纺织物理第7章ppt课件

1、杜赵群东华大学纺织学院2019年-2019年第1学期第七章 纤维的外表性质第七章第七章 纤维的外表性质纤维的外表性质 纤维的外表性质取决于外表和表层的构造特征。如羊毛纤维外表的鳞片作用赋予羊毛的差微摩擦效应；涤纶纤维外表形状的粗糙话赋予纤维的光泽变化；高强聚乙烯外表等离子体货哈，赋予其高的粘结性。 作为复合资料的加强体纤维，如何与基质发生相互粘结；作为与人体接触的纺织品，纤维如何提供温馨感；作为装饰资料的纤维的色光特征；以及作为特殊用途功能的资料，纤维如何表达吸附、传送、耐腐蚀、能量转换等性质，均以纤维外表性状特征为主，是物质相互结合、共存、分别、传送的关键层面或部位。 纤维外表性质是一广泛的

2、定义，包括外表摩擦、磨损和变形；外表光学特性，如色泽特征；外表传导特性，如对热、湿、声、电的传送；外表能及外表吸附与粘结。同时外表性能还涉及适用中的外表改性方法、外表分析方法等。 本章仅就纤维外表性质中的3个内容进展论述：纤维的摩擦性质、纤维的浸润性、纤维的粘结性。-第七章第七章 纤维的外表性质纤维的外表性质第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质 纤维的摩擦性质是指纤维与纤维，或纤维与其它物质外表接触并纤维的摩擦性质是指纤维与纤维，或纤维与其它物质外表接触并发生相对运动时的行为。它是纤维外表性质中必然涉及的性质之一。发生相对运动时的行为。它是纤维外表性质中必然涉及的性质之一。在纤维成纱过程

3、中，纤维是靠其相互间的摩擦作用成网、成条、滑动在纤维成纱过程中，纤维是靠其相互间的摩擦作用成网、成条、滑动变细、纠缠结合成纱的，并具有一定的力学性能。在织物成形过程中，变细、纠缠结合成纱的，并具有一定的力学性能。在织物成形过程中，也是靠纱线间的相互摩擦作用，使织物的交错点或编结固定，构成外也是靠纱线间的相互摩擦作用，使织物的交错点或编结固定，构成外形稳定、具有力学强度，又多孔通透、柔软温馨的织物。对于非织造形稳定、具有力学强度，又多孔通透、柔软温馨的织物。对于非织造布的成形，更是靠纤维外表的摩擦性能，使纤维可以在无任何粘结剂布的成形，更是靠纤维外表的摩擦性能，使纤维可以在无任何粘结剂的协助的协

4、助 下，仅靠纤维间的纠缠和摩擦使其成形并具有很好的力学强度。下，仅靠纤维间的纠缠和摩擦使其成形并具有很好的力学强度。即使对于添加粘结剂的非织造布，摩擦作用仍在起着作用，只是对象即使对于添加粘结剂的非织造布，摩擦作用仍在起着作用，只是对象换为纤维与胶粘剂，而不是纤维与纤维。纤维的摩擦性能不仅影响纺、换为纤维与胶粘剂，而不是纤维与纤维。纤维的摩擦性能不仅影响纺、织加工性能，而且影响废品的手感的风格。纤维的摩擦还会导致纤维织加工性能，而且影响废品的手感的风格。纤维的摩擦还会导致纤维的磨损与变形，产生质量转移、生热和静电景象。因此，要对纤维摩的磨损与变形，产生质量转移、生热和静电景象。因此，要对纤维摩

5、擦过程和性能进展分析。擦过程和性能进展分析。第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质一、纤维摩擦参数及其相互关系 与纤维摩擦有关的参数有：摩擦力F、正压力或法向负负荷N、摩擦系数、摩擦时接触面积S、摩擦时的相对运动速度v、摩擦面的粗糙度r、外表外形和表层附着物。1. F、N、S间的关系 Amontons或Leonard很久以前的摩擦实验就阐明物质间的摩擦力F与物质间的正压力N成正比，这个比例常数就是摩擦系数，即F= N其他经典实际：较为接近实践情况的实际：对于纤维资料而言，n普通位于2/31之间。naNF 第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质2

6、. 静、动摩擦和滑移速度第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质2. 静、动摩擦和滑移速度第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质3. 摩擦系数与纤维外表形状的关系 纤维与摩擦有关的外表形状主要包括：一是纤维外表的粗糙度r；另一是纤维间的摩擦系数，即界面摩擦和光滑摩擦。 界面摩擦是纤维固体间的接触摩擦方式，随相对运动速度增大而减小。光滑摩擦是纤维间流体状膜的剪切粘滞力的摩擦，包括纤维本身软化和外表的油迹等，随速度添加而增大。第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质3. 摩擦系数与纤维外表形状的关系 普通而言，纤维的摩擦系数为0.1-0.8，其典型的摩擦系数值根Amonton定律可得。第一

7、节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质4. 纤维外观形状与摩擦作用 纤维外观形状主要指纤维的截面外形、纤维的卷曲。 合成纤维截面形状普通为圆形或近圆形，扭曲趋势最不明显，纤维间接触概率较高，有效作用较强；而非圆形纤维易于产生螺旋状扭曲，影响纤维的接近。 纤维卷曲主要影响纤维间的陈列，导致纤维间的纠缠。一方面使得纤维的分别、开松和梳理变得容易，纤维网中的集束纤维束大都由无卷曲的纤维集合而成。另一方面，纤维卷曲会使纤维网更具有弹性、均匀性，由于卷曲的纤维容易相互嵌合构成整体，纤维卷曲产生的抱合力使得纤维条的牵伸变得稳定，但需求大的牵伸力。 第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质二、摩擦机理 摩

8、擦是指两物体间接触并发生或将要发生相对滑移时的景象。从微观力学角度来说，是两物质接触面分子间的相互作用，在切向外力作用下产生剪切和分别的过程。显然，当两物质接触面积越大，分子间的作用就越多越强。两接触物的外表平整光滑和接触压力，起着重要的作用，两物质发生相对滑移时，分子间的抗剪切作用越强，相对滑移越困难。该作用产生的摩擦力用Fad表示，简称为粘附力。而分子间相互作用的解脱，是一个驰豫过程，即与外力作用时间有关，故摩擦作用的大小与相对滑移速度有关。 从物质作用的宏观形状来看，两物质接触不能够是平行平面的理想接触，存在着高地起伏的峰与谷，这在摩擦作用过程中变成了两接触物质间的碰撞、挤压和错位。 当

9、物质一硬一软时，会产生耕犁和刨刮景象；当两物质均较软时，会产生软化和剪切变形；当两物质均较硬时，会产生相互间的错位，抬起等挪动。显然摩擦力与两物质的硬度或屈服应力、剪切模量、紧缩摸量、碰撞和粘结点的数量以及正压力的大小有关。这种宏观形状的锁结呵斥了接触点处的卡扣和锁结，用Fl表示，简称为锁结力； 由于材变形，剪切而被刨刮、耕犁的力用Fp表示，简称为耕犁力。 因此，摩擦系数与正压力和挪动速度亲密相关，并且不是一个常数。线性组合，可得总摩擦力： 显然，Fad，Fl和Fp均是接触面积A、粗糙度r、相对滑移速度v的函数。当高速运动时，会构成软化点和膜，Fad、Fp作用增大，Fl消逝。式只是一种定性描画

10、，摩擦作用过程是一个复杂有交互作用的问题。一方面决议于摩擦接触面的微观分子作用过程和宏观力学变形过程。另一方面，摩擦是一个能量转换和耗散的过程，叠加应该从能量的角度来进展。但式明确给出了摩擦作用的机制及产生缘由。plad0FFFFF第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质三、摩擦实际1. 焊接实际就是指纤维在正压力作用下，某些凸起点在接触压力作用下，发生严密接触和变形，构成良好的粘结作用点。以为两物体间的滑移必需抑制焊接点的剪切变形阻力，即焊接点的破坏。故正压力越大，接触点越多，熔接点的变形越大，故“焊接的面积越大。第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质2. 焊接实际运用与纤维资料纤维在

11、相互摩擦过程中，在接触部位会发生变形和熔接景象，这与焊接摩擦实际所描画的特征一样。第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质X=0.73. 绞盘法根据Amonton定律，根据Howell定律FT1T0mm(a)绞盘法机构(b)绞盘法原理T0T1dSdTT+dTR第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质eTT01nnnaRnTT1101114. 绞辫法或加捻法算法根据Amonton定律，第一节第一节 纤维的摩擦性质纤维的摩擦性质一、概述 纤维的浸润与芯吸都是讨论纤维与液体普通指水的相互作用的。只是浸润较多地表达单纤维或纤维集合体外表或表观与水的相互作用；芯吸那么表达纤维集合体内纤维间或单纤维体

12、内孔洞对液体的毛细作用。似乎一个在外外表，一个在内外表，但作用机制是一致的。因此，表达了纤维浸润的特征，芯吸只需加上孔洞的等效毛细半径影响即可。 纤维浸润中有许多有趣的景象，但主要有平衡与非平衡浸润景象、浸润滞后景象和伪浸润景象等。 纤维的浸润，或称纤维的润湿(wetting)，是指纤维与液体发生接触时的相互作用过程。 可以到达平衡不变的液体外形的浸润，称为平衡态浸润，又称静态浸润； 液体形状不断在变化铺展的浸润，称为非平衡态浸润，或称铺展浸润，又称动态浸润。第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质由图6-27可知接触角，是指气液切面与固液界面间，含液体的夹角。其值为 (6-22)LVSLS

13、Vcos 固体 液体 x y a b SV LV SL 气体 图图6-27 平衡浸润平衡浸润模型模型Young-Dupr方程第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质表表6-4 平衡浸润的几种方式平衡浸润的几种方式可否浸润可否浸润cos状态状态0完全浸润完全浸润1或称铺展或称铺展0 90 可浸润可浸润 0正浸润正浸润=90 无浸润无浸润0零浸润零浸润90 180 不可浸润不可浸润 0负浸润负浸润=180 完全不浸润完全不浸润 1随遇稳态随遇稳态第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质实际上，纤维最大的平衡浸润性发生在0cos=1，这时液体的外表张力应该等于固体的外表张力，即 (6-23)此结

14、果是求固体外表张力的一种方法。液体对固体的浸润，是固体对液体的吸附能所致，用粘着功WSL表示。Dupr方程表达为 (6-24)假设一液体，或一固体，与其本身结合，称为内聚功WLL或WSS，由式(6-24)可知： (6-25) (6-26)cSVLVSLSVLVSLW 2SVSSWLVLL2W第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质根据接触角公式，式(6-24)可变为： (6-27)此式可以看出，粘着功由二部分构成，一部分为液体本身的性能LV；另一部分为液体和固体的相互作用，LVcos。根据的大小，同样可以将平衡态浸润也分为五种情况：当WSL=WLL=2LV时，cos =1，为全铺展，或完全浸

15、润；LVWSLWLL时，0cos 1，为正浸润；WSL= LV，cos =0，为零浸润；WSLLV，1cos 为负浸润；WSL=，cos =1，为完全不可浸润。由粘着功WSL=时，可以比接触角，更为清楚地反映出纤维与液体间无任何粘着或吸附作用。2铺展浸润对于铺展过程，即非平衡浸润，在实际上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程，故Young-Dupr方程已不再适用。而在0时，液体在固体外表仍以某种速度vS扩展，抑制液体内聚能WLL，使液体外表积扩展。）（cos1LVSLW第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质因此铺展的必要条件是，WSLWLL恒成立。显然对于只描画液滴在固体物质上的外形变化，而

16、对外表积变化不加思索的式(6-21)或(6-22)已无意义。铺展浸润的特征是液滴在固体外表上的展开成膜，原有的固气界面消逝，而留下二层固液界面和气液界面。2. 浸润的滞后性 浸润滞后性是指固体外表第一次浸润和第二次浸润间存在的差别，且第一次浸润角1恒大于第二次浸润角2，即 (6-28)以此推行，存在 (6-29)式中，i为浸润次数，随着i的增大，i和i+1趋于一致。即i，ii+1。211ii第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质实践中第一次和第二次浸润可以用液体的前浸润，即三相交汇点a有液体前进的趋势和后浸润，即三相交汇点b有液体回缩的趋势来表示，见图6-26的a，b点。a，b点的接触角分

17、别称为前进角a和后退角b。同样， (6-30) (6-31)a-b被称为滞后角，其反映纤维浸润的滞后性。浸润滞后性是由浸润的外表清洁作用，或残留和固结水分子的亲和作用，或资料浸润后的外表构造变化的作用等引起，解释较多，是一值得讨论和丈量的问题。 3. 伪浸润景象 所谓伪浸润景象是指由于资料的表观形状与真实形状存在差别，或资料外表不同组份的组合使液滴的三相交汇点落在某一位置或组份中，而引起的表观接触角不能表达或不能完全表达真实浸润性的景象。前者称为形状伪浸润；后者称为组份伪浸润。因此，对形状动摇或粗糙的外表，或外表多组份或有孔隙的外表应该特别小心，且必需进展显微察看。ba21第二节第二节 纤维的

18、浸润性质纤维的浸润性质1形状的影响当液滴作用于粗糙外表时，表观接触角会发生腾跃性变化，其变化的缘由如图6-28所示。实践A、B液滴为同一液体，固体物质也为均质资料，只是外表起伏，引起表观接触角AB，A=A= B= B=为真正的接触角。外表的起伏可以经过微区丈量获得真实的接触角，但当起伏趋于微区化时，上述腾跃性，或A与B的差别会趋向一个稳态值。2组份的影响不同组分的外表浸润如图6-29所示。在不同组份区域尺寸较大时，接触角值也会产生跳动。当不同组份的区域趋向于微观化时，A、B两组份所构成的A与B的差别趋向一个稳态值AB。第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质 B B A A A A B B

19、A滴 B滴 B A B 图图6-28 粗糙外表浸润模型图粗糙外表浸润模型图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质图图6-29 不同组份外表的浸润模型不同组份外表的浸润模型第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质二、纤维浸润性丈量二、纤维浸润性丈量1. 接触角接触角丈量丈量接触角的丈量可以采用显微镜直接观测角度值，主要有插入转动接触角的丈量可以采用显微镜直接观测角度值，主要有插入转动法，如图法，如图6-30所示；悬滴法如图所示；悬滴法如图6-31仅适于仅适于900的丈量，的丈量，悬滴法的计算为：悬滴法的计算为： (6-32) 纤维纤维 纤维纤维 转动转动 液体液体 图图6-30 插入转动法

20、表示图插入转动法表示图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质图图6-31 悬滴法计算表示和实物图悬滴法计算表示和实物图LDH 2tan悬滴法第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质对浸润前进后退角的丈量，可采用插入法的缓慢插入测a；缓慢拔出测b。也可采取注入法图6-32测得前进角a和后退角b。 a b 注入 吸出 图图6-32 浸润的前进角和后退角的丈量表示浸润的前进角和后退角的丈量表示第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质 F L 纤维 Gf Fb 液体纤维v 图图6-33 浸润力丈量原理图浸润力丈量原理图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质bfPFGFFcosLVPFPff

21、fLAG LfblAF LfLV44cosLdLdPFcosLV第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质即为Wilhelmy表达式，可求液体的外表张力或cos，转而求SV。竖直拔出法不适于接触角大的、柔软的纤维。 2程度浸入拉出法典型的实验曲线如图6-34所示，其中(a)为纤维和液体接触过程表示图；(b)为实验过程中力值变化和时间的关系图。在时间T1以前，为纤维和纤维架逐渐进入液体中的过程。初始OA阶段，纤维架开场向下进入液体中，OA阶段的力值由于纤维架遭到的浮力的增大而逐渐线性减少，但非常微小。到A点时，纤维开场接触液体，此时，力值忽然添加到B点，是纤维吸着液体的表现，界面张力的变化导致了

22、这个力值的变化。过B点后，纤维继续进入液体中，固液界面开场趋替固气界面，力值逐渐减小，至C点。当由于纤维进入液体构成的凹液面消逝、液面闭合，力值忽然增大回到D点。时间T1以后，即到I点，开场向上拉纤维架，液体对纤维架浮力的减少以及挪动阻力的出现，使得力值缓慢添加，直到J1点。J1点后，纤维开场被拉出液面，并附带部分液体构成液膜，随着液膜的逐渐添加，力值呈线性增大，直到J2点；第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质随着液膜的减薄和破损，力值出现非线性特征，从J2点缓慢添加到P点，然后又从P点下降到P点。由于最后液膜破裂，力值在瞬间降至Q点。根据上述浸润过程的景象，假设纤维为均匀细长的圆柱形，

23、由于纤维程度进入液体中，其与液体接触的界面为圆形。对于这一浸润，接触角为常数，纤维遭到的有效浸润力，即液体外表张力沿垂直方向的分力大小随液体与纤维接触点的位置变化，如图6-35所示。 O AB BC CD (a) I J2 P PQ 纤维 J1 浸没点 第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质-50050100150200250300350400-0.50.00.51.01.52.0OQPPIDCBAJ2pulling-outimmerging(b)T1J1Force, F (mgf)Time, t (sec)浸没拔出图图6-34 6-34 典型的实验曲线及过程表示图典型的实验曲线及过程表示

24、图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质图图6-35 液面和纤维的接触点的关系表示图液面和纤维的接触点的关系表示图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质图6-35中，E点为液体和纤维的接触点，O为纤维截面圆心，点A为液体和纤维的初始接触点；点D为液面闭合时液体和纤维的接触点，线BC为过E点的圆的切线，线FG为过E点的程度线。为OA和OE的夹角；为过E点的切线BC和程度线FG的交角。在浸入过程中，程度线FG和接触角是恒定不变的，变化的是。实际上，总有一接触点，使。由于，当时，接触点E将低于液面程度面，即线b，此时液体外表张力沿垂直方向的分力b向上。只需时，接触点E位于FG线上，液体外表张

25、力在程度方向，垂直方向的分力为零。因此，可以显微察看得到。但实际上可以求得接触角值。首先定义浸润因子w为 (6-36)式中，FAB和FCD分别为AB和CD段得力值，见图6-36。当时，有： 6-37 CDABFFw TAA1/)(ttt第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质据图6-36可知： 6-38假设图6-36中BC为直线，根据浸润因子的定义： 6-39不思索纤维架和纤维的浮力作用，那么 6-40将6-40代入6-39得： 6-41将6-41代入6-37得： 6-42式6-42反映了接触角与浸润因子的定量关系。结合浸润因子的定义，有表6-5的关系。ADTtttD1DAA1CDABttt

26、tFFw)(AA1TD1Dttttt1TAA1wwttt) 1/(w第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质020406080100120-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6tDtD1tA1CDD1A1BtAAForce, F (mgf)Time, t (sec)图图6-36 实验曲线中力值变化分析表示图实验曲线中力值变化分析表示图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质表表6-5 浸润因子与接触角浸润因子与接触角的关系的关系力值关系力值关系浸润因子浸润因子接触角接触角FCDw=0FAB1w0/2FAB=FCDw=1=/2FABFCD0w1/2FAB=0w=0=

27、第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质LLSLWWP第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质 A+ 气体 长丝 液体 A A+ A- 0 v vs 图图6-37 长丝向下运动时液面长丝向下运动时液面月牙状的变化月牙状的变化第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质三、纤维芯吸与表征三、纤维芯吸与表征 浸润对于单一纤维，或单一外表，可以用上述景象和说法来解浸润对于单一纤维，或单一外表，可以用上述景象和说法来解释释.但面对纤维集合体或多外表接近，或多孔资料时，即使是原平但面对纤维集合体或多外表接近，或多孔资料时，即使是原平衡态的浸润，也会变为非平衡态特征的浸润，即气、液、固三相衡态的浸润，也

28、会变为非平衡态特征的浸润，即气、液、固三相交汇点交汇点A图图6-27，会发生长时间的挪动，称为芯吸，会发生长时间的挪动，称为芯吸(wicking)。1. 纤维集合体的浸润景象纤维集合体的浸润景象纤维集合体的浸润有毛细吸水的景象，或称芯吸。芯吸作用除了纤维集合体的浸润有毛细吸水的景象，或称芯吸。芯吸作用除了单纤维的浸润作用外单纤维的浸润作用外cos，还有孔隙外形因子的影响。典型，还有孔隙外形因子的影响。典型的毛细管压力的毛细管压力p方程为：方程为： (6-44) rpcos2LV第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质 毛细管的等效半径，即为外形参数；增大，芯吸压力p下降，浸润作用减弱；变小时

29、，芯吸压力上升；当大于液体外表月牙弧的曲率半径时，芯吸便停顿。即毛细管垂直形状因重力作用存在极限值。 程度形状时，当大到一定程度时，一种是液体分别，回到浸润的平衡或铺展形状，一种是如平常的水管，只需水源足够，将不停地流动。垂直和程度两种毛细形状见图6-38所示。 2r毛细管2r液体少液体少 图图6-38 无毛细作用时液体的形状无毛细作用时液体的形状 2r毛细管2r液体少液体少第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质2. 芯吸高度芯吸高度当纤维条，织物竖直插入液体或纤维集合体的空隙为竖直面对液当纤维条，织物竖直插入液体或纤维集合体的空隙为竖直面对液体时，其拒水和芯吸作用，如图体时，其拒水和芯吸作用，如图6-39所示。所示。 hW d hP d LV织物 LV纤维表面 (a) 90180拒水拒水 (b) 090导水导水图图6-39 纤维正、负浸润时的芯吸模型图纤维正、负浸润时的芯吸模型图第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质g4)cos( 2hdd )2(cosg4LVPdhdh1g4LVPg4cos2hdd第二节第二节 纤维的浸润性质纤维的浸润性质所以，纤维间的芯吸高度hW为： (6-48)显然，要获得导水资料的必要条件是接触角90，当=0时，又回到式(6-47)。其次是毛细管直径要小，纤维集合体越严密，那么纤维间