纤维和纱线的力学性质

第九章纺织纤维和纱线的力学性质概言是其具有使用价值的重要条件。1.纺织纤维具有适当的力学性质能经受纺织加工和使用过程中各种力的作用。是使成纱和织物具有一定强力的重要来源拉伸与压缩受力形式是拉伸加工2、纺材在中的受力形式弯曲与压缩，而最多承受的破坏形式是磨擦－磨损使用抱合与摩擦小负荷下的反复受力－疲劳特性3、影响纤维性质的关键在于内部结构，而对于纱线，其性质既取决于原料纤维的性质，又取决于纱线本身的结构。所以影响纱线性质的因素较纤维复杂得多。第一节纤维和纱线的拉伸性质一、一次性拉伸断裂指标及互换计算指的是在断裂负荷的作用下，一次拉断纤维和纱线时所对应的指标。变形性指标强度指标互换计算二、拉伸曲线及有关指标负荷-伸长曲线：纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线。曲线的横纵坐标皆为绝对指标，所以只能用来比较相同尺寸的纤维和纱线的拉伸性质，而对不同长度和粗细的试样无可比性。(一)、两种形式的拉伸曲线1－250旦粘胶长丝2－30旦锦纶长丝应力-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。曲线的横纵坐标皆为相对指标，在相对负荷的单位统一的条件下，对同品种不同尺寸的纤维和纱线的拉伸性质，具有可比性。（断裂应力可以用在不同的品种。）1－250旦粘胶长丝2－30旦锦纶长丝二、拉伸曲线及有关指标拉伸曲线是纤维和纱线拉伸过程中，由绘图装置记录下的上述两种曲线的通称，它充分揭示了纺材所有的拉伸性质：起始段ob近似直线，外力很小时，应力－应变之间近似符合“虎克定律”，过b点后。曲线随不同性质的纤维、纱线呈各种性状的弯曲（应力－应变之间有不同的函数关系），从而反映了不同性质的纤维或纱线有各自不同的结构。b点称为屈服点。(二).从拉伸曲线可获得的指标及概念1.断裂强力（或断裂强度）2.断裂伸长（或断裂伸长率）3.初始模量E—指纤维负荷-伸长曲线上起始一段直线部分的斜率，应力应变曲线上，反映为曲线起始段的斜率。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大——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小——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(二).从拉伸曲线可获得的指标及概念4、屈服强伸度屈服点—曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点。其对应的强伸度称为屈服强伸度。屈服强伸度为相对指标，对同品种不同粗细的材料具有可比性。意义：屈服点是从大部分是弹性变形→大部分是塑性变形的转折点。以前的伸长变形是弹性变形，屈服点以后的变形是塑性变形。屈服点高，纤维的弹性好。5．断裂功、断裂比功和功系数（1）断裂功W—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。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。断裂功与试样的尺寸密切相关，因未结合尺寸因素，所以只能比较同品种相同尺寸材料的断裂功的大小。0laWPdl断裂功与试样的尺寸密切相关，因未结合尺寸因素，所以只能比较同品种相同尺寸材料的断裂功的大小。（2）断裂比功Wa—指拉断单位细度、单位长度纤维或纱线外力所作的功。Wa=W/(Ntex*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。（3）功系数We—指实际所作功（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之间。小结拉伸曲线可以全方面揭示纤维和纱线受拉伸的全过程，既可以揭示拉伸全过程中某一时刻的受力情形，还可以描述断裂时刻的受力情况，从中可获得反映材料刚性的指标E、弹性的指标（屈服点b）、坚韧性指标（W、Wa、We）和断裂伸长性指标（）。,,,PLp三、纤维的拉伸断裂机理及影响因素（一）、纤维的拉伸断裂机理纤维受力时，首先是纤维中各结晶区之间无定形区中的长度最短的大分子链伸直并沿纤维轴向排列，取向度提高。接着这些大分子受拉力，键长、键角增大，使大分子伸长。在此过程中，一部分伸直、紧张的大分子可能被拉断，也可能逐步地从结晶区中抽拔出来，此时结晶区逐步产生松动（结晶区在纤维中地取向度提高），→晶区大分子间作用力被破坏，产生滑移，使纤维断裂。纤维受拉→无定形区大分子伸直→键长键角增大，大分子伸长→部分分子拉断或抽拔出来→大分子断裂，大分子相互滑移→纤维断裂。纤维的断裂主要是无定型区大分子地断裂和结晶区大分子之间结合力地破坏而引起的。纤维伸长是由于大分子的伸直、伸长（键长键角的增大），取向度的提高以及克服了大分子之间的结合力后的滑移而引起的。（二）、影响纤维强伸度的因素内因1、一次结构：主链上主价键能的大小及均衡性，大分子上有无极性集团。聚合度：大分子的平均聚合度较大时，纤维强度较高而伸长较小，当聚合度增加到一定程度时，强伸度的变化渐趋不明显。柔曲性：大分子柔曲性好时，纤维伸长较大。2、超分子结构：结晶度；结晶区大分子间的结合力大，故强度较高而伸长较小，但结晶度太大会使纤维变脆。取向度：取向度好的纤维由于大分子较伸直，分子间结合力大，又沿纤维轴向排列，所以强度较大而伸长较小。3形态结构：裂缝、孔洞和形态结构的不均一性。缝隙空洞的存在使纤维强度下降，纤维截面粗细不匀，皮芯结构不匀、大分子和超分子结构不匀时，使强度下降。（1）温湿度随着温度的提高，纤维的强度下降而伸长增大；温度升高，大分子获得外部能量，产生相对运动,柔曲性提高，分子间结合力减弱，强力减小，伸长增加。随着相对湿度的提高，一般纤维，强度下降而伸长增大；棉、麻纤维强度增大伸长增大。（2）试验条件试样长度：试样长度长，测得的强度较低。原因是：纤维越长，出现最薄弱环节的几率越大，而断裂就发生在弱环处。试样根数：随着试样根数增加，测得的束纤维强度折算成单纤维强度会下降。原因是：各根纤维断裂强度不同，断裂伸长率不同，在纤维中的伸直状态也不相同，造成不同时断裂，所以平均单纤维强力减小。拉伸速度：拉伸速度大，测得的强力较大而伸长较小。其原因是：速度大，意味着拉断经历的时间短，大分子还未来得及滑脱，承受拉力的根数多，所以强力高。外因四、纱线的拉伸断裂机理及影响因素（一）、纱线的拉伸断裂机理当纱线受到轴向拉伸时，长丝纱线外层纤维最为倾斜，所以比较伸直和紧张，因此，外层纤维先被拉断，然后由内层纤维承受拉力，直至断裂，存在断裂不同时性。此外，纱线中纤维的伸长能力、强力不一致也会造成断裂的不同时性。短纤维纱受拉伸外力作用时，除存在上述情况外，还有一个纤维间相互滑移的问题。F1F2MF加捻受力产生向心力短纤维纱纱线纤维倾斜纤维间产生一定的（二）、影响纱线断裂强伸度的因素外因（1）温湿度（2）试验条件:长度、根数和速度内因1、原料纤维的性质：（1）纤维长度和长度不匀率：纤维长度↑，长度不匀率↓----滑脱纤维数量↓，纱强↑（2）纤维细度：纤维细度↑，细度不匀率↓，纱强↑。（3）纤维强力与强力不匀率：纤维强力↑，强力不匀率↓，则纤维断裂不同时性↓，纱强↑。2、纱线本身的结构：纱线结构对强伸度的影响主要反映在捻度。（1）纱线细度→可容纳纤维的根数（决定了纤维强力之和与摩擦力的大小）。（2）纱线的条干均匀度→弱环。（3）捻度的影响（积极、消极以及临界捻系数）：捻度↑，纱强力↑，临界捻度时，纱强力最大，捻度↑＞T临界后，强力下降↓。（4）纱中纤维的配置情况：3.混纺纱中混纺比对纱线强度的影响由于混纺纤维品种间存在性质差异，特别是伸长能力的差异，影响纱线中纤维的断裂同时性不同，从而影响混纺纱强度。为了简化问题的分析，假定只考虑纱的断裂是由于纤维断裂而引起的（无滑脱），混纺纱中纤维的混合是均匀的且同粗细。混纺纱的断裂强度按混纺纱所能承受的最大负荷来表示，在此假设下来分析两组分混纺纱的三种典型情况：涤纶羊毛PP涤纶羊毛拉伸曲线可见2）、两种纤维的断裂伸长率差异很大，以涤纶和棉纤维为例，变形能力小的纤维的断裂强力大于在此变形下变形能力大的纤维的强力。涤纶棉纤维PP涤纶棉纤维CT/C()CTCTPPP从图中可知：变形下的张力P纱线受拉伸时，呈现两个阶段，首先是变形小的纤维受力而断，然后是变形能力大的纤维受力而断。