纤维材料性质

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第二章  纤维材料的机械性质
★纤维材料的机械性质是指纤维材料在受到机械作用时的力学性质。纤维材料的力学性质是表征纤维加工和使用性能极为重要的内容。
★宏观方面，纤维的力学性质是指纤维在各种外力(静态或动态的拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等)作用下的种种行为；
★微观方面，纤维的力学性质则可视为纤维在力场中分子运动的表现。
第一节   拉伸指标
★纤维材料在外力作用下遭到破坏时，主要的和基本的方式是纤维材料被拉断。表示纤维拉伸特征的指标有许多。可以分为与拉伸断裂点相关的指标和与拉伸曲线相关的指标。
一、与断裂点相关的指标
  (一)断裂强力----即纤维材料受外界直接拉伸到断裂时所需的力，是表示拉伸力绝对值的一种指标，其基础单位为牛(N)，衍生单位有厘牛(cN)、毫牛(mN)、千牛(kN)等。
  (二)相对强度---- 拉断单位细度纤维所需要的强力称为相对强度，用以比较不同粗细的纤维拉伸断裂性质的指标。纤维或纱线粗细不同时，其断裂强力也不相同。为了便于比较，可将断裂强力折合成规定粗细时的强力，即相对强度。
★根据折合的标准粗细的规定不同，表示纤维材料相对强度的方式有许多种，最常用的主要有以下三种。
    1．断裂应力----是指纤维单位截面上能承受的最大拉力，单位为N／mm2。由于纺织纤维和纱线的截面形状很不规则，且其中有不少空腔、孔洞和缝隙，其真正的截面积很难求测。因此，在日常生产中，这个指标应用不多。
    2．断裂强度----是指每特(或每旦)纤维所能承受的最大拉力，单位为N／tex(或N／旦)。
    3．断裂长度---单根纤维或纱线延续很长，握持上端，当握持点下悬挂总长内纤维或纱线的自身重力把纤维或纱线自身沿握持点拉断(即重力等于强力)时，这 个长度就是断裂长度。一般断裂长度用L表示，单位为千米(km)。在生产实践中，测定纤维或纱线的断裂长度不使用悬挂法，而是用强力折算出来的。只有当纤 维密度相同时，断裂强度和断裂长度才具有可比性。
   (三)断裂伸长----纤维拉伸时产生的伸长占原来长度的百分率称为伸长率。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。
(四)湿干强度比----  纤维在完全润湿时的强力占在于态(标准大气下)时强力的百分率称为湿干强度比。了解材料润湿后强度的变化状况，可以把握在湿态工艺加工时或洗涤时材料的耐水湿能力。
(五)10％定伸长负荷---- 纤维拉伸lO％时所需要的负荷(力)，专用于棉型化纤，为混纺进行性能匹配时应用的指标。
二、与拉伸曲线相关的指标
(一)纤维的拉伸曲线
1、 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。利用外力拉伸试样，以某种规律不停地增大外力，结果在比较短的时间内试样内应力迅速增大，直到断 裂。表示纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线称为纤维的负荷一伸长曲线。各种纤维的负荷一伸长曲线形态不一，可以通过负荷一伸长曲线的基本形态来分析 纤维的拉伸断裂的特征。
      
图7—1 负荷一伸长曲线     图7—2拉伸曲线相关指标
  (二)初始模量----初始模量是指纤维负荷一伸长曲线上起始一段（纤维基本伸直后拉伸的一段)较直部分的伸直延长线上应力应变之比。初始模量的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。
  (三)屈服应力与屈服伸长率
   1、在拉伸曲线上，图线的坡度由较大转向较小时，表示材料对于变形的抵抗能力逐渐减弱，这一转折点称施服。融屈服点处所对应的应力和伸长率就是它的屈服应力和屈服伸长率。
   2、纺织纤维的拉伸曲线没有明显的屈服点，而是表现为一个区域，一般可用作图法求得。求屈服点的作图法有多种，最常用的是平行线。
   3、屈服点是纤维开始明显产生塑性变形的转变点。一般而言，屈服点高(即屈服应力和屈服伸长率大)的纤维，不易产生塑性变形，拉伸弹性较好，其制品的抗皱性、抗起拱变形等也较好。
   (四)断裂功、断裂比功和功系数
     1．断裂功----是指拉断纤维时外力所作的功，也就是纤维受拉伸到断裂时所吸收的能量。
    2．断裂比功---是指拉断单位线密度(即ltex)、单位长度(即1 mm)纤维材料所需的能量，单位常用N／tex来表示。
3．功系数----是指外力实际所作功与假定功(即断裂强力×断裂伸)之比。功系数值越大，外力拉伸纤维所做的功越多，表明这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强，其制品的使用寿命也就越长。
4．纤维柔顺性系数----
    在英、美等国家经常用到纤维柔顺性系数C这个指标，其意义如下：，C=0，说明曲线是直线形的，这时往往柔顺性差，但还要结合初始模量方可正确判定；C& lt;O，说明曲线是下凹形的，柔顺性好；若C>O，说明曲线是上凸形的，柔顺性较差，但可塑性可能较好，C值越高，可塑性越大。

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第二节  影响拉伸测试结果的因素
一、拉伸断裂机理
(一)纤维的断裂机理 ----纤维受力开始时，首先是纤维中各结晶区之间的非结晶区内长度最短的大分子链伸直，也就是成为接近于与纤维轴线平行而且弯曲最小的大分子(甚至还有 基原纤)。接着这些大分子受力拉伸，使化学键长度增长、键角增大。在这个过程中，一部分最伸展、最紧张的大分子链或基原纤逐步被从结晶区中抽拔出来。这 时，也可能有个别的大分子主链被拉断。这样，各个结晶区逐步产生相对移动，使结晶区之间沿纤维轴向的距离增大，在非结晶区中基原纤和大分子链段的平行度 (取向度)提高，结晶区的排列方向也开始顺向纤维轴，而且部分最紧张的大分子由结晶区中抽拔后，非结晶区中大分子的长度差异减小，受力的大分子或基原纤的 根数增多。
                                       
(1)                (2)                  (3)                (4)
图7—4纤维内部大分子拉伸示意图
    (二)纱线的拉伸断裂机理------纱线的拉伸断裂过程首先决定于纤维的断裂过程。当纱线开始受到拉伸时，纤维本身的皱曲减少，伸直度提高，表现出初始 阶段的伸长变形。这时，纱线截面开始收缩，增加了纱中外层纤维对内层纤维的压力。在用传统纺纱方法纺成的细纱中，任一小段都是外层纤维的圆柱螺旋线长，内 层纤维圆柱螺旋线短，中心纤维呈直线。因而外层纤维伸长多，张力大；内层纤维伸长少，张力小；中心纤维可能并未伸长，还被压缩着。所以，各层纤维受力是不 均匀的。而且细纱外层纤维螺旋角大，内层纤维螺旋角小，因而纤维张力在纱线轴向的有效分力，也是外层小于内层。所以，细纱在拉伸中，最容易断裂的是最外层 的纤维。
1、 短纤纱中外层纤维断裂或滑脱后，最外层纤维对内层纤维的抱合力解除，内层纤维之问的抱合力和摩擦力迅速减小，这就造成了更多的纤维滑脱，未滑脱的纤维随之 将更快地增大张力，因而被拉断。如此，终至细纱完全解体。由于大量纤维滑脱而抽拔出来，这样被拉断的细纱，断口呈现松散的毛笔头似的形状，很不整齐。
2、 长纤维，特别是长丝捻成的细纱或捻度很高的短纤维细纱，纤维不容易滑脱和拔出。这种纱在外层纤维被拉断后，逐次使向内各层纤维分担的张力猛增，因而被拉 断。这时在外层纤维断裂最多的截面上，迅速向内扩展断裂口，终至全部纤维断裂。在这种情况下，被拉断细纱的断口是比较整齐的。
3、多用不同性能的 短纤维混纺的细纱，拉断过程还受其他因素的支配。当混纺原料各组分拉伸断裂伸长能力不同时，必然是断裂伸长能力较小的纤维分担较多的拉伸力，而断裂伸长能 力大的纤维分担较少的拉伸力。在前一种组分的纤维被拉断后，后一种组分的纤维才主要承担外力的作用。因而，混纺纱的强度总比其组分中性能好的那种纤维的纯 纺纱的强度低。
4、膨体丝是利用两种热收缩性相差很大的纤维混纺后进行热收缩，使细纱中热收缩性大的纤维充分回缩，同时迫使热收缩性小的纤维沿轴 向压缩皱曲而呈现膨体特性的。因此，膨体纱中负担外力的属于高收缩纤维，而且各根纤维的张力很不均匀。在膨体纱开始被拉伸时，只有一部分纤维承担外力，其 他纤维皱曲松弛着。当前一种纤维被拉断后，后一种纤维才伸直并承担拉伸力，直至最后被拉断。因此，膨体纱的拉伸断裂强度比传统纱小，而断裂伸长率则较大。
二、影响纤维拉伸断裂强度的主要因素
   (一)纤维的内部结构
1．大分子结构方面的因素
（1）纤维大分子的柔曲性(或称柔顺性)与纤维的结构和性能有密切关系。影响分子链柔曲性的因素是多方面的。一般而言，当大分子较柔曲时，在拉伸外力作用下，大分子的伸直、伸长较大，所以纤维的伸长较大。
（2）纤维的断裂取决于大分子的相对滑移和分子链的断裂两个方面。当大分子的平均聚合度较小时，大分子间结合力较小，容易产生滑移，所以纤维强度较低而伸度较大；反之，当大分子的平均聚合度较大时，大分子间的结合力较大，不易产生滑移，因而纤维的强度
纺丝时冷拉伸聚合度聚合度对强度的影响就较高而伸度较小。
    2．超分子结构方面的因素
    （1）纤维的结晶度高，纤维中分子排列规整性好，缝隙孔洞较少较小，分子间的结合力强，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量都较高，而伸度较小。但结晶度 太大会使纤维变脆。此外，结晶区以颗粒较小、分布均匀为好。结晶区是纤维中的强区，无定形区是纤维中的弱区，纤维的断裂则发生在弱区，因此无定形区的结构 情况对纤维强伸度的影响较大。
（2）取向度好的纤维有较多的大分子平行排列在纤维轴方向上，且大分子较挺直，分子间结合力大，有较多的大分子来承担较大的断裂应力，所以纤维强度较大而伸度较小。    阳   
3．纤维形态结构方面的因素---- 纤维中存在许多裂缝、孔洞、气泡等缺陷和形态结构的不均一等弱点，这必将引起应力分布不匀，产生应力集中，致使纤维强度下降。
(二)温湿度----空气的温湿度影响到纤维的温湿度和回潮率，影响到纤维内部结构的状态和纤维的拉伸性能。
    1．温度----在高温下，内部结构是主导因素；而在低温下，局部缺陷是决定因素。在纤维回潮率一定的条件下，温度高，大分子热运动能高，大分子柔曲性提高，分子问结合力削弱。因此，一般情况下，温度高，拉伸强度下降，断裂伸长率增大，拉伸初始模量下降。
    2．空气相对湿度----相对湿度越大，纤维的回潮率越大，大分子之间结合力越弱，结晶区越丝越。一般情况下，纤维的回潮率大，则纤维的强度降低、伸长率增大、初始模量下降。
（三）纤维根数----进行束纤维测试时，随着纤维根数的增加，测得的束纤维强度换算成单纤维强度时，强力会下降。为此，单纤维的平均强力应进行修正。
   （四）试样长度----由于纤维上各处的截面积并不完全相同，而且各纤维截面纤维各处的强度并不相同，测试时总是在最薄弱处拉断；同一根维试样长度缩短 时，最薄弱环节被测到的机会减少，从而使测试强度的平均值提高。纤维试样截取越短，平均强度将越高。纤维各截面强度不均匀越厉害，试样长度对测得强度的影 响也越大。
(五)拉伸速度---拉伸速度大，测得的强力较大，而伸长也随之变化。为了减小拉伸速度对测试结果所造成的误差，使测试结果具有可比性，应控制强力仪下夹持器以一定速度下降，以保持拉伸至断裂的时间不变。
(六)测试仪器--- 用于测定纤维拉伸断裂性质的仪器称作断裂强力仪。根据结构特点的不同，断裂强力仪主要可分为三种类型：第一种是等速拉伸(牵引)型，如摆锤式强力仪；第二种是等加负荷型；第三种是等速伸长型。不同仪器类型测得的结果没有可比性。
三、影响纱线拉伸断裂强度的主要因素
(一)纤维的性能
1．纤维的长度----纤维长度，特别是长度短于滑脱长度的纤维含量，将使纱线强度随着其含量的增加而下降。
   2．纤维的强度---- 纤维的相对强度越高，纱线的强度也越高。
3．纤维的细度----纤维较细、较柔软，在纱中互相抱合就较紧密，滑脱长度可能缩短，纱截面中纤维根数较多，使纤维在纱内外层转移的机会增加，各根纤维受外力比较均匀，因而成纱强力提高。
    4．其他---- 纤维的表面性能、卷曲、均匀性、初始模量等都会对纱线强伸度构成影响。
   (二)纱线的结构
1、传统纺纱方法所纺纱线的结构对拉伸特性和其他特性的影响也是很大的，最重要的影响因素是纱线的捻度。传统纺纱方法所纺的纱线，随着捻度的增加，开始强度上升，后来又下降，极大值处是临界捻度(捻系数)。
2、 股线捻向与单纱捻向相同时，股线强力随加捻捻度的增加逐渐上升而后下降，其规律与单纱加捻时相似。股线捻向与单纱捻向相反时，开始合股反向加捻使单纱退捻 而结构变松，强度下降。但继续加捻时，纱线结构又扭紧，而且由于纤维在股线中的方向与股线方向的夹角变小，提高了纤维张力在拉伸方向的有效分力，股线反向 加捻后，单纱内外层张力差异减少，外层纤维的预应力下降，使承担外力的纤维根数增加。同时，单纱中的纤维，甚至是最外层的纤维，在股线中单纱之间被夹持， 使纱线外层纤维也不易滑脱而解体。因而股线强度增加，比合股单纱强度之和还大。

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第三节   粘弹体的力学行为特征
    ★纺织纤维是典型的粘弹体，即兼具黏性流动体和刚性体的力学性质，在力学行为上就有了如下特性。
一、三种变形---- 纤维在拉伸时会产生三种变形，即急弹性变形、缓弹性变形和塑性变形。
    (一)急弹性变形--- 急弹性变形即在外力去除后能迅速恢复的变形。变形和恢复所需要的时间都很短。
    (二)缓弹性变形----即外力去除后需经一定时问后才能逐渐恢复的变形。变形时间较慢，但变形的恢复时间将会更长。
    (三)塑性变形----指外力去除后不能恢复的变形。塑性变形是在外力作用下纤维大分子链节、链段发生了不可逆的移动，且可能在新位置上建立了新的分子问连接，如氢键。
    ◆纤维的三种变形，不是逐个依次出现而是同时发展的，只是各自的速度不同。急弹性变形的变形量不大，但发展速度很快；缓弹性变形以比较缓慢的速度逐渐发 展，并因分子间相互作用条件的不同而变化甚大；塑性变形必须克服纤维中大分子问更多的联系作用才能发展，因此塑性变形更加缓慢。
◆测试条件：利用 强力仪测定；定负荷值为断裂负荷的25％；负荷维持时间4 h，卸荷后3 s读急弹性变形量，休息4 h后读缓弹性变形量和塑性变形量；温度20℃，相对湿度65％。二、纤维的蠕变和应力松弛----对于由高聚物构成的纺织纤维在外力作用下变形时，其变形 不仅与外力的大小有关，同时也与外力作用的延续时间有关。粘弹体兼具了这两种特性，它具有蠕变和应力松弛两种现象。
    (一)纤维的蠕变现象-----纤维在恒定的拉伸外力条件下，变形随着受力时间而逐渐变化的现象称为蠕变。
    (二)纤维的应力松弛----在拉伸变形恒定的条件下，纤维的内应力随着时间的延续而逐渐减小的现象称为应力松驰。
    ★纤维材料的蠕变和应力松弛是一个性质的两个方面，其实质都是由于纤维中大分子的滑移运动所引起的。蠕变是由于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(黏性流动)。应力松弛是由于纤维发 生变形而具有了内应力，大分子在内应力作用下逐渐自动皱缩(这是弹性的内因)，取得卷曲构象(最低能力状态)，并在新的平衡位置形成新的结合点，从而使内 应力逐渐减小，以致消失。
三、纤维的弹性与疲劳
  (一)纤维的弹性----是指纤维变形及其回复能力。弹性回复率可以表示变形的回复能力，它是指弹性变形占总变形的百分率。
1、弹性回复率的大小受到加负荷情况、负荷作用时间、去负荷后变形恢复时间、环境温湿度等因素的影响，在实际应用中都是在指定条件下测试的，条件不同，结果没有可比性。
2、 弹性回复能力还可以用弹性功率回复率来表示。当测试条件相同时，弹性功率越大，表示其弹性越好。纤维变形恢复能力是构成纺织制显，与制品的耐磨性、寸稳定 性都有很密切的关系，因此弹性回复率和弹性功恢复率是一种确定纺织加工工艺参数极为有用的指标。弹性大的纤维能够很好地经受拉力而不改变其构造，能够稳定 地保持本身的形状，且经久耐用，用这种纤维做成的制品，同样不失掉它本身的形状。
   (二)影响纤维弹性的因素
    1．纤维结构的影响----如果纤维大分子间具有适当的结合点，又有较大的局部流动性，则其弹性就好。局部流动性主要取决于大分子的柔曲性，适当的结合点 取决于结晶度和极性基团的情况。结合点太少、太弱，易使大分子链段产生塑性变形；结合点太多、太强，则会影响局部流动性。   
2．温湿度的影响----几乎所有的纤维都会随惹温度的升高而弹性增加，但相对湿对对纤维的弹性回复率的影响因纤维而异。
3、 其他测度条件的影响-----在其他条件相同时，定负荷值或定伸长值较大时，测得的纤维弹性回复率较小。加负荷持续时间较长时，纤维的总变形量较大，塑性 变形也有充分的发展，测得的弹性回复率就较小。去除负荷后休息时间较长时，缓弹性变形回复得比较充分，因而测得的弹性回复率就较大。所以，要比较纤维材料 的弹性，必须在相同的条件下比较，而且结果只能代表此条件下的优劣，即定负荷值或定伸长值较小时的结果不能代表定负荷值或定伸长值较大时的结果。
   (三)纤维的疲劳---- 纤维在小负荷长时间作用下产生的破坏称为“疲劳”。根据作用力的形式不同可以分为静止疲劳和动态疲劳。
    1．静止疲劳----是指纤维被施加一不大的恒定拉伸力，经一定时间后所产生的疲劳。开始施力时，纤维变形迅速增长，接着呈现较缓慢的逐步增长，然后变形 增长趋于不明显，达到一定时间后纤维在最薄弱的一点发生断裂的现象。这种疲劳也叫蠕变破坏。当施加的力较小时，产生静止疲劳所需的时间较长。温度高时容易 疲劳。
    2．动态疲劳----  动态疲劳是指纤维经受反复循环地加上负荷、去除负荷作用下产生的疲劳。两种纤维在相同拉伸应力条件下，粘胶纤维每一循环的拉伸净功比棉纤维大得多，即每一循环拉伸对粘胶纤维的破坏较大，因而粘胶纤维承受重复拉伸的次数较少，耐疲劳性差。
   3、 如果纤维在经受外力作用后，创造卸除载荷和停顿的条件，就能获得更长的使用寿命；尤其是在回缩和停顿过程中，如果能创造使缓弹性变形回缩得更多的条件(如 在水湿或略高温度的条件下)，则会使结构破坏部分的恢复和修补更多些。这就是在一定条件下衣服勤换勤洗比较耐穿的原因。
    4、当定伸长或定负荷量较大时，每一次循环拉伸所做的拉伸功较大(材料内部结合能消耗也较大，受到的破坏也较大)，材料将在不多次循环后即因内部结合能消 耗到一定程度而被拉断；反之，每次定伸长或定负荷量较小时，材料将能承受较多次数的重复拉伸。重复拉伸过程中，每一循环新增加的塑性变形量是随拉伸循环次 数的增多而越来越小的。当每次拉伸变形量很小，而材料本身弹性回复率和拉伸功率恢复系数又较大时，拉伸循环到一定次数以后，每增加一次
5、拉伸循环所增加的塑性变形量就小到几乎测不出来。从这时开始，拉伸一回缩曲线几乎每一循环都重叠在一起，几乎呈现完全弹性的伸缩运动，每次拉伸外力对纤维所做的功，几乎全部在回缩中被抵消。近似地可以认为纤维几乎不会再被破坏。

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好大篇幅 LZ辛苦啊