纺织纤维的力学性质.ppt

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：=P/S式中：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：,3.断裂伸长率,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：=（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,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100%，而棉麻等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。,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。,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,C0，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）C0，曲线下凹，柔顺性好，如聚酰胺纤维；C0，曲线上凸，柔顺性较差，但可塑性可能较好。,三、常用纺织纤维的拉伸曲线,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12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,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）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：3mm,拉伸速度：测得的强力较大而伸长较小通常：100隔距长度/min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,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515s）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25min)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/Aoae,3.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。,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,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。外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛也增加,.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，最后被破坏的现象。疲劳形式有：蠕变（静止疲劳）、重复伸长、重复压缩、重复弯曲及重复扭曲（动态疲劳）。,纤维的多次拉伸循环,纤维的重复拉伸疲劳图,2.指标(1)纤维在一定条件下拉伸至断裂时，所经历的循环次数（耐久度或坚牢度）；(2)经过一定负荷、一定次数的反复作用，测其剩余伸长的大小。3.纤维结构和性能与疲劳的关系(1)纤维材料拉伸断裂功大，弹性回复性好，耐疲劳；纤维的结构缺陷少，耐疲劳；材料的内耗越小，不易老化，耐疲劳。(2)试验条件反复加减小负荷，停顿时间短，卸负荷停顿时间长，耐久度提高。,第三节纤维的摩擦性质,*纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起球、耐磨和抗皱等有关与纺纱工艺的关系：摩擦现象贯穿于整个纺纱过程；与纱、布关系：有了摩擦力，纱、布才具有一定价值；与磨损的关系：纤维、机件被磨损，降低了使用价值；与发热的关系：高速缝纫可能达300C，使缝针弯曲，缝线熔融；与静电的关系：摩擦起静电，静电聚集，干扰纺纱工艺正常进行，特别是化纤。,一纤维的摩擦、抱合和切向阻力,1.摩擦力F2定义：纤维之间或纤维与机件之间，在一定正压力作用下，作相对滑动时所产生的阻力。,2.抱合力F1定义：纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时产生的切向阻力。（因为纤维具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，且细长柔软；纤维必须具有一定的抱合力，棉卷、棉条才具有一定强力，纺纱工艺才能顺利进行）,纤维的切向阻力：切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2N=F1+fN切向阻抗系数=F1/N+f,二纤维摩擦抱合性质的指标与测试,1.抱合力的指标与测定（1）抱合系数h(cN/cm)定义：单位长度纤维上的抱合力。测试方法：从没有法向压力的纤维条中夹取一根纤维，测定出这根纤维所需的力F1（cN，即抱合力）和纤维的长l（cm）的比值。h=F1/L,2）抱合长度Lh(m)定义：纤维条的自身重力等于其强力（即抱合力）时所具有的长度。方法：将纤维制成一定规格的没有法向压力的纤维条，在强力仪上以大于纤维长度的适当上下夹持距离拉断，测得它的强力和纤维条的特数Lh=F1/Ntex式中：F1纤维条的强力(gf)Ntex纤维条的特数,影响纤维抱合力的因素：纤维的几何形态（表面结构、纤维长度、卷曲度）；排列形状；刚柔性；表面油剂；温湿度；纤维卷曲或转曲多，细长而较柔软抱合力较大,几种纤维的抱合性能,2切向阻抗系数的测定绞盘法测定纤维与纤维，纤维与金属、陶瓷等其它材料间摩擦的切向阻抗系数。,Y151型摩擦系数测定仪,影响切向阻抗系数的因素,1.纤维表面的性质*截面为非圆形的纤维的不易变形纤维的,2.化纤油剂的影响,化纤不上油，干摩擦时切向阻抗系数大上油少（油膜在纤维表面形成单分子层)上油多（属液体摩擦，与油的粘度有关）因为与上油量有关在一定范围内，上油量，；超过一定量后，上油量，。油剂不仅可降低纤维比电阻，改善抗静电性能，还能增进纤维间抱合，增加平滑，降低纤维表面的。,3.法向压力的影响主体趋势下降4.滑动速度的影响由静到动，不稳定，而后随滑动速度，到一定的v时稳定。合纤在低速时，存在粘滑现象，变化较大。一般测动，希望>3m/min以上。,5.温湿度的影响温度：T变化引起油剂变化纤维性能变化随着T，；合纤到一定温度数值时，随着T，（油剂挥发）。湿度：RH%，则（v，E）当RH%=100%时，最大。（接触面积）加工中RH%必须加以控制，太湿，加工困难；太干，发脆,第四节纤维的弯曲、扭转与压缩特性,一、纤维的弯曲,纤维弯曲时的变形与破坏,1.纤维弯曲时受力情况：,外侧受拉，伸长内侧受压，压缩,2.纤维抗弯刚度Rf,定义：纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力。公式：Rf=Er2f/4式中：r实际截面积折算成正圆形时的半径（mm）E纤维的弯曲弹性模量（cN/cm2）f截面性状系数（它等于实际的惯性矩与正圆形截面惯性矩之比）,Rf大纤维不易弯曲，不易成圈编织，耐磨性差，特别是曲磨，其织物较挺爽，有身骨。Rf小纤维易产生弯曲，易于成圈编织，其织物较软糯。常用纤维Rf由大到小的次序为：苎麻玻纤涤纶富纤腈纶维纶蚕丝棉锦纶羊毛,3.纤维的钩接和打结强度,纤维的断裂伸长率越大，其钩接和打结强度越大。,二、纤维的扭转,抗扭刚度Rt：纤维抵抗扭转变形的能力。Rt=Et*Ip式中：Et剪切弹性模量；Ip截面极惯性矩。Rt大加捻时阻力较大，易遭到破坏或产生塑性变形，且有较强的退捻趋势。,各种纤维的扭转性能,三、纤维的压缩,单根纤维沿轴向的压缩性能，由于测量方面的困难，至今研究不多。纤维集合体的压缩主要表现在横向的受压。例如：在纺织加工中加压罗拉间的受压，经纬纱交织点处的受压，纺织制品打包时的受压。纤维受横向压缩后，在压缩方向被压扁，在受力垂直方向上则变宽。,纤维集合体在受强压缩条件下，纤维相互接触出现明显的压痕，压力严重时出现纵向劈裂。纤维集合体加压再去除压力后，纤维集合体体积逐渐膨胀，但一般不能恢复到原来的体积。因此棉花打包有密度限制。,总结,纤维拉伸指标纤维拉伸机理及影响因素纤维的力学性质作业,作业：,1.名词解释应力松弛、疲劳2.试分析影响纤维拉伸断裂的因素。3.纤维被拉伸后会产生哪三种变形？其特征如何？,低速和高速之比,返回,