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第五节纤维的机械性质一 单纤维的拉伸性质 一 表示纤维拉伸性能的指标指标有 断裂强力 断裂强度 断裂伸长率 1 1 断裂强力 绝对强力 定义 纤维能够承受的最大拉伸外力 单位 牛顿 N 厘牛 cN 克力 gf 对不同粗细的纤维 强力没有可比性 2 2 相对强度 相对强度是用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标 根据采用线密度指标不同 相对强度指标有以下几种 3 1 断裂强度 比强度 定义 每特 或每旦 纤维所能承受的最大拉力 单位 N tex cN dtex N den cN den gf dtex 其计算式为 Ptex P NtexPden P Nden 4 式中 Ptex 特数制断裂强度 N tex cN dtex gf dtex Pden 旦数制断裂强度 N d cN d gf d P 纤维的强力 N cN gf Ntex 纤维的特数 tex dtex Nden 纤维的旦数 d 5 2 断裂应力 强度极限 定义 指纤维单位截面上能承受的最大拉力 单位 N m2 帕 N mm2 兆帕 kgf mm2 其计算式为 P S式中 纤维的断裂应力 MPa P 纤维的强力 N S 纤维的截面积 mm2 6 3 断裂长度 LR 定义 纤维的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度 即一定长度的纤维 其重量可将自身拉断 该长度为断裂长度 其计算公式为 LR P g Nm式中 LR 纤维的断裂长度 km P 纤维的强力 N g 重力加速度 等于9 8m s2 Nm 纤维的公制支数 7 纤维强度三个指标之间的换算式为 Ptex 9 PdenPtex 9 PdenLR Ptex 9 Pden式中 纤维的断裂应力 kgf mm2 纤维的密度 g cm3 Ptex 纤维的特数制断裂强度 gf tex Pden 纤维的旦数制断裂强度 gf d g 重力加速度 等于9 8m s2 LR 纤维的断裂长度 km 8 可以看出 相同的断裂长度和断裂强度 其断裂应力随纤维的密度而异 只有当纤维密度相同时 断裂长度和断裂强度才具有可比性 9 3 断裂伸长率 定义 纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率 它表示纤维承受拉伸变形的能力 其计算公式为 L Lo Lo式中 Lo 纤维加预张力伸直后的长度 mm L 纤维断裂时的长度 mm 10 二 拉伸曲线的基本性质 纺织纤维在拉伸外力作用下产生的应力应变关系称为拉伸性质 1 拉伸曲线定义负荷 伸长曲线 表示纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线 应力 应变曲线 表示纤维在拉伸过程中的应力和应变的关系曲线 11 一般纤维负荷 伸长曲线 12 图中 O O 表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直O M 虎克区 大分子链键长和键角的变化 外力去除变形可回复 类似弹簧 Q S 屈服区 大分子间产生相对滑移 在新的位置上重建连接键 变形显著且不易回复 模量相应也逐渐变小 S A 增强区 错位滑移的大分子基本伸直平行 互相靠拢 使大分子间的横向结合力有所增加 形成新的结合键 曲线斜率增大直至断裂 Q 屈服点 A 断裂点 13 2 拉伸曲线反映的指标 负荷 伸长曲线应力 应变曲线1 278dtex 250旦 粘胶长丝2 33dtex 30旦 锦纶长丝 14 上图所能反映的指标有 1 断裂强力 或断裂强度 2 断裂伸长 或断裂伸长率 3 5见后页 15 3 初始模量E定义 纤维负荷 伸长曲线上起始一段直线部分的斜率 或伸长率为1 时对应的强力 其大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度 它反映了纤维的刚性 E越大表示纤维在小负荷作用下不易变形 刚性较好 其制品比较挺括 E越小表示纤维在小负荷作用下容易变形 刚性较差 其制品比较软 天然纤维 麻 棉 丝 毛 再生纤维 富纤 粘胶 醋纤 合成纤维 涤纶 腈纶 维纶 锦纶 16 4 屈服应力与屈服应变 屈服点 曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点 屈服应力 屈服点处所对应的应力 屈服应变 屈服点处所对应的应变 屈服点以下的变形 可回复的弹性变形 17 5 断裂功 断裂比功和功系数 1 断裂功W定义 指拉断纤维过程中外力所作的功 或纤维受拉伸到断裂时所吸收的能量 W是强力和伸长的综合指标 用来有效评价纤维的坚牢度与耐用性能 W大 说明纤维的韧性好 耐疲劳性能强 能承受较大的冲击 在负荷 伸长曲线上 断裂功就是曲线下所包含的面积 W 18 2 断裂比功Wa 定义 拉断单位细度 单位长度纤维外力所作的功 Wa W Ntex L0 纤维密度相同时 它对不同粗细和不同试样长度的纤维材料具有可比性 19 3 功系数We 定义 实际所作功 即断裂功W 相当于拉伸曲线下的面积 与假定功 即断裂强力 断裂伸长 之比 其计算式为 We W Pa L We值越大表明这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强 各种纤维的功系数大致在0 36 0 65间 20 三 常用纺织纤维的拉伸曲线 21 拉伸曲线可分为三类 1 强力高 伸长率很小的拉伸曲线 棉 麻等纤维素纤维 表现为拉伸曲线近似直线 斜率较大 主要是纤维的取向度 结晶度 聚合度都较高的缘故 2 强力不高 伸长率很大的拉伸曲线 羊毛 醋酯纤维等 表现为模量较小 屈服点低和强力不高 3 初始模量介于1 2之间的拉伸曲线 涤纶 锦纶 蚕丝等纤维 22 四 纤维拉伸断裂机理 纤维断裂原因有 大分子主链的断裂大分子之间的滑脱 23 五 影响纤维拉伸性能的因素 内因 大分子结构 大分子的柔曲性 大分子的聚合度 超分子结构 取向度 结晶度 形态结构 裂缝孔洞缺陷 形态结构 不均一性外因 温湿度 测试条件 a 试样长度 L 出现弱环的机会 b 试样根数 根数 折算成单纤维强度 c 拉伸速度 v 强力 E 24 六 纤维拉伸性能的测试 1 摆锤式强力仪 见下图 25 26 2 电子强力仪 27 二 纤维的蠕变 松弛和疲劳 一 纤维的拉伸变形与弹性1 纤维拉伸变形的组成纤维变形包括 可回复的弹性变形 急弹性 缓弹性 和不可复的塑性变形急弹性变形 加 或去除 外力后能迅速变形 缓弹性变形 加 或去除 外力后需经一定时间后才能逐渐产生 或消失 的变形 塑性变形 纤维材料受力时产生变形 去除外力后 不回复的变形 绝对值 28 纤变形 l l急 l缓 l塑 绝对值 急 缓 塑 相对值 三种变形同时产生 所占比例受纤维的性质 加负荷的大小 负荷的作用时间的影响 29 2 纤维的弹性 1 定义 指纤维变形的恢复能力 2 常用指标 a 弹性回复率Re 或称回弹率 Re l急 l缓 l急 l缓 l塑 L1 L2 L1 L0 式中 L0 纤维加预加张力使之伸直但不伸长时的长度 mm L1 纤维加负荷伸长的长 mm L2 纤维去负荷再加预张力后的长度 mm 30 b 弹性功率We 图中 ec 急弹性变形 cd 缓弹性变形 do 塑性变形 We 弹性恢复功 拉伸所作的功 Acbe Aoae 31 3 影响纤维弹性的因素 1 纤维的结构 分子链的柔曲性 分子间力的大小 2 相对湿度 3 测试条件 纤维的弹性是织物获得好的尺寸稳定性与抗皱性的主要因素 32 二 纤维的流变性质 或粘弹性质 定义 纤维在外力作用下 应力应变随时间而变化的性质 包括蠕变和应力松弛1 蠕变 1 定义 指一定温度下 纺织材料在一定外力作用下 其变形随时间而变化的现象 33 2 曲线 34 3 产生原因 随着外力作用时间的延长 不断克服大分子间的结合力 使大分子逐渐沿着外力方向伸展排列 或产生相互滑移而导致伸长增加 增加的伸长基本上都是缓弹性和塑性变形 35 2 应力松弛 变形一定 F t关系 1 定义 在一定温度下 拉伸变形保持一定 纺织材料内的应力随时间的延续而逐渐减小的现象称为应力松弛 2 曲线 见上页 3 产生原因 由于纤维发生变形时具有内应力 使大分子逐渐重新排列 在此过程中部分大分子链段间发生相对滑移 逐渐达到新的平衡 形成新的结合点 从而使内应力逐渐减小 36 3 影响纤维流变性质的因素 纤维本身的结构 分子量增加 分子链的极性 交联和结晶增加 蠕变松弛减少 外界条件 如温度 湿度增加 蠕变 松弛也增加 37 三 纤维的疲劳特性 1 定义 纺织材料在较小外力 长时间反复作用下 塑性变形不断积累 当积累的塑性变形值达到断裂伸长时 材料最后出现整体破坏的现象 疲劳破坏包括 分子滑移 分子断裂 裂缝的产生与扩散 应力集中 疲劳形式有 蠕变 重复伸长 重复压缩 重复弯曲及重复扭曲 38 2 指标和测定方法 1 纤维在一定条件下拉伸至断裂时 所经历的循环次数 耐久度或坚牢度 2 经过一定负荷 一定次数的反复作用 测其剩余伸长的大小 3 纤维结构和性能与疲劳的关系纤维分子量增加 结晶度提高 耐疲劳性好 取向度增加 耐疲劳性差 屈服强度高 屈服伸长大 断裂功大 耐疲劳性好 39 三 纤维的弯曲 扭转与压缩特性 一 纤维的弯曲 40 1 纤维弯曲时受力情况 外侧 受拉 伸长内侧 受压 压缩 41 2 纤维抗弯刚度Rf 定义 纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力 公式 Rf Er2 f 4式中 r 实际截面积折算成正圆形时的半径 mm E 纤维的弯曲弹性模量 cN cm2 f 截面性状系数 它等于实际的惯性矩与正圆形截面惯性矩之比 42 Rf大 纤维不易弯曲 不易成圈编织 耐磨性差 特别是曲磨 其织物较挺爽 有身骨 Rf小 纤维易产生弯曲 易于成圈编织 其织物较软糯 常用纤维Rf由大到小的次序为 苎麻 玻纤 涤纶 富纤 腈纶 维纶 蚕丝 棉 锦纶 羊毛 43 44 异形纤维比圆形纤维Rf大 同品种相同旦数 45 2 纤维Rf的测定 用日本风格仪KES 测定结节强力与钩接强力 46 二 纤维的扭转 47 抗扭刚度Rt 纤维抵抗扭转变形的能力 Rt Et Ip式中 Et 剪切弹性模量 Ip 截面极惯性矩 Rt大 加捻时阻力较大 易遭到破坏或产生塑性变形 且有较强的退捻趋势 48 各种纤维的扭转性能 49 三 纤维的压缩 纤维集合体的压缩变形以材料层体积或高度的变化来表示 压缩变形的绝对值b V0 Vk cm3 压缩变形的相对值 V0 Vk V0 1 hk h0式中 V0 试样压缩前的原始体积 cm3 Vk 试样达到规定压力时的体积 cm3 h0 试样压缩前的原始高度 cm hk 试样的最终高度 cm 50 四 纤维的摩擦性质 纤维的摩擦抱合性质与可纺性 织物的手感 起毛起球 耐磨和抗皱等有关与纺纱工艺的关系 摩擦现象贯穿于整个纺纱过程 与纱 布关系 有了摩擦力 纱 布才具有一定服用价值 与磨损的关系 纤维 机件被磨损 降低了使用价值 与发热的关系 高速缝纫可能达300 c 使缝针弯曲 缝线熔融 与静电的关系 摩擦起静电 静电聚集 干扰纺纱工艺正常进行 特别是化纤 51 一 摩擦机理糙面学说 分子学说 焊接学说 52 二 纤维的摩擦 抱合和切向阻力 1 抱合力F1定义 纤维间在法向压力为零时 做相对滑动时产生的切向阻力 因为纤维具有卷曲 转曲 鳞片 表面粗糙凹凸不平 且细长柔软 纤维必须具有一定的抱合力 棉卷 棉条才具有一定强力 纺纱工艺才能顺利进行 53 2 摩擦力F2 定义 纤维之间或纤维与机件之间 在一定正压力作用下 作相对滑动时所产生的阻力 切向阻力F 抱合力F1 摩擦力F2 N F1 fN切向阻抗系数 F1 N f 54 三 纤维摩擦抱合性质的指标与测试 1 抱合力的指标与测定 1 抱合系数h cN cm 定义 单位长度纤维上的抱合力 测试方法 从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维 测定出这根纤维所需的力F1 cN 即抱合力 和纤维的长l cm 的比值 h F1 l 55 2 抱合长度Lh m 方法 将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条 在强力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断 测得它的强力和纤维条的特数Lh F1 Ntex式中 F1 纤维条的强力 gf Ntex 纤维条的特数 56 影响纤维抱合力的因素 纤维的几何形态 表面结构 纤维长度 卷曲度 排列形状 纤维弹性 表面油剂 温湿度 纤维卷曲或转曲多 细长而较柔软 抱合力较大 57 几种纤维的抱合性能 58 2 切向阻抗系数的测定绞盘法 测定纤维与纤维 纤维与金属 陶瓷等其它材料间摩擦的切向阻抗系数 59 Y151型摩擦系数测定仪 60 影响切向阻抗系数的因素 1 纤维表面的性质 截面为非圆形的纤维的 不易变形纤维的 无捻长丝的 加捻长丝或短纤纱的 61 2 化纤油剂的影响 化纤不上油 干摩擦时 切向阻抗系数 大上油少 油膜在纤维表面形成单分子层 上油多 属液体摩擦 与油的粘度有关 因为 与上油量有关 在一定范围内 上油量 超过一定量后 上油量 油剂不仅可降低纤维比电阻 改善抗静电性能 还能增进纤维间抱合 增加平滑 降低纤维表面的 62 3 法向压力的影响4 导纱面光滑程度的影响分两种不同情况 天然纤维 粘纤 异纤 导纱面光滑程度 则 圆形 表面光滑的纤维 导纱面光滑到一定程度后 则 63 5 滑动速度的影响滑动速度 由静到动 而后随滑动速度 到一定的v时 稳定 合纤在低速时 存在粘滑现象 变化较大 一般测 动 希望 3m min以上 64 6 温湿度的影响温度 T变化引起油剂变化纤维性能变化随着T 到一定数值时 随着T 湿度 RH 则 v E 当RH 100 时 最大 接触面积 在水中 则 水 RH 100 加工中RH 必须加以控制 太湿 加工困难 太干 发脆 65 1 名词解释 初始模量断裂长度断裂