第七章纤维的表面性质(讲稿)

1第七章纤维的表面性质纤维的表面性能取决于其表面和表层的结构特征。表面是物质最直观、有效和最复杂而又有特征的部位。物质表面为视觉、触觉直达部位，处于非对称和非平衡态。物质表面或界面的作用：是物质相互结合、共存、分离、传递的关键层面，如：复合材料的增强体纤维，如何与基质发生相互粘结；与人体接触的纺织品，纤维如何提供应有的舒适感；纤维装饰材料的色光特征；纤维功能材料的吸附、传递、耐磨蚀、能量转换等性质。纤维表面结构包括：表面宏、微观形态，表层结构等。纤维的表面性质包括：表面摩擦，磨损和变形；表面光学特性，如色泽特征；表面传导特性，如对热、湿、声、电的传递；表面能及表面吸附与粘结。表面性能还涉及实用中的表面改性方法，表面分析方法等。纤维表面是一门科学，本章讨论三个内容：纤维的摩擦性质纤维表面浸润性纤维表面粘结性2第一节纤维的摩擦性质指纤维与纤维，或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行为。影响纺、织加工性能和成品的手感的风格。导致纤维的磨损与变形，产生质量转移、生热和静电现象。一．纤维摩擦参数及其相互关系摩擦力F，正压力或法向负荷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，以及表面形状和表层附着物等，其间存在一定的定性和定量关系。1．F、N、S间的关系经典的Amontons定律：NF＝不适用于纤维摩擦的表征。典型的经验方程有：SNF0＋＝(7.1)NlogBANF－＝(7.2)cbNaNF＋(7.3)式中cbaBA0，，，，，，均为常数。较为实际和处理方便的是式(7.3)的简化形式：naNF＝(7.4)显然上式的摩擦系数NF＝非常数，是正压力N的函数。3图7-1纤维摩擦系数随正压力的变化（D为纤维直径）式（7.4）的n值一般介于2/3～1之间，见表7-1。表7-1单根纤维垂直交叉摩擦时的n值纤维醋酯纤维锦纶粘胶丝涤纶羊毛醋酯纤维0.940.890.900.860.92锦纶0.860.81粘胶丝0.890.880.910.860.87涤纶0.88羊毛0.880.860.920.860.92根据式(7-4)，可以讨论接触面积的作用，设正压力N作用于1S面积上，则有：naNF＝1,如果同样的正压力作用于2S面积上，12kSS＝，可以认为这时的总摩擦力2F应等于当正压力为N/k作用于1S面积上的各分摩擦力f的总和，即：nkNaf）（＝nkNakfF）（＝2(7.5)摩擦系数正压力,N特氟纶尼龙聚乙烯4所以nnnnSSkaNkNkaFF－）（＝）（＝112)1(12(7.6)这样，可以用两种模式来代替传统的摩擦定律式。①naNF＝，用于摩擦接触面积不变时的描述；②)1(nbkF＝，用于正压力为常数时表达。其中a，b为常数，a与接触面积有关，b与正压力有关。n＝1时，即得传统的摩擦定律式NF＝。Viswanathan通过实验发现，在许多纤维中，参数a与n值有关，a值随n值的增加而减少。由于a的单位为nN－）（1，故使用不同单位时，a与n值的关系不同。2．静、动摩擦和滑移速度通常纤维的静摩擦力FS比动摩擦力Fd要高（表7-2）。动、静摩擦系数间的差异，使人对纤维及其制品的手感不同。两者差别较大时，给人粗糙，涩板的感觉，因为摩擦中发生“粘－滑”现象（stick-slip）。如果对纤维添加整理剂，则会感到柔软、滑糯，如优质的羊绒。其原因是S与d的差异较小。纤维的摩擦系数与滑移速度如图7-2所示，纤维摩擦系数随v的增大为下凹状，在速度vc下，μd会大于静摩擦系数μs，常态滑移速度都小于vc，故μsμd，正是由于μsμd，摩擦过程会发生“粘-滑”现象。随着μsμd值的减小，粘－滑现5象逐渐减小。当μs≤μd时，粘－滑现象消失。表7-2纤维的动、静摩擦系数（S,d）纤维静摩擦系数S动摩擦系数d粘胶与粘胶0.350.26锦纶与锦纶0.470.40顺鳞片方向羊毛与羊毛逆鳞片方向纤维同一方向0.130.610.210.110.380.15羊毛与粘胶顺鳞片方向0.110.09逆鳞片方向0.390.35羊毛与锦纶顺鳞片方向0.260.21逆鳞片方向0.430.35图7-2相对速度与动摩擦系数的关系3．摩擦系数与纤维表面状态的关系纤维与摩擦有关的表面状态主要有三：纤维表面的粗糙程度r差微摩擦效应：鳞片的顺、逆摩擦差异vSd流体润滑边界润滑6纤维间的摩擦形式，即界面摩擦和润滑摩擦图7-3摩擦系数随回潮率而变化的曲线一般而言，纤维的摩擦系数为0.1～0.8，其典型的摩擦系数值，N/F＝所得列于表7-4中。4．纤维外观形态与摩擦作用纤维的外观形态主要指纤维的截面形状和纤维的卷曲。在无张力的情况下，圆形纤维的扭曲趋势最不明显，而非圆形纤维易于产生螺旋状的扭曲，故会影响纤维的相互靠近。圆形截面纤维，其相互间接触概率较高，有效作用较强。Scardino等将圆形截面和三叶形截面的纤维，纺制成棉网和生条，结果表明，圆形截面纤维的抱含力较高。Hertel等对棉网的试验也证明，圆形截面纤维的棉网，在剪切变形时，其内聚力较大。丝光纤维间的抱合力优于未丝光的棉纤维。纤维的卷曲，影响纤维间的排列和导致纤维间的纠缠。锦纶棉/钢逆鳞片顺鳞片羊毛/角质回潮率，%摩擦系数，7纤维的卷曲，一方面会使纤维的分离、开松和梳理变得容易，纤维网中的集聚纤维束，大都是由无卷曲的纤维集合而成。另一方面，纤维的卷曲会使纤维网更具有弹性和均匀性，因为卷曲的纤维容易相互嵌合形成整体。纤维卷曲产生的抱合力会使纤维条的牵伸变得稳定，但牵伸作用力需较大。卷曲在纺织加工中会逐渐减少，但同样会影响纱线和织物的蓬松性和低应力下的弹性。卷曲的纤维在多道的纺织梳理中也会变得有些卷曲。卷曲提供纤维摩擦作用中的抱合力，而且对纤维摩擦作用中的锁结作用影响很大，相当于粗糙的表面作用，但主要体现在正压力为零时的作用。卷曲的这种缠绕作用与纤维表面性状关系较小，而主要取决于纤维的宏观力学行为，如纤维的拉伸和弯曲性能，尤其是低应力下的这些性质。表7-4纤维与纤维以及与其它物质间的摩擦系数值纤维纤维交叉纤维平行与钢辊与瓷辊与陶瓷辊锦纶蚕丝粘胶醋酸棉黄麻酪素涤纶0.14～0.60.260.190.290.29,0.570.470.520.430.560.220.460.460.550.320.390.30-0.380.290.430.430.29-0.380.320.190.300.20-0.220.24羊毛顺鳞片0.20-0.250.11逆鳞片0.38-0.490.14玻璃0.138二．摩擦机理从微观力学上说，摩擦是两物质接触面分子间的相互作用，在切向力作用下产生剪切和分离的过程。分子间接触，取决于两接触物的表面粗糙度和接触压力。滑移所需的能量与分子间的粘附功有关。而分子间作用的解脱，是一个驰豫过程。从物质作用的宏观形态来看，两物质接触不可能是平面接触，如图7-4所示。摩擦变成了物质间的碰撞和挤压。当物质一硬一软时，产生耕犁和刨刮；当两物质较软时，产生软化和剪切变形；当两物质较硬时，会相互间的错位抬起等移动。显然摩擦系数与两物质的硬度或屈服应力；剪切压缩摸量，碰撞和粘结点的数量，以及正压力的大小有关。(a)a,c接触挤压点，(b)A硬B软，a耕犁点；(c)A,B较软，(d)A，B较硬，b碰撞点b变形点压缩剪切变形上抬移动图7-4实际接触相对运动时的摩擦作用实际纤维间的摩擦，应该是宏观和微观作用的综合。在理论上，人们将摩擦作用分成不同性质的摩擦力的线性组合。pradFFFFF＋＋＋＝0(7.7)式中：0F为正压力为零时的摩擦力；adF为两材料相互粘结产生的摩擦力；rF为形态粗糙产生的锁结作用力；pF为耕犁刨刮破坏产生的阻力。显然，adF，rF和pF是接触面积S，粗糙度r，相对滑移速度v的函数。当运动时，会形成软化点和膜adF，pF增大，rF消失。ABABABABa回弹bcab压缩剪切9三．摩擦理论摩擦理论的研究已有数百年的历史，最古老的Leonard或Amontons的线性关系式NF＝，以及随后Coulomb所做的验证和说明，其包括dSFF，摩擦力与滑移速度无关的结论。现有的理论对此已做了修正和实验解释。1．焊接理论图7-5真实接触点的变形及其熔接点Bowden等认为，在摩擦过程中，这种接触点的“熔接”，使两物体间的滑移必须以克服焊接点的剪切变形阻力为前提，即焊接点的破坏。正压力愈大，接触点愈多，熔接点的变形愈大，故接“焊接”的面积愈大。如令真实接触面积为A，则在变形点处的屈服应力为:ANPy/＝可得：yPNA/＝(7.8)式中yP为材料固有的屈服应力值，所以NA。当图7-5A、B两物体相对滑移时，焊接点必须被剪切力分正压力N弹性变形弹性变形塑性流变塑性流变10开，故两物质间的摩擦力为：NPAFymin＝＝(7.9)式中min为两种摩擦物中较弱材料的被剪切破坏的剪应力。yP/min(7.10)因为接触压力与真实接触面积线性相关，接触应力为常数，总的表观面积与真实接触面积无关，故摩擦力与接触面积无关。2．焊接理论应用于纤维材料纤维在摩擦中，接触部位会发生变形和熔接的现象，这与焊接摩擦理论描述的一致。摩擦力的大小同样取决于切割这些焊接点所需的力。根据实验，纤维间的摩擦力nNF，n值一般小于1，但比纯弹性体变形时的n值高。同时该值取决于材料的粘弹性，其典型的变形与压力间的关系如图7-6所示。图7-6弹性，粘弹性和塑变材料的变形与作用压力真实接触面积，A接触压力，NA1A2AB1B2B3BC1C2C3C4CD1D2D3D4DT1T2T3T411纤维间的摩擦面仅与上述压力下的变形有关，而且取决于摩擦体系的几何形态。Pascoe和Tabor[错误!未定义书签。]已进行过这方面的研究，其将直径D为1cm的有机玻璃进行正交放置摩擦试验，摩擦体系如图7-7所示。实验得到接触变形处的圆接面的直径d与正压力N的关系为：7.2dN(7.11)图7-7交叉纤维体在压力下的变形如将钢球作用于各种聚合物材料，也可得到类似的结果。对纤维摩擦体系而言，纤维接触变形的唯一参数是(d/D)，该参数与接触面上的应力分布（或应变分布）相关，因此平均压力必定是(d/D)的函数，即(a)截面图(b)俯视图12）（＝DdfdN4/2假设该函数为幂函数，幂次为x，则有xDdKdN）（＝2，K为常数。所以xxDdKN＋＝2(7.12)与前实验结果式(7.11)相比可得x＝0.7即7.27.0kdND＝(7.13)该式与各种直径的圆形柱体间的摩擦实验结果一致。由于摩擦力为：42minmindAF＝＝由(7.12)代入可得：xxxDkNF＋＋＝2222，k为常数(7.14)在特例中，x＝0.7，则52.074.0DkNF＝,或者：52.026.0DkNNF＝＝(7.15)以上的公式符合锦纶纤维交叉摩擦的结果。图7-8用对数坐标表示52.0/D与N的线性关系，直线的斜率为0.26，说明式(7.15)的理论上的正确。13图7-8锦纶纤维的实验结果图3．绞盘法测量的理论绞盘法是令纤维或纱线通过一圆盘状导杆，当纤维体运动或圆盘转动时，所产生摩擦的体系，其为典型的绕体在一圆柱体的滑移。如图7-9(a)所示，可以是静态的或动态的，见图7-9(b)(c)。(a)绞盘法原理(b)静态绞盘(c)动态绞盘图7-9绞盘法测量原理示意图取盘绕纤维微元的力学平衡方程，可得：loglogT0T1T0T0T0T0T1T1T1T1ddSTT+dTWF14TdNdTF＝＝(7.16)⑴根据Amontons定律的线性表达式NF＝可得最典型的欧拉摩擦系数关系式：eTT＝01(7.17)式中：1T为紧边张力或输出张力；0T为松边张力，或输入张力；为绕体的包围角。⑵Howell计算方法采用前式(7.4)，并由式(7.16)可得方式：)1()1(0)1(1