纖維和紗線的力學(xué)性質(zhì)

第九章紡織纖維和紗線的力學(xué)性質(zhì)<概言>3、影響纖維性質(zhì)的關(guān)鍵在于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而對(duì)于紗線，其性質(zhì)既取決于原料纖維的性質(zhì)，又取決于紗線本身的結(jié)構(gòu)。所以影響紗線性質(zhì)的因素較纖維復(fù)雜得多。第一節(jié)纖維和紗線的拉伸性質(zhì)一、一次性拉伸斷裂指標(biāo)及互換計(jì)算

指的是在斷裂負(fù)荷的作用下，一次拉斷纖維和紗線時(shí)所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)。<變形性指標(biāo)><強(qiáng)度指標(biāo)><互換計(jì)算>二、拉伸曲線及有關(guān)指標(biāo)負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線：纖維在拉伸過(guò)程中的負(fù)荷和伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線。曲線的橫縱坐標(biāo)皆為絕對(duì)指標(biāo)，所以只能用來(lái)比較相同尺寸的纖維和紗線的拉伸性質(zhì)，而對(duì)不同長(zhǎng)度和粗細(xì)的試樣無(wú)可比性。(一)、兩種形式的拉伸曲線

1－250旦粘膠長(zhǎng)絲2－30旦錦綸長(zhǎng)絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線：表示纖維在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系曲線。曲線的橫縱坐標(biāo)皆為相對(duì)指標(biāo)，在相對(duì)負(fù)荷的單位統(tǒng)一的條件下，對(duì)同品種不同尺寸的纖維和紗線的拉伸性質(zhì)，具有可比性。（斷裂應(yīng)力可以用在不同的品種。）

1－250旦粘膠長(zhǎng)絲2－30旦錦綸長(zhǎng)絲二、拉伸曲線及有關(guān)指標(biāo)

拉伸曲線是纖維和紗線拉伸過(guò)程中，由繪圖裝置記錄下的上述兩種曲線的通稱，它充分揭示了紡材所有的拉伸性質(zhì)：起始段ob近似直線，外力很小時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變之間近似符合“虎克定律”，過(guò)b點(diǎn)后。曲線隨不同性質(zhì)的纖維、紗線呈各種性狀的彎曲（應(yīng)力－應(yīng)變之間有不同的函數(shù)關(guān)系），從而反映了不同性質(zhì)的纖維或紗線有各自不同的結(jié)構(gòu)。b點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。(二).從拉伸曲線可獲得的指標(biāo)及概念1.斷裂強(qiáng)力（或斷裂強(qiáng)度）2.斷裂伸長(zhǎng)（或斷裂伸長(zhǎng)率）3.初始模量E—指纖維負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線上起始一段直線部分的斜率，應(yīng)力應(yīng)變曲線上，反映為曲線起始段的斜率。其大小表示纖維在小負(fù)荷作用下變形的難易程度，它反映了纖維的剛性。E大——纖維在小負(fù)荷作用下不易變形，剛性較好，其制品比較挺括；

E小——纖維在小負(fù)荷作用下容易變形，剛性較差，其制品比較軟。天然纖維：麻>棉>絲>毛；再生纖維：富纖>粘膠>醋纖；合成纖維：滌綸>腈綸>維綸>錦綸(二).從拉伸曲線可獲得的指標(biāo)及概念4、屈服強(qiáng)伸度屈服點(diǎn)—曲線由伸長(zhǎng)較小部分轉(zhuǎn)向伸長(zhǎng)較大部分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)伸度稱為屈服強(qiáng)伸度。屈服強(qiáng)伸度為相對(duì)指標(biāo)，對(duì)同品種不同粗細(xì)的材料具有可比性。意義：屈服點(diǎn)是從大部分是彈性變形→大部分是塑性變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。以前的伸長(zhǎng)變形是彈性變形，屈服點(diǎn)以后的變形是塑性變形。屈服點(diǎn)高，纖維的彈性好。5．?dāng)嗔压?、斷裂比功和功系?shù)（1）斷裂功W—指拉斷纖維過(guò)程中外力所作的功或纖維受拉伸到斷裂時(shí)所吸收的能量。是強(qiáng)力和伸長(zhǎng)的綜合指標(biāo)，用來(lái)有效評(píng)價(jià)纖維的堅(jiān)牢度與耐用性能。W大，說(shuō)明纖維的韌性好，耐疲勞性能強(qiáng)，能承受較大的沖擊。在負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線上，斷裂功就是曲線下所包含的面積。

斷裂功與試樣的尺寸密切相關(guān)，因未結(jié)合尺寸因素，所以只能比較同品種相同尺寸材料的斷裂功的大小。

斷裂功與試樣的尺寸密切相關(guān)，因未結(jié)合尺寸因素，所以只能比較同品種相同尺寸材料的斷裂功的大小。（2）斷裂比功Wa—指拉斷單位細(xì)度、單位長(zhǎng)度纖維或紗線外力所作的功。

Wa=W/(Ntex*L0)

纖維密度相同時(shí)，它對(duì)不同粗細(xì)和不同試樣長(zhǎng)度的纖維材料具有可比性。（3）功系數(shù)We—指實(shí)際所作功（即斷裂功W，相當(dāng)于拉伸曲線下的面積）與假定功（即斷裂強(qiáng)力*斷裂伸長(zhǎng)）之比。其計(jì)算式為：We=W/(Pa*△L)

We值越大表明這種材料抵抗拉伸斷裂的能力越強(qiáng)。各種纖維的功系數(shù)大致在0.36-0.65之間。小結(jié)

拉伸曲線可以全方面揭示纖維和紗線受拉伸的全過(guò)程，既可以揭示拉伸全過(guò)程中某一時(shí)刻的受力情形，還可以描述斷裂時(shí)刻的受力情況，從中可獲得反映材料剛性的指標(biāo)E、彈性的指標(biāo)（屈服點(diǎn)b）、堅(jiān)韌性指標(biāo)（W、Wa、We）和斷裂伸長(zhǎng)性指標(biāo)（）。三、纖維的拉伸斷裂機(jī)理及影響因素（一）、纖維的拉伸斷裂機(jī)理

纖維受力時(shí)，首先是纖維中各結(jié)晶區(qū)之間無(wú)定形區(qū)中的長(zhǎng)度最短的大分子鏈伸直并沿纖維軸向排列，取向度提高。接著這些大分子受拉力，鍵長(zhǎng)、鍵角增大，使大分子伸長(zhǎng)。在此過(guò)程中，一部分伸直、緊張的大分子可能被拉斷，也可能逐步地從結(jié)晶區(qū)中抽拔出來(lái)，此時(shí)結(jié)晶區(qū)逐步產(chǎn)生松動(dòng)（結(jié)晶區(qū)在纖維中地取向度提高），→晶區(qū)大分子間作用力被破壞，產(chǎn)生滑移，使纖維斷裂。纖維受拉→無(wú)定形區(qū)大分子伸直→鍵長(zhǎng)鍵角增大，大分子伸長(zhǎng)→部分分子拉斷或抽拔出來(lái)→大分子斷裂，大分子相互滑移→纖維斷裂。纖維的斷裂主要是無(wú)定型區(qū)大分子地?cái)嗔押徒Y(jié)晶區(qū)大分子之間結(jié)合力地破壞而引起的。纖維伸長(zhǎng)是由于大分子的伸直、伸長(zhǎng)（鍵長(zhǎng)鍵角的增大），取向度的提高以及克服了大分子之間的結(jié)合力后的滑移而引起的。（二）、影響纖維強(qiáng)伸度的因素<內(nèi)因>1、一次結(jié)構(gòu)：主鏈上主價(jià)鍵能的大小及均衡性，大分子上有無(wú)極性集團(tuán)。聚合度：大分子的平均聚合度較大時(shí)，纖維強(qiáng)度較高而伸長(zhǎng)較小，當(dāng)聚合度增加到一定程度時(shí)，強(qiáng)伸度的變化漸趨不明顯。柔曲性：大分子柔曲性好時(shí)，纖維伸長(zhǎng)較大。2、超分子結(jié)構(gòu)：結(jié)晶度；結(jié)晶區(qū)大分子間的結(jié)合力大，故強(qiáng)度較高而伸長(zhǎng)較小，但結(jié)晶度太大會(huì)使纖維變脆。取向度：取向度好的纖維由于大分子較伸直，分子間結(jié)合力大，又沿纖維軸向排列，所以強(qiáng)度較大而伸長(zhǎng)較小。3形態(tài)結(jié)構(gòu)：裂縫、孔洞和形態(tài)結(jié)構(gòu)的不均一性?？p隙空洞的存在使纖維強(qiáng)度下降，纖維截面粗細(xì)不勻，皮芯結(jié)構(gòu)不勻、大分子和超分子結(jié)構(gòu)不勻時(shí)，使強(qiáng)度下降。（1）溫濕度隨著溫度的提高，纖維的強(qiáng)度下降而伸長(zhǎng)增大；溫度升高，大分子獲得外部能量，產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),柔曲性提高，分子間結(jié)合力減弱，強(qiáng)力減小，伸長(zhǎng)增加。隨著相對(duì)濕度的提高，一般纖維，強(qiáng)度下降而伸長(zhǎng)增大；棉、麻纖維強(qiáng)度增大伸長(zhǎng)增大。（2）試驗(yàn)條件試樣長(zhǎng)度：試樣長(zhǎng)度長(zhǎng)，測(cè)得的強(qiáng)度較低。原因是：纖維越長(zhǎng)，出現(xiàn)最薄弱環(huán)節(jié)的幾率越大，而斷裂就發(fā)生在弱環(huán)處。試樣根數(shù)：隨著試樣根數(shù)增加，測(cè)得的束纖維強(qiáng)度折算成單纖維強(qiáng)度會(huì)下降。原因是：各根纖維斷裂強(qiáng)度不同，斷裂伸長(zhǎng)率不同，在纖維中的伸直狀態(tài)也不相同，造成不同時(shí)斷裂，所以平均單纖維強(qiáng)力減小。拉伸速度：拉伸速度大，測(cè)得的強(qiáng)力較大而伸長(zhǎng)較小。其原因是：速度大，意味著拉斷經(jīng)歷的時(shí)間短，大分子還未來(lái)得及滑脫，承受拉力的根數(shù)多，所以強(qiáng)力高。<外因>四、紗線的拉伸斷裂機(jī)理及影響因素（一）、紗線的拉伸斷裂機(jī)理當(dāng)紗線受到軸向拉伸時(shí)，長(zhǎng)絲紗線外層纖維最為傾斜，所以比較伸直和緊張，因此，外層纖維先被拉斷，然后由內(nèi)層纖維承受拉力，直至斷裂，存在斷裂不同時(shí)性。此外，紗線中纖維的伸長(zhǎng)能力、強(qiáng)力不一致也會(huì)造成斷裂的不同時(shí)性。短纖維紗受拉伸外力作用時(shí)，除存在上述情況外，還有一個(gè)纖維間相互滑移的問(wèn)題。（二）、影響紗線斷裂強(qiáng)伸度的因素<外因>（1）溫濕度（2）試驗(yàn)條件:長(zhǎng)度、根數(shù)和速度<內(nèi)因>1、原料纖維的性質(zhì)：（1）纖維長(zhǎng)度和長(zhǎng)度不勻率：纖維長(zhǎng)度↑，長(zhǎng)度不勻率↓----滑脫纖維數(shù)量↓，紗強(qiáng)↑（2）纖維細(xì)度：纖維細(xì)度↑，細(xì)度不勻率↓，紗強(qiáng)↑。（3）纖維強(qiáng)力與強(qiáng)力不勻率：

纖維強(qiáng)力↑，強(qiáng)力不勻率↓，則纖維斷裂不同時(shí)性↓，紗強(qiáng)↑。2、紗線本身的結(jié)構(gòu)：紗線結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)伸度的影響主要反映在捻度。（1）紗線細(xì)度→可容納纖維的根數(shù)（決定了纖維強(qiáng)力之和與摩擦力的大?。?。（2）紗線的條干均勻度→弱環(huán)。（3）捻度的影響（積極、消極以及臨界捻系數(shù)）：捻度↑，紗強(qiáng)力↑，

臨界捻度時(shí)，紗強(qiáng)力最大，捻度↑＞T臨界后，強(qiáng)力下降↓。（4）紗中纖維的配置情況：3.混紡紗中混紡比對(duì)紗線強(qiáng)度的影響

由于混紡纖維品種間存在性質(zhì)差異，特別是伸長(zhǎng)能力的差異，影響紗線中纖維的斷裂同時(shí)性不同，從而影響混紡紗強(qiáng)度。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析，假定只考慮紗的斷裂是由于纖維斷裂而引起的（無(wú)滑脫