紡織材料學(xué)課件

第五節(jié)

纖維的機(jī)械性質(zhì)

一、

單纖維的拉伸性質(zhì)

（一）表示纖維拉伸性能的指標(biāo)

指標(biāo)有：斷裂強(qiáng)力；斷裂強(qiáng)度；斷裂伸長(zhǎng)率1可編輯課件PPT1.斷裂強(qiáng)力（絕對(duì)強(qiáng)力）定義：纖維能夠承受的最大拉伸外力。單位：牛頓（N）；厘牛（cN)；克力（gf)。

對(duì)不同粗細(xì)的纖維，強(qiáng)力沒(méi)有可比性。2可編輯課件PPT2.相對(duì)強(qiáng)度

相對(duì)強(qiáng)度是用以比較不同粗細(xì)纖維的拉伸斷裂性質(zhì)的指標(biāo)。根據(jù)采用線密度指標(biāo)不同，相對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)有以下幾種:3可編輯課件PPT（1）斷裂強(qiáng)度（比強(qiáng)度）定義：每特（或每旦）纖維所能承受的最大拉力。單位：N/tex（cN/dtex）；N/den（cN/den)；gf/dtex。其計(jì)算式為：

Ptex=P/Ntex

Pden=P/Nden

4可編輯課件PPT式中：Ptex——特?cái)?shù)制斷裂強(qiáng)度（N/tex；cN/dtex；gf/dtex）

Pden——旦數(shù)制斷裂強(qiáng)度（N/d；cN/d；gf/d）

P

——纖維的強(qiáng)力（N；cN；gf）

Ntex——纖維的特?cái)?shù)（tex;dtex)

Nden——纖維的旦數(shù)(d)

5可編輯課件PPT(2)斷裂應(yīng)力（強(qiáng)度極限）

定義：指纖維單位截面上能承受的最大拉力。單位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）；kgf/mm2。其計(jì)算式為：

σ=P/S式中：σ——纖維的斷裂應(yīng)力（MPa）

P——纖維的強(qiáng)力（N）

S——纖維的截面積（mm2）6可編輯課件PPT（3）斷裂長(zhǎng)度（LR）定義：纖維的自身重量與其斷裂強(qiáng)力相等時(shí)所具有的長(zhǎng)度。

即一定長(zhǎng)度的纖維，其重量可將自身拉斷，該長(zhǎng)度為斷裂長(zhǎng)度。其計(jì)算公式為：LR=（P/g）*Nm式中：LR——纖維的斷裂長(zhǎng)度（km）P——纖維的強(qiáng)力（N）

g——重力加速度（等于9.8m/s2）

Nm——纖維的公制支數(shù)。7可編輯課件PPT纖維強(qiáng)度三個(gè)指標(biāo)之間的換算式為：

σ=Υ*Ptex=9*Υ*PdenPtex=9*Pden

LR=Ptex=9*Pden式中：

σ——纖維的斷裂應(yīng)力（kgf/mm2）；Υ——纖維的密度（g/cm3）；Ptex——纖維的特?cái)?shù)制斷裂強(qiáng)度（gf/tex）；Pden——纖維的旦數(shù)制斷裂強(qiáng)度（gf/d）；

g——重力加速度（等于9.8m/s2）；

LR——纖維的斷裂長(zhǎng)度（km）。8可編輯課件PPT可以看出，相同的斷裂長(zhǎng)度和斷裂強(qiáng)度，其斷裂應(yīng)力隨纖維的密度而異，只有當(dāng)纖維密度相同時(shí)，斷裂長(zhǎng)度和斷裂強(qiáng)度才具有可比性。9可編輯課件PPT3．?dāng)嗔焉扉L(zhǎng)率ε定義：纖維拉伸至斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率稱為斷裂伸長(zhǎng)率。它表示纖維承受拉伸變形的能力。其計(jì)算公式為：

ε=（L-Lo）/Lo式中：

Lo——纖維加預(yù)張力伸直后的長(zhǎng)度（mm）；

L

——纖維斷裂時(shí)的長(zhǎng)度（mm）；10可編輯課件PPT（二）拉伸曲線的基本性質(zhì)

紡織纖維在拉伸外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系稱為拉伸性質(zhì)。

1、拉伸曲線定義

負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線：表示纖維在拉伸過(guò)程中的負(fù)荷和伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線。

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。11可編輯課件PPT一般纖維負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線12可編輯課件PPT圖中：O’→O：表示拉伸初期未能伸直的纖維由卷曲逐漸伸直

O→M（虎克區(qū)）：大分子鏈鍵長(zhǎng)和鍵角的變化，外力去除變形可回復(fù)；類似彈簧；Q→S（屈服區(qū)）：大分子間產(chǎn)生相對(duì)滑移，在新的位置上重建連接鍵。變形顯著且不易回復(fù)，模量相應(yīng)也逐漸變??；S→A（增強(qiáng)區(qū)）：錯(cuò)位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠攏，使大分子間的橫向結(jié)合力有所增加，形成新的結(jié)合鍵。曲線斜率增大直至斷裂。

Q：屈服點(diǎn)；A：斷裂點(diǎn)。

13可編輯課件PPT2.拉伸曲線反映的指標(biāo)負(fù)荷－伸長(zhǎng)曲線

應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1——278dtex（250旦）粘膠長(zhǎng)絲

2——33dtex（30旦）錦綸長(zhǎng)絲14可編輯課件PPT上圖所能反映的指標(biāo)有：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）3-5見(jiàn)后頁(yè)

15可編輯課件PPT3.初始模量E定義：纖維負(fù)荷-伸長(zhǎng)曲線上起始一段直線部分的斜率，或伸長(zhǎng)率為1%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)力。

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越大表示纖維在小負(fù)荷作用下不易變形，剛性較好，其制品比較挺括；

E越小表示纖維在小負(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16可編輯課件PPT4.屈服應(yīng)力與屈服應(yīng)變

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)。

屈服應(yīng)力：屈服點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

屈服應(yīng)變：屈服點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

屈服點(diǎn)以下的變形：可回復(fù)的彈性變形。17可編輯課件PPT5．?dāng)嗔压?、斷裂比功和功系?shù)

（1）斷裂功W

定義：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。W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。

W=18可編輯課件PPT（2）斷裂比功Wa

定義：拉斷單位細(xì)度、單位長(zhǎng)度纖維外力所作的功。

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。19可編輯課件PPT（3）功系數(shù)We定義：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間。

20可編輯課件PPT（三）常用紡織纖維的拉伸曲線21可編輯課件PPT拉伸曲線可分為三類：

（1）強(qiáng)力高，伸長(zhǎng)率很小的拉伸曲線（棉、麻等纖維素纖維），表現(xiàn)為拉伸曲線近似直線，斜率較大（主要是纖維的取向度、結(jié)晶度、聚合度都較高的緣故）（2）強(qiáng)力不高，伸長(zhǎng)率很大的拉伸曲線（羊毛、醋酯纖維等），表現(xiàn)為模量較小，屈服點(diǎn)低和強(qiáng)力不高；（3）初始模量介于1—2之間的拉伸曲線（滌綸、錦綸、蠶絲等纖維）

22可編輯課件PPT（四）纖維拉伸斷裂機(jī)理纖維斷裂原因有：大分子主鏈的斷裂

大分子之間的滑脫23可編輯課件PPT

（五）影響纖維拉伸性能的因素內(nèi)因：

大分子結(jié)構(gòu)（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）；

超分子結(jié)構(gòu)（取向度、結(jié)晶度）；

形態(tài)結(jié)構(gòu)（裂縫孔洞缺陷、形態(tài)結(jié)構(gòu)、不均一性外因：

溫濕度；

測(cè)試條件：a.試樣長(zhǎng)度：L↑，出現(xiàn)弱環(huán)的機(jī)會(huì)↑

b.試樣根數(shù)：根數(shù)↑，折算成單纖維強(qiáng)度↓

c.拉伸速度：v↑，強(qiáng)力↑，ε↓，E↑

24可編輯課件PPT

（六）纖維拉伸性能的測(cè)試

1.擺錘式強(qiáng)力儀（見(jiàn)下圖）25可編輯課件PPT26可編輯課件PPT2．電子強(qiáng)力儀27可編輯課件PPT二、

纖維的蠕變、松弛和疲勞（一）纖維的拉伸變形與彈性1.纖維拉伸變形的組成

纖維變形包括：可回復(fù)的彈性變形（急彈性+緩彈性）和不可復(fù)的塑性變形

急彈性變形：加（或去除）外力后能迅速變形。

緩彈性變形：加（或去除）外力后需經(jīng)一定時(shí)間后才能逐漸產(chǎn)生（或消失）的變形。

塑性變形：纖維材料受力時(shí)產(chǎn)生變形，去除外力后，不回復(fù)的變形。（絕對(duì)值）

28可編輯課件PPT纖變形：l=l急+l緩+l塑（絕對(duì)值）ε=ε急+ε緩+ε塑（相對(duì)值）

三種變形同時(shí)產(chǎn)生，所占比例受纖維的性質(zhì)、加負(fù)荷的大小、負(fù)荷的作用時(shí)間的影響。29可編輯課件PPT2.纖維的彈性（1）定義：指纖維變形的恢復(fù)能力。（2）常用指標(biāo)：

a.彈性回復(fù)率Re（或稱回彈率）

Re=（l急+l緩）/（l急+l緩+l塑）

=（L1-L2）/（L1-L0）式中：L0——纖維加預(yù)加張力使之伸直但不伸長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)度（mm）

L1——纖維加負(fù)荷伸長(zhǎng)的長(zhǎng)（mm）

L2——纖維去負(fù)荷再加預(yù)張力后的長(zhǎng)度（mm）

30可編輯課件PPTb.

彈性功率We

圖中：ec——急彈性變形；

cd——緩彈性變形；

do——塑性變形；

We=彈性恢復(fù)功/拉伸所作的功=Acbe/Aoae31可編輯課件PPT3.影響纖維彈性的因素：（1）纖維的結(jié)構(gòu)：分子鏈的柔曲性、分子間力的大?。?）相對(duì)濕度；（3）測(cè)試條件；

纖維的彈性是織物獲得好的尺寸穩(wěn)定性與抗皺性的主要因素。32可編輯課件PPT（二）纖維的流變性質(zhì)（或粘彈性質(zhì)）

定義：纖維在外力作用下，應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間而變化的性質(zhì)。包括蠕變和應(yīng)力松弛1．蠕變(1)定義：指一定溫度下，紡織材料在一定外力作用下，其變形隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。33可編輯課件PPT（2）曲線：34可編輯課件PPT（3）產(chǎn)生原因：

隨著外力作用時(shí)間的延長(zhǎng)，不斷克服大分子間的結(jié)合力，使大分子逐漸沿著外力方向伸展排列，或產(chǎn)生相互滑移而導(dǎo)致伸長(zhǎng)增加，增加的伸長(zhǎng)基本上都是緩彈性和塑性變形。

35可編輯課件PPT

2．應(yīng)力松弛（變形一定，F(xiàn)-t關(guān)系）

（1）定義：在一定溫度下，拉伸變形保持一定，紡織材料內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)而逐漸減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。（2）曲線：見(jiàn)上頁(yè)（3）產(chǎn)生原因：

由于纖維發(fā)生變形時(shí)具有內(nèi)應(yīng)力，使大分子逐漸重新排列，在此過(guò)程中部分大分子鏈段間發(fā)生相對(duì)滑移，逐漸達(dá)到新的平衡，形成新的結(jié)合點(diǎn)，從而使內(nèi)應(yīng)力逐漸減小。36可編輯課件PPT3．影響纖維流變性質(zhì)的因素①纖維本身的結(jié)構(gòu)：

分子量增加，分子鏈的極性、交聯(lián)和結(jié)晶增加，蠕變松弛減少。②外界條件：如溫度、濕度增加，蠕變、松弛也增加37可編輯課件PPT（三）纖維的疲勞特性1.定義：紡織材料在較小外力、長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)作用下，塑性變形不斷積累，當(dāng)積累的塑性變形值達(dá)到斷裂伸長(zhǎng)時(shí)，材料最后出現(xiàn)整體破壞的現(xiàn)象。疲勞破壞包括：分子滑移、分子斷裂、裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)散、應(yīng)力集中。疲勞形式有：蠕變、重復(fù)伸長(zhǎng)、重復(fù)壓縮、重復(fù)彎曲及重復(fù)扭曲。38可編輯課件PPT2.指標(biāo)和測(cè)定方法

(1)纖維在一定條件下拉伸至斷裂時(shí)，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（耐久度或堅(jiān)牢度）；

(2)經(jīng)過(guò)一定負(fù)荷、一定次數(shù)的反復(fù)作用，測(cè)其剩余伸長(zhǎng)的大小。3.纖維結(jié)構(gòu)和性能與疲勞的關(guān)系

纖維分子量增加，結(jié)晶度提高，耐疲勞性好；

取向度增加，耐疲勞性差。

屈服強(qiáng)度高，屈服伸長(zhǎng)大，斷裂功大，耐疲勞性好。39可編輯課件PPT三、纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮特性

（一）纖維的彎曲40可編輯課件PPT1.纖維彎曲時(shí)受力情況：外側(cè)——受拉，伸長(zhǎng)內(nèi)側(cè)——受壓，壓縮41可編輯課件PPT2.纖維抗彎剛度Rf定義：纖維抵抗其形狀發(fā)生彎曲變形的能力。公式：

Rf=πEr2ηf/4式中：r——實(shí)際截面積折算成正圓形時(shí)的半徑（mm）

E——纖維的彎曲彈性模量（cN/cm2）

ηf——截面性狀系數(shù)（它等于實(shí)際的慣性矩與正圓形截面慣性矩之比）42可編輯課件PPTRf大——纖維不易彎曲，不易成圈編織，耐磨性差，特別是曲磨，其織物較挺爽，有身骨。Rf小——纖維易產(chǎn)生彎曲，易于成圈編織，其織物較軟糯。常用纖維Rf由大到小的次序?yàn)椋浩r麻→玻纖→滌綸→富纖→腈綸→維綸→蠶絲→棉→錦綸→羊毛43可編輯課件PPT纖維種類截面形狀系數(shù)

ηf密度（g/cm3）初始模量E（cN/tex）相對(duì)抗彎剛度Rf(104.cN.cm2）

長(zhǎng)絨棉0.791.51872.13.66細(xì)絨棉0.701.50353.12.46苧麻0.801.522224.69.32亞麻0.871.511166.24.96細(xì)羊毛0.881.31220.51.18粗羊毛0.751.29265.61.23桑蠶絲0.591.32141.92.65粘膠纖維0.751.52515.52.03滌綸0.911.381107.45.82錦綸60.921.14205.81.32錦綸660.921.14214.61.38腈綸0.801.17670.33.65維綸0.781.28596.82.94玻璃纖維1.002.522704.88.5444可編輯課件PPT異形纖維比圓形纖維Rf大（同品種相同旦數(shù)）

纖維錦綸聚酯絲截面形狀○△

三葉形Y○△△抗彎剛度31.839.434.944.038.1112.6131.540.145可編輯課件PPT2．纖維Rf的測(cè)定用日本風(fēng)格儀KES；測(cè)定結(jié)節(jié)強(qiáng)力與鉤接強(qiáng)力；46可編輯課件PPT（二）纖維的扭轉(zhuǎn)47可編輯課件PPT抗扭剛度Rt：纖維抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。

Rt=Et*Ip式中：Et——剪切彈性模量；

Ip——截面極慣性矩。Rt大——加捻時(shí)阻力較大，易遭到破壞或產(chǎn)生塑性變形，且有較強(qiáng)的退捻趨勢(shì)。48可編輯課件PPT各種纖維的扭轉(zhuǎn)性能纖維種類扭轉(zhuǎn)截面形狀系數(shù)ηt相對(duì)剪切彈性模量Etl(gf/tex)相對(duì)抗扭剛度Rf(10-4·gf·cm2/tex)棉0.711657.9羊毛0.98856.7桑蠶絲0.8416810.2柞蠶絲0.352306.0苧麻0.771095.6亞麻0.94875.8普通粘膠纖維0.93744.7滌綸0.99654.7錦綸0.99454.0腈綸0.57995.2維綸0.67753.6玻璃纖維1.0016406449可編輯課件PPT（三）纖維的壓縮纖維集合體的壓縮變形以材料層體積或高度的變化來(lái)表示。

壓縮變形的絕對(duì)值b=V0-Vk（cm3）

壓縮變形的相對(duì)值ε=(V0-Vk)/V0

ε

=1-

hk/h0

式中：V0——試樣壓縮前的原始體積（cm3）

Vk——試樣達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)的體積（cm3）

h0——試樣壓縮前的原始高度（cm）

hk——試樣的最終高度（cm)50可編輯課件PPT四、

纖維的摩擦性質(zhì)

*纖維的摩擦抱合性質(zhì)與可紡性、織物的手感、起毛起球、耐磨和抗皺等有關(guān)

與紡紗工藝的關(guān)系：摩擦現(xiàn)象貫穿于整個(gè)紡紗過(guò)程；與紗、布關(guān)系：有了摩擦力，紗、布才具有一定服用價(jià)值；與磨損的關(guān)系：纖維、機(jī)件被磨損，降低了使用價(jià)值；與發(fā)熱的關(guān)系：高速縫紉可能達(dá)300°c，使縫針彎曲，縫線熔融；與靜電的關(guān)系：摩擦起靜電，靜電聚集，干擾紡紗工藝正常進(jìn)行，特別是化纖。51可編輯課件PPT（一）摩擦機(jī)理糙面學(xué)說(shuō)；分子學(xué)說(shuō)；焊接學(xué)說(shuō)52可編輯課件PPT（二）纖維的摩擦、抱合和切向阻力

1.抱合力F1定義：纖維間在法向壓力為零時(shí)，做相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的切向阻力。（因?yàn)槔w維具有卷曲、轉(zhuǎn)曲、鱗片、表面粗糙凹凸不平，且細(xì)長(zhǎng)柔軟；纖維必須具有一定的抱合力，棉卷、棉條才具有一定強(qiáng)力，紡紗工藝才能順利進(jìn)行）53可編輯課件PPT2.摩擦力F2

定義：纖維之間或纖維與機(jī)件之間，在一定正壓力作用下，作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力。

切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2μN(yùn)=F1+fN切向阻抗系數(shù)μ=F1/N+f

54可編輯課件PPT（三）纖維摩擦抱合性質(zhì)的指標(biāo)與測(cè)試

1.抱合力的指標(biāo)與測(cè)定（1）抱合系數(shù)h(cN/cm)定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度纖維上的抱合力。測(cè)試方法：從沒(méi)有法向壓力的纖維條中夾取一根纖維，測(cè)定出這根纖維所需的力F1（cN，即抱合力）和纖維的長(zhǎng)l（cm）的比值。

h=F1/l

55可編輯課件PPT2）抱合長(zhǎng)度Lh(m)方法：將纖維制成一定規(guī)格的沒(méi)有法向壓力的纖維條，在強(qiáng)力儀上以大于纖維長(zhǎng)度的適當(dāng)上下夾持距離拉斷，測(cè)得它的強(qiáng)力和纖維條的特?cái)?shù)

Lh=F1/Ntex式中：

F1——纖維條的強(qiáng)力(gf)

Ntex——纖維條的特?cái)?shù)

56可編輯課件PPT影響纖維抱合力的因素：纖維的幾何形態(tài)（表面結(jié)構(gòu)、纖維長(zhǎng)度、卷曲度）；排列形狀；纖維彈性；表面油劑；溫濕度；纖維卷曲或轉(zhuǎn)曲多，細(xì)長(zhǎng)而較柔軟——抱合力較大

57可編輯課件PPT幾種纖維的抱合性能

纖維種類纖維線密度(dtex)纖維長(zhǎng)度(mm)20°C時(shí)的抱合長(zhǎng)度(mgf/tex)羊毛直徑23μm5530滌綸4.47065腈綸3.859047錦綸3.3709558可編輯課件PPT2．切向阻抗系數(shù)的測(cè)定絞盤法——測(cè)定纖維與纖維，纖維與金屬、陶瓷等其它材料間摩擦的切向阻抗系數(shù)。59可編輯課件PPTY151型摩擦系數(shù)測(cè)定儀

60可編輯課件PPT影響切向阻抗系數(shù)的因素

1.纖維表面的性質(zhì)*截面為非圓形的纖維的μ<圓形光滑合纖的μ如：棉、粘膠、羊毛、粘纖（實(shí)際接觸面積?。?易變形纖維的μ>不易變形纖維的μ*無(wú)捻長(zhǎng)絲的μ>加捻長(zhǎng)絲或短纖紗的μ61可編輯課件PPT2.化纖油劑的影響化纖不上油，干摩擦?xí)r——切向阻抗系數(shù)μ大上油少