空纤维。 空气一旦流动，纤维层的保暧性大大降低。 水导热系数大，约为纤维的10倍左右，纤维回潮率提高，纤维的导热系数增大，保暖性下降。 温度升高，纤维导热系数略有增加。,三耐热性 耐热性：纤维在高温下保持自身性能的能力。 根据纤维受热时力学性质的变化来判定。 纤维高温下的变化： 天然纤维素纤维、再生纤维素纤维和蛋白质纤维 不熔融而分解或炭化（Tm Td） 合成纤维：软化，然后熔融 在热的作用下，纤维内结晶部分的消减和无定形部分的增大、大分子的降解以及分子间作用力的减弱，使纤维强度下降。 不同纤维的耐热性不同 纤维素纤维耐热性较好。 羊毛耐热性较差，加热到100110变黄，蚕丝耐热性比羊毛好。 化纤中涤纶和腈纶耐热性较好，锦纶的耐热性比较差，维纶耐热水性较差。,第六节 纤维的燃烧性,一、点燃温度和火焰最高温度 不同的纤维点燃温度和火焰最高温度不同。 二、极限氧指数（LOI) 极限氧指数:纤维材料点燃后在氧-氮混合气体中维持燃烧所需的 最低含氧量的体积分数。 极限氧指数=O2的体积/（O2的体积+N2的体积）100% 空气中，氧的百分率为21%，则