纺织物理--第三章-纤维的力学性质

第三章纤维的力学性质Chapter3mechanicalpropertiesoffiber第一节纤维的拉伸性质•纤维的力学性质是最主要的性质。•纺织纤维一般是长径比1000的细长柔性体，轴向拉伸是其受力的主要形式，强伸性质是衡量其力学性质的重要指标。一、拉伸曲线及拉伸性能指标1、纤维的拉伸曲线A：线性区；B：屈服区；负荷上升缓慢，伸长变形增加较快C：强化区；负荷上升较快，伸长变形增加较慢纺织加工和纺织品使用过程，要求纤维具一定抵抗外力的能力。伸长/cm应变伸长率/%应力/MPa比应力/N·tex-1负荷/N02400.10.2010200.120.060.40.206003000ABC线密度0.3tex，密度1.5g/cm3，长20cm•纤维拉伸曲线不同区域的变形机理：•拉伸曲线可采用负荷-伸长、应力-应变等表示，仅坐标变化。•A区域的变形源于分子链键长（包括横向次价键）和键角的改变。当较小的外力作用时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果。变形的大小和外力正比，应力-应变为线性关系，符合虎克定律（Hooke’sLaw，σ=Eε），外力去除分子链和横向连接键将回复到原来的位置，即完全弹性回复，且变形速率和回复时间很短，约10-13s，即变形对时间的依赖可以忽略。•B区域的变形源于，当施加外力增大时，无定形区中部分横向连接键因变形较大而不能承受施加的外力而断裂，分子链进一步伸展。该阶段伸长变得容易，应力上升缓慢，应力-应变曲线斜率较小，纤维呈现屈服现象。由于断裂后的横向连接键不能回到原始位置，或在新位置建立新的横向次价键，故外力去除后变形的回复不完全。•C区域的变形源于，当进一步增加外力时，由于纤维中许多大分子链经过屈服流动后，分子链因充分伸直，进一步拉伸比较困难，这时主要是纤维大分子链键长和键角的改变而引起，直至发生断裂。常用纺织纤维的拉伸曲线羊毛醋酯粘胶醋酯腈纶蚕丝锦纶涤纶棉锦纶比应力苎麻亚麻应变以纤维的断裂强力和断裂伸长率的对比关系来分，拉伸曲线可分为三类：1.强力高、伸长率很小的拉伸曲线，如棉、麻等天然纤维。2.强力不高、伸长率很大的拉伸曲线，如羊毛、醋酯等。3.强力与伸长率介于一、二类之间的拉伸曲线，如蚕丝、锦纶、涤纶等。1.强力高、伸长率小•这类纤维取向度、结晶度和聚合度都比较高，大分子属刚性分子链。取向度高：绝大多数大分子沿纤维轴向排列，几乎没有伸直变形的过程，大分子之间可能产生的滑移量减少，故表现为纤维强力高、伸长小；结晶度高：分子间以较强键连接的部分占较大比例，缝隙空洞少，故能提高强力、屈服应力和初始模量，而伸长率减少；聚合度在一定范围内增大会增加分子间结合力而强度增加，并因此使伸长率变形减少。2.强力不高、伸长率很大•这类纤维的大分子柔曲性高，结晶度和取向度较差，虽然聚合度不一定低，但因大分子间不能形成良好的排列，过长的分子链反而增加了自身的卷曲。大分子空间结构改变的过程比较长，分子间滑脱的比例较大，故伸长率很大，表现为模量较少，屈服点低和强力不高。3.强力与伸长率介于二者之间•结晶度和取向度等介于前二者之间。如：锦纶因分子链的柔曲性较大，故初始模量小，而刚性分子链的涤纶因初始模量大，故在拉伸图上，涤纶的曲线在锦纶之上。2、拉伸性能指标a.断裂强力（绝对强力）P：纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。b.断裂强度（相对强度pt）：每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。单位为：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。c.断裂应力（σb）：纤维单位截面上能承受的最大拉力。单位N/mm2（MPa）。d.断裂长度（Lb）：纤维的自身重量与其断裂强力相等时具有的长度。单位km。•三类相对强度的相互关系（g为重力加速度；γ为密度g/cm3）：e．断裂伸长率（应变）：纤维拉伸至断裂时的伸长率(或应变)称为断裂伸长率b(%)(或断裂应变b)109103denb3texbpp或109103den3texbgpgpL100(%)00bblllf.初始模量：纤维拉伸曲线的起始直线部分应力与应变比值，即-曲线在起始段的斜率。当纤维拉伸曲线起始部分非直线时，初始模量常取伸长率1%（或0.5%）的应力值，按定义初始模量=应力/应变，即割线模量。g.屈服应力与屈服伸长率：在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时的转折点称为屈服点。对应的应力和伸长率(或应变)称屈服应力和屈服伸长率(或应变)。实践表明，纤维屈服点后，将产生比例较大的塑性变形，力学性质将发生很大变化，故屈服点是材料的重要特征。常用的屈服点确定方法（p74，图3-3）：1.角平分线法：用屈服点前后两个区域的近似直线部分的切线交点，做两切线的角平分线，并与应力-应变曲线的交点为屈服点。2.考泊兰(Coplan)法：用屈服点前后两个区域的近似直线部分的切线交点，做平行于应变轴的直线，与应力-应变曲线的交点为屈服点。3.曼列叠斯(Meredith)法：用和原点和断裂点连线的平行线与应力-应变曲线的切点，作为屈服点，分别对应屈服应力和屈服应变。4.三阶导数法：分别做应力-应变曲线的三阶导数曲线，其和应变轴的交点，即为屈服伸长率，进而得到屈服点。•断裂功指标a．断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，即负荷-伸长曲线下的面积，表示材料抵抗外力破坏所具有的能量。b．断裂比功：是指拉断单位体积纤维或单位重量纤维所需作的功。实际应用中，断裂比功用拉断单位线密度，1cm长纤维所需的功（N·cm）表示，即断裂比功=断裂功/(线密度×夹持长度)，其中断裂比功单位：N/tex；断裂功单位：N·cm；线密度单位：tex；夹持长度单位：cm几个术语：1.材料的“软-soft”和“硬-hard”，或“柔-flexible”和“刚-stiff”用于区分模量（modulus）的低或高；2.材料的“弱-weak”和“强-strong”：指强度（strength）的大小；3.材料的“脆-brittle”：指无屈服现象，而且断裂伸长较小；4.材料的“韧-tough”：指断裂伸长和断裂应力都较高，有时也将断裂功作为“韧性”的标志。二、纤维拉伸曲线的绘制•纤维结构决定纤维性质，不同结构的纤维，具有不同的力学性质，其拉伸曲线也各不相同。•同种纤维也由于内部结构及其外形尺寸的不均匀性，尤其是天然纤维，其拉伸曲线具有较大的离散性，通常用两种方法绘制拉伸曲线来表征纤维的拉伸力学性能。•a.单根代表曲线法：根据一批试样(样本容量n)实测所得到的断裂强力，断裂伸长、初始模量（或屈服点）的均值，从拉伸曲线中选取其中一根最接近上述平均指标的曲线为代表性曲线。优点：方法简单、曲线光滑自然。缺点：在任意阶段曲线的平均代表性差。•b.5根曲线平均法：根据上述方法，从n根曲线选择5根最接近平均指标的曲线，并将断裂伸长率等分为若干区间，分别求出各等分点处的平均指标，连接各点得到曲线。优点：能较好的反映拉伸过程的变形特征。缺点：分点过多时方法复杂，分点过少时曲线不够光滑。影响纤维拉伸性能的因素•纤维本身1.化学结构；2.分子间的结构；3.纤维本身的缺陷•测试条件1.温度；2.应变率（拉伸速度）3.隔距（弱环定律）4.拉伸方式(CRE/CRL/CRT)①CRE：等速伸长，试样受拉伸时单位时间的变形率保持一定；②CRL：等加负荷，试样受拉伸时负荷增加率基本保持一定；③CRT：等速牵引，试样受下钳口牵引时,上钳口按材料的应力－应变特性同时有一不规则的位移。三、纤维结构对力学性能的影响(1)聚合度（相对分子质量）•聚合度↑（相对分子质量↑），分子链间总的次价键力↑，分子链间不易移动，其抗拉强度、断裂伸长、冲击韧性等都随之增加，直到达到临界相对分子质量，力学性能达到极限。(2)分子链的刚柔性和极性基团的数量•分子链存在刚性基团（如涤纶中的苯环和纤维素纤维中的葡萄糖剩基）时，纤维模量↑，刚性↑。分子链上极性基团↑时，分子链间的次价键力↑，纤维会具有较高的模量和断裂强度。(3)分子链堆砌的紧密程度、结晶度•紧密的堆砌，分子链作用力大，纤维有较高的强度和屈服应力。结晶度增加，其屈服应力、强度、模量和硬度等均会提高，而断裂伸长和冲击韧性下降。疏松的堆砌，纤维具有较高的断裂伸长和冲击强度。一般，结晶度增加，屈服应力、强度、模量和硬度均提高，断裂伸长和冲击韧性则降低。聚乙烯(Polyethylene,PE)结晶度和性能的关系结晶度%密度kg·m-3软化点k断伸率%冲击强度J·m-1抗张强度MPa650.92373500854137750.94383300427157850.96393100214245950.9740320160392研究表明：结晶的结构比结晶度对纤维力学性质的影响更大；由于大尺寸晶粒内部的空隙和结晶界面缺陷的几率比小尺寸晶粒要大，故晶粒尺寸大则纤维断裂伸长和韧性均较低，而小晶粒高聚物的抗张强度、模量、断裂伸长及韧性都较高。(4)取向度•分子链取向使得纤维力学性质产生各向异性，沿取向方向的强度和模量增加。故纤维分子链取向度增加，纤维轴向断裂强度、模量增加而断裂伸长降低。•分子链取向的结果使得主价键力和氢键、范德华力的分布不均匀，纤维轴向主要受分子链主价键力影响，垂直方向主要受次价键力影响，克服次价键力比主价键力容易。•此外，取向过程消除原结构的某些缺陷，或使得应力集中在平行轴向减弱，垂直方向加强。(5)交联•交联使高聚物弹性回复性能增加，例如纤维的树脂整理（分子链间产生交联，提高模量，增加弹性，抗皱），羊毛的高弹性（交联键形成三维网状结构）。四、提高纤维强伸性能的途径1、制备高强度高模量纤维，可提高纤维大分子相对分子质量或聚合度。例如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的加工。从分子结构上，高性能纤维的成纤聚合物有以下特点:(1)构成主链的键强大；(2)大分子构象线性化，具有伸直链结构；(3)大分子横截面积小；(4)链缠结程度低；(5)分子链中分子末端数少。首先要减少纤维结构的缺陷如分子末端数量、分子间及自身的缠结、折叠等，使大分子处于伸直的单相结晶状态。增加分子量是减少分子末端数量的有效方法。目前制造HPPE所使用的聚合物平均相对分子质量在1×106以上。纤维强度随相对分子质量↑而↑，但是纤维成形过程中大分子缠结程度亦随之明显增大，宏观上表现为熔体粘度急剧↑。荷兰DSM公司的凝胶纺丝-超拉伸法成功的实现了既保证大分子有足够高的相对分子质量的同时又使大分子在拉伸过程中能够由折叠链状态转变为伸直链结构。2、提高分子链的取向度和改善结晶结构，经验表明：适中的结晶度，且结晶颗粒小而均匀分布于无定形结构的纺织纤维能表现出良好的机械性质。五、纤维的结构不匀对拉伸性能的影响•纺织纤维存在不均匀性，如纤维与纤维之间，以及在同一纤维的长度方向上，其大分子链排列的聚集态结构和横截面面积的变异很大，纤维内部的结晶和无定形区的尺寸大小，结晶的完整程度千差万别。•单纤维的断裂强力是由这根纤维的最弱截面处的强力决定的，试样长度越长，最弱截面（弱环）出现的概率越大，纤维的强力也越低。•1926年皮尔斯提出“弱环定律”：试样长度与断裂强力的理论关系。•假设长度l的试样其强力在[S,S+dS]的概率为φl（S）·dS,那么长度为nl时，其强力在[S,S+dS]的概率应等于：将长度等分为n段，其中某一段强力在[S,S+ds]，而其他n-1段强力均大于S+dS，那么整个长度nl的片段中，存在一段长度为l强力在[S,S+dS]的概率为n·φl（S）·dS,而其他片段强力都大于[S,S+dS]的概率为[∫s∞φl（S）·dS]n-1,强力的概率密度函数SS+dSφl（S）那么长度为nl的试样其强力在[S，S+dS]的密度分布为：φnl（S）=n·φl（S）·[∫s∞φl（S）·dS]n-1假设φl（S）为常态分布（高斯分布，正态分布）时，上式可简化为：lnllnSS)1(2.45/15/1