第五章-纺织纤维的力学性质.

第五章纺织纤维的力学性质纺织纤维的力学性质（或机械性质）是纤维及其制品在使用过程中的重要性质之一。纤维材料的力学性质的好与坏（优与劣）是根据它在受外力作用时，所表现的耐破坏性能（不一定拉断）来评价的。纤维在外力作用下遭到破坏的形式很多，其中以拉伸断裂为最主要的破坏形式。第一节纤维的拉伸性质第二节纤维的蠕变、松弛和疲劳第三节纤维的摩擦和抱合性质第一节纺织纤维的拉伸性质拉伸指标拉伸曲线拉伸机理及影响拉伸的因素一、表示纤维拉伸断裂的指标★指标有：断裂强力；断裂强度；断裂伸长率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)。对不同粗细的纤维，强力没有可比性。2.强度拉伸强度是用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。根据采用细度指标不同，拉伸强度指标有以下几种:(1)断裂应力定义：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）。其计算式为：σ=P/S式中：σ——纤维的断裂应力（MPa）P——纤维的强力（N）S——纤维的截面积（mm2）（2）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)。其计算式为：Ptex=P/TtexPden=P/Nden（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：LP=（P/g）*Nm式中：LP——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。纤维强度三个指标之间的换算式为：100091000gpLppptexpdentextex3.断裂伸长率ε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：ε=（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）；4.湿干强度比η纤维在完全润湿时的强力占干态（标准大气下）时强力的百分率。材料吸湿后强度的变化状况，绝大多数纤维η＜100%，而棉麻等η＞100%。5.10%定伸长负荷纤维拉伸10％时所需要的负荷。专用于棉型化纤，为混纺进行性能匹配时应用的指标。二、拉伸曲线及有关指标▲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。两个曲线所反映的纤维强伸关系规律是一致的，不同的只是坐标的量纲。aY(y,y)sPbb0.060.12Pa负荷P(N)Δla24Δl伸长(mm)000.10.201020ε=应变ε=应变率(%)比应力p(N/tex)00.20.4应力σ(N/mm2=MPa)0300600试样长度20mm线密度0.3tex纤维密度1.5g/cm3一般纤维负荷-伸长曲线★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）2.拉伸曲线反映的指标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（或伸长率为1%时）的应力和应变比值。纤维应力-应变曲线上起始段的斜率。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4.屈服应力与屈服伸长率（屈服应变）屈服点：曲线坡度由较大转向较小（伸长由较小转向较大）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。YYcp12(a)Yp(b)纤维在屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以基本上是可恢复的急弹性变形。而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可恢复的塑性变形。屈服点高的纤维，不易产生塑性变形，拉伸弹性较好，其制品保形性好，不易起拱，起皱。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。对不同粗细和长度的纤维没有可比性。（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/(Ttex*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。反映应力－应变曲线下的面积。（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。（4）纤维柔顺性系数C＝0，说明曲线是直线形的，柔顺性差，如刚性纤维和低延性纤维（玻璃纤维、苎麻纤维等）C＜0，曲线下凹，柔顺性好，如聚酰胺纤维；C＞0，曲线上凸，柔顺性较差，但可塑性可能较好。51012C三、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(%)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）纤维开始受力时，其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形。拉伸曲线接近直线，基本符合虎克定律。当外力进一步增加，无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断，也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形比较显著，模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，进入强化区，表现为纤维模量再次提高，直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂，致使纤维解体。四．纤维拉伸断裂机理CBAABCAB(a)(b)(c)(d)(e)纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面纤维断裂原因有：大分子主链的断裂大分子之间的滑脱纤维伸长原因有：大分子的伸直、伸长（键长、键角的变化）取向度改善大分子之间的滑移五．影响纤维拉伸性能的因素▲内因：（1）大分子结构（大分子的柔曲性、聚合度）大分子链的柔曲性↑→纤维伸长↑聚合度↑：大分子间不易产生滑移，所以强度较高而伸长较小（2）超分子结构（取向度、结晶度）取向度↑：强度较大，伸长较小结晶度↑：强度较高而伸长较小，但结晶度太大会使纤维变脆（结晶区以颗粒较小，分布均匀为好）（3）形态结构纤维中的裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性会导致强度下降外因：（1）温湿度温度↑：强度↓，伸长↑，初始模量↓相对湿度↑：纤维回潮率↑（分子间结合力减小），所以强度↓，伸长↑，初始模量↓，棉麻例外（本身聚合度高、分子链长、分子间结合力小，吸湿后大分子张力均匀，受力大分子多），强度↑。（2）试验条件①纤维根数：↑→换算后的单纤维强力下降纤维断裂的不同时性（试样中各根纤维的强力、伸长能力、伸直状态不同）②试样长度：↑→测得的强力偏低弱环定律：单纤维测试：试样长度10mm或20mm；束纤维测试：3mm③拉伸速度：↑→测得的强力较大而伸长较小通常：100％隔距长度/min④其他：加负荷的方式：等速拉伸型（摆锤式强力仪）等加负荷型（斜面式强力仪）等速伸长型（电子式强力仪，现在为国际推广方法）强力仪的量程：夹持器的夹持情况：预加张力的大小：最单纯的形变形式有两种：理想弹性变形（虎克变形）；纯粘性流动（牛顿变形）。虎克变形：牛顿变形：对以高分子为主要组成物质的纤维来讲，它不仅具有弹性，而且也具有粘性，这种粘性与弹性的组合即为粘弹性，具有粘弹性的物体即为粘弹体。第二节纤维的蠕变、松弛和疲劳Edtd粘弹性——材料在外力作用下，应力～应变的关系随时间而变的性能。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。键长、键角的变化。（一般5～15s）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。大分子链屈曲伸展、滑移错位。(一般2～5min)塑性变形：纤维材料受力时产生变形，去除外力，不回复的变形。链节、链段发生不可逆移动（粘性流动），绝对值。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）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/Aoae3.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。P(a)CRE等速伸长WWe34△lOceabd(b)CRL等加负荷WWe34△lOceabdP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。（2）曲线：（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。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：（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。3．影响纤维流变性质的因素①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。②外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛也增加４.应用在纺织加工和使用过程中，必须注意不使纤维材料长期处于紧张状态，以避免蠕变或应力松弛现象发生。如：布机长期停车时，须使之处于综平状态，以避免经纱受力，产生应力松弛，纱线下垂，再开车时由于开口不清而形成织疵。各种卷装或机上的半制品储存太久，也会因应力松弛而松烂。提高温湿度可消除纤维材料的内应力，防止退捻和达到定形的目的等。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。疲劳破坏有两种。一种是指纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时纤维材料迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。这是由于蠕变过程中，外力对材料不断作功，直至材料被破坏，也称为静态疲劳或蠕变疲劳。另一种是多次拉伸(或动态)疲劳，它是指纤维材料经受多次加负荷、减负荷的反复循环作用，因为塑性变形的逐渐积累，纤维内部的局部损伤，形成裂痕，