新型纖維材料-纖維性能基本知識

1、第一章第一章 纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)特征纖維的弱節(jié)結(jié)構(gòu)特征1弱節(jié)的定義與內(nèi)涵弱節(jié)的定義與內(nèi)涵o 纖維弱節(jié)的概念，由Peirce最早提出，但只是指在指在力學(xué)性質(zhì)上較弱部位力學(xué)性質(zhì)上較弱部位。o 而這種力學(xué)性質(zhì)上的弱點，必然與該部位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，故又稱其為“結(jié)構(gòu)弱節(jié)結(jié)構(gòu)弱節(jié)”或“形態(tài)弱節(jié)形態(tài)弱節(jié)”。o 纖維的結(jié)構(gòu)弱節(jié)是指纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)中和外觀形態(tài)上纖維的結(jié)構(gòu)弱節(jié)是指纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)中和外觀形態(tài)上存在著明顯的結(jié)構(gòu)不均勻性和缺陷。存在著明顯的結(jié)構(gòu)不均勻性和缺陷。o 形態(tài)弱節(jié)則是指纖維明顯的幾何細(xì)頸部位，纖維生形態(tài)弱節(jié)則是指纖維明顯的幾何細(xì)頸部位，纖維生長或加工過程中的缺陷，以及纖維受自然和人為作長或加工過程中的缺

2、陷，以及纖維受自然和人為作用的損傷處用的損傷處。弱節(jié)分類： o 一是纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱節(jié)纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱節(jié)，一般采用電子顯微術(shù)和微區(qū)電子衍射和X射線衍射技術(shù)分析，但弱節(jié)區(qū)域太小太少，尋找與觀察都極為困難。 o 二是形態(tài)細(xì)節(jié)或細(xì)頸形態(tài)細(xì)節(jié)或細(xì)頸，即纖維生長的較細(xì)部位，這類特征大都采用纖維輪廓測量法來表征。 o 三是自然侵蝕和人為損傷的形態(tài)結(jié)構(gòu)缺陷自然侵蝕和人為損傷的形態(tài)結(jié)構(gòu)缺陷，采用SEM觀察。2纖維弱節(jié)的特征（以羊毛纖維為例）纖維弱節(jié)的特征（以羊毛纖維為例）o (1) 纖維的細(xì)節(jié)：纖維的細(xì)節(jié)： 實際觀察結(jié)果如SEM照片所示，細(xì)節(jié)的主要特征是纖維均勻、逐漸地由粗變細(xì)，再由細(xì)變粗的形態(tài)。其變細(xì)的速度

3、不同，如圖 (a)(b)所示的其間差別。一般逐漸變細(xì)、變粗是羊毛形態(tài)的正常觀象，其很難構(gòu)成羊毛真正意義上的弱節(jié)。對圖 (c)所示的快速變細(xì)的形態(tài)，有可能構(gòu)成纖維的弱節(jié)。o (2) 天然生長的形態(tài)缺陷：天然生長的形態(tài)缺陷： 羊毛纖維天然生長中的缺陷如圖所示，如圖 (a)所示的纖維表面風(fēng)蝕部位；圖 (b) 的鱗片鼓脹和受損點；圖 (c)纖維局部畸形變化。 o (3) 人為加工中的損傷：人為加工中的損傷： 人為的機械作用，對纖維形成損傷，其損傷形式主要如圖所示。圖中(a)為纖維受大曲率的彎曲和擠壓作用結(jié)果；(b)為平壓的壓扁結(jié)果；(c)為銳器損傷的變形等的損傷。纖維的機械作用損傷，會造成纖維形態(tài)的劇

4、烈畸變和纖維強伸性的衰減。 o (4) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷：內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷：纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷是一個很難確切發(fā)現(xiàn)和表征的結(jié)構(gòu)部位，尤其是微區(qū)結(jié)構(gòu)弱節(jié)，即導(dǎo)致纖維破壞的應(yīng)力集中點，或裂紋導(dǎo)致纖維破壞的應(yīng)力集中點，或裂紋與缺陷與缺陷。通常的內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱節(jié)是以定性的方式來描述，即纖維兩相結(jié)構(gòu)中纖維兩相結(jié)構(gòu)中的無序低密和無縛結(jié)分子的部位；或纖維微細(xì)組織結(jié)構(gòu)中，組織塊間的的無序低密和無縛結(jié)分子的部位；或纖維微細(xì)組織結(jié)構(gòu)中，組織塊間的間隙和孔洞；以及晶格結(jié)構(gòu)中的缺陷與錯位間隙和孔洞；以及晶格結(jié)構(gòu)中的缺陷與錯位。故較多的研究與表征是針對纖維的斷裂面特征。如圖滌綸纖維（a）纖維表面的裂紋或缺陷引起的“V”字漏斗形加平面

5、斷口，以及圖（b）纖維結(jié)構(gòu)的缺陷引起的多階梯加滑移面的斷裂端。3. 纖維弱節(jié)結(jié)構(gòu)的表征纖維弱節(jié)結(jié)構(gòu)的表征o （1）纖維弱節(jié)的力學(xué)特征）纖維弱節(jié)的力學(xué)特征o 纖維在外力作用下會伸長并最終斷裂，纖維在外力作用下會伸長并最終斷裂，這種斷裂不是發(fā)生在纖維的最細(xì)部位，就是這種斷裂不是發(fā)生在纖維的最細(xì)部位，就是斷裂在結(jié)構(gòu)缺陷處?？傊w維的斷裂總是斷裂在結(jié)構(gòu)缺陷處。總之，纖維的斷裂總是發(fā)生在纖維的最弱部位。發(fā)生在纖維的最弱部位。o 纖維力學(xué)行為可分為均勻結(jié)構(gòu)相的力纖維力學(xué)行為可分為均勻結(jié)構(gòu)相的力學(xué)行為，稱為學(xué)行為，稱為“正常拉伸斷裂正常拉伸斷裂”；和缺陷結(jié)；和缺陷結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，稱構(gòu)的力學(xué)行為，稱“結(jié)構(gòu)弱

6、節(jié)拉伸斷裂結(jié)構(gòu)弱節(jié)拉伸斷裂”。o 傳統(tǒng)討論中有意識、或無意識地較多地關(guān)注纖維的正常斷裂過程和指標(biāo)，其原因是：o 人們很少真正地測量纖維的應(yīng)力，而是纖維的受力值與纖維平均直徑的相對比值；o 纖維弱節(jié)的幾何尺寸對整個纖維來說太小、太隱蔽，而纖維的斷裂，卻實實在在地是由于這些極小部分的作用而致；o 纖維弱節(jié)的最主要表現(xiàn)為纖維的力學(xué)性能的退化。o 因此在理論和實踐上，最方便和最直接的方式是以纖維的力學(xué)行為來表征其弱節(jié)的特征和弱節(jié)以纖維的力學(xué)行為來表征其弱節(jié)的特征和弱節(jié)量量。o 右圖為羊毛不同斷裂行為的拉伸曲線 。o 顯然，纖維弱節(jié)斷裂應(yīng)力和應(yīng)變低于圖中的臨界應(yīng)力和臨界應(yīng)變。這一曲線特征和臨界應(yīng)力、應(yīng)變

7、值，可用于纖維弱節(jié)和非弱節(jié)（正常）斷裂的判斷。 cri cri 完整 曲線 非完整 曲線 0 （2）纖維弱節(jié)斷裂的判定準(zhǔn)則與方法）纖維弱節(jié)斷裂的判定準(zhǔn)則與方法o 纖維弱節(jié)斷裂的判斷準(zhǔn)則，即為上面提纖維弱節(jié)斷裂的判斷準(zhǔn)則，即為上面提到的纖維的臨界應(yīng)力，或臨界比強度到的纖維的臨界應(yīng)力，或臨界比強度 (cN/tex)和臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)變。o 由纖維的實際斷裂應(yīng)力（或比強度T）和斷裂應(yīng)變，以及其拉伸曲線的特征，便可判斷纖維是弱節(jié)斷裂，還是正常斷裂，并可計算纖維弱節(jié)斷裂的概率。o 由于實測中可以測得纖維沿其長度方向上的粗細(xì)輪廓圖。由此可以分出纖維斷裂的部位，最細(xì)點處斷最細(xì)點處斷裂和非最細(xì)點處斷裂。根裂和

8、非最細(xì)點處斷裂。根據(jù)其實際斷裂部位的粗細(xì)據(jù)其實際斷裂部位的粗細(xì)值可以換算得纖維的截面值可以換算得纖維的截面面積或線密度值，求出纖面積或線密度值，求出纖維的實際斷裂應(yīng)力（或比維的實際斷裂應(yīng)力（或比強度強度T）和斷裂應(yīng)變值，）和斷裂應(yīng)變值，從而給出纖維弱節(jié)的特征從而給出纖維弱節(jié)的特征和比例的綜合評價。和比例的綜合評價。 第二章第二章 纖維的浸潤性質(zhì)纖維的浸潤性質(zhì)一概述一概述o 纖維的浸潤，或稱纖維的潤濕，是指纖維與液纖維的浸潤，或稱纖維的潤濕，是指纖維與液體發(fā)生接觸時的相互作用過程，其包括兩類現(xiàn)象。體發(fā)生接觸時的相互作用過程，其包括兩類現(xiàn)象。o 一是纖維與液體的平衡浸潤，一是纖維與液體的平衡浸潤，

9、即當(dāng)液體與纖維表面接觸后，其狀態(tài)基本上不發(fā)生變化而保持穩(wěn)態(tài)的浸潤，故又稱作靜態(tài)浸潤。o 二為纖維的非平衡浸潤，二為纖維的非平衡浸潤，即液體與纖維接觸后，整個浸潤過程中的液固界面在不斷地擴(kuò)展，固、液、氣交匯點在不斷移動，此又稱為鋪展浸潤，或動態(tài)鋪展浸潤，或動態(tài)浸潤浸潤。o對于平衡態(tài)浸潤，可以由Young-Dupr方程直接描述o 式中， 為表面張力，為單位長度上的作用力；下標(biāo)S，L，V分別表示固、液、氣態(tài)；為接觸角，如圖所示。一般常用接觸角或cos 來表示材料的浸潤性，即：cosLVSLSVLVSLSVcoso 對于非平衡浸潤，即鋪展過程，其在理論上已轉(zhuǎn)化為氫鍵或化學(xué)鍵作用的吸附過程，故Young

10、-Dupr方程在理論表征和描述上就不適合了。o 但實用測量中一般采取擴(kuò)展速度擴(kuò)展速度的動態(tài)測量方法來描述其特征。o 浸潤對于單一纖維，或單一表面，可以用上述現(xiàn)象和說法來解釋，但面對纖維集合體或多表面靠近，或多孔材料時，即便是原平衡態(tài)的浸潤，也會變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)特征的浸潤，即氣、液、固交匯點非平衡態(tài)特征的浸潤，即氣、液、固交匯點A，會，會發(fā)生長時間的移動，稱為芯吸發(fā)生長時間的移動，稱為芯吸(wicking)。o 因此，浸潤過程對纖維集合體和多孔材料來說，浸潤過程對纖維集合體和多孔材料來說，浸潤過程不僅依賴其平衡態(tài)的特征參數(shù)和表面性質(zhì)，浸潤過程不僅依賴其平衡態(tài)的特征參數(shù)和表面性質(zhì)，而且取決于多孔材料的

11、幾何特征。而且取決于多孔材料的幾何特征。o二纖維的平衡浸潤性二纖維的平衡浸潤性o1接觸角接觸角o接觸角接觸角，是指氣液切面與固液界面間，含液體的夾角。，是指氣液切面與固液界面間，含液體的夾角。o接觸角接觸角的大小，可以將浸潤分為幾種情況：的大小，可以將浸潤分為幾種情況：o當(dāng)當(dāng)0時，為完全浸潤，或稱鋪展；時，為完全浸潤，或稱鋪展；o 090時，為可浸潤，或稱正浸潤時，為可浸潤，或稱正浸潤o90時，為零浸潤；時，為零浸潤；o 90后。A點前進(jìn)或有前進(jìn)趨勢；B點為后退或有后轍趨勢。o 前進(jìn)、后退角的差值，反映纖維纖維浸潤的滯后性浸潤的滯后性。bao 粗糙表面浸潤：粗糙表面浸潤：當(dāng)液滴作用于粗糙表面時

12、的宏觀接觸角會發(fā)生跳躍性變化，其變化的原因如圖所示。o 實際A、B液滴為同一液體，固體物質(zhì)也為均質(zhì)材料，只只是表面起伏，導(dǎo)致表觀接觸是表面起伏，導(dǎo)致表觀接觸角角，而微觀點的各接觸角微觀點的各接觸角。根據(jù)液體在粗糙表面的可浸根據(jù)液體在粗糙表面的可浸潤面積的增大，粗糙系數(shù)潤面積的增大，粗糙系數(shù)r為為粗糙表面積（實際的）和光滑表面積（表觀的）之比 1表觀實際AAro r恒大于等于1。o 如果纖維為可浸潤時，維為可浸潤時， ，則粗糙表面，則粗糙表面的接觸角值小于真正的接觸角值。即越粗糙的接觸角值小于真正的接觸角值。即越粗糙越易浸潤。反之，越易浸潤。反之， 時，時， 成立，即成立，即越粗糙越難浸潤。所以

13、微觀粗糙表面的粗糙越粗糙越難浸潤。所以微觀粗糙表面的粗糙度（粗糙系數(shù)）對潤濕性有較大作用。度（粗糙系數(shù)）對潤濕性有較大作用。22rcoscosrrLVSLSVro 不同組分的表面浸潤：不同組分的表面浸潤：即液滴對表層結(jié)構(gòu)或組成液滴對表層結(jié)構(gòu)或組成不同區(qū)域的同時浸潤，但不同區(qū)域的同時浸潤，但表面仍為光滑的表面表面仍為光滑的表面。o 如圖，在宏觀尺寸較大時接觸角值也會產(chǎn)生跳動。當(dāng)不同組份的區(qū)域趨向于微觀化時，A、B兩組份所形成的與的差異和跳動將趨向一個穩(wěn)態(tài)值。o 若已知A，B組份的面積分?jǐn)?shù) fA或fB，因為 fA + fB =1，則根據(jù)線性迭加方法，可求得為多組份混合表面的接觸角值為多組份混合表面

14、的接觸角值 ：)()(cosLSVSBLSVSALVBBAAffBBAAmffcoscoscosm2粘著功粘著功Wo 描述固體與液體相互作用的基本力學(xué)參數(shù)。其反映單位描述固體與液體相互作用的基本力學(xué)參數(shù)。其反映單位面積上的總的吸附能，是固液相互物理化學(xué)作用的綜合值面積上的總的吸附能，是固液相互物理化學(xué)作用的綜合值。o 粘著功可以對兩個浸潤性不同的體系作出更為明確的描述，因為其僅僅表示固體與液體之間的純的粘著作用。o粘著功粘著功可以用一般的熱力學(xué)量定義，并由Dupr方程表達(dá)o 同樣地，一種液體，或一種固體，與其本身的相應(yīng)結(jié)合，用內(nèi)聚功內(nèi)聚功來表示（WLL或WSS），其值由式可得，為其表面張力的兩

15、倍，即：o SLSVLVSLWSVSSLVLLWW22；或三纖維的鋪展浸潤三纖維的鋪展浸潤o 當(dāng)接觸角為零時的浸潤，為非平衡態(tài)的浸潤，此時的Young-Dupr方 程描述的浸潤現(xiàn)象已不存在。o 而在時，液體在固體表面仍以某種速度擴(kuò)散鋪展開來。而整個鋪展過程，將是液體表面積的迅速增大，即克服液體內(nèi)聚能的過程，因此鋪展的必要條件是式： 恒成立。o 鋪展浸潤的特征是液滴在固體表面上的展開成液滴在固體表面上的展開成膜，原有的固氣界面消失，而留下固液界面和膜，原有的固氣界面消失，而留下固液界面和氣液界面。氣液界面。o基于鋪展浸潤的特點和必要條件，可以引出一些參數(shù)來表征纖維的鋪展浸潤性。LLSLWW1鋪層

16、系數(shù)鋪層系數(shù)Po 鋪展系數(shù)為固液的粘著功與液體內(nèi)聚功的差異固液的粘著功與液體內(nèi)聚功的差異，即 o 鋪展系數(shù)又可稱為又可稱為“鋪展壓鋪展壓”或或“鋪展張力鋪展張力”，其，其反映在此壓力或張力的作用下，液體分子不只是克反映在此壓力或張力的作用下，液體分子不只是克服自身的內(nèi)聚能作用，而展開增加表面積，而是液服自身的內(nèi)聚能作用，而展開增加表面積，而是液體分子在固體表面的快速擴(kuò)散體分子在固體表面的快速擴(kuò)散。o 當(dāng)當(dāng)P0時時，粘著功正好克服液體的內(nèi)聚能而使液體展開，只要時間足夠，液體總能鋪展開來，也就是說這種鋪展速度這種鋪展速度VS接近于零。接近于零。LLSLWWP0LVSLSVPLVSLSV2鋪展速度鋪

17、展速度VSo當(dāng)液體與固體接觸時，即使無外力作用，但在表面吸附功對液體的內(nèi)聚能的作用下，滿足前述鋪展壓時，就會產(chǎn)生氣、液、固三相交界線的快速移動，如用一運動長絲束觀察這種浸潤的過程，就可發(fā)現(xiàn)其中的不同，如圖所示。A+氣體長絲液體AA氣體長絲液體A+A-氣體長絲液體A-o v vs四纖維集合體的浸潤四纖維集合體的浸潤o單纖維的浸潤性已經(jīng)明確，纖維集合體的浸潤性在理論上維集合體的浸潤性在理論上應(yīng)取決于單纖維的浸潤性和纖維集合體的結(jié)構(gòu)尺應(yīng)取決于單纖維的浸潤性和纖維集合體的結(jié)構(gòu)尺寸。通常在單通常在單纖維狀態(tài)下的平衡態(tài)浸潤，在纖維集合體狀態(tài)下就會發(fā)生變化，纖維狀態(tài)下的平衡態(tài)浸潤，在纖維集合體狀態(tài)下就會發(fā)生

18、變化，產(chǎn)生毛細(xì)吸水的現(xiàn)象，或稱芯吸產(chǎn)生毛細(xì)吸水的現(xiàn)象，或稱芯吸。o芯吸作用除了單纖維的浸潤作用外，還有孔隙形狀因子孔隙形狀因子的影響。假如纖維和液體都固定，而只是孔隙尺寸的變化，芯吸的程度就不同。典型的毛細(xì)管壓力p方程為：o r為毛細(xì)管等效半徑，即為形狀參數(shù)。當(dāng)為毛細(xì)管等效半徑，即為形狀參數(shù)。當(dāng)r增大，纖增大，纖維間隙增大，芯吸壓力維間隙增大，芯吸壓力p下降，浸潤作用減弱；當(dāng)下降，浸潤作用減弱；當(dāng)r變小時，即纖維間空隙變小，芯吸壓力上升，毛變小時，即纖維間空隙變小，芯吸壓力上升，毛細(xì)浸潤作用加強。細(xì)浸潤作用加強。rpLVcos2o 當(dāng)纖維空隙為豎直排列時，浸潤和重力作用會當(dāng)纖維空隙為豎直排列時

19、，浸潤和重力作用會使液體的吸芯達(dá)到某一高度；而成穩(wěn)態(tài)使液體的吸芯達(dá)到某一高度；而成穩(wěn)態(tài)；o 空隙為水平放置時，毛細(xì)作用會使液體不斷的擴(kuò)展，如同鋪展作用，而成非平衡態(tài)。、o 當(dāng)纖維的空隙大小不同，則又會產(chǎn)生毛細(xì)壓差，而形成擴(kuò)展的選擇性，或稱方向性。因此，纖維集合體的浸潤性不僅具有平衡態(tài)和非平衡態(tài)浸潤的特征，還有方向性和選擇性，故其表征有其特有的參數(shù)。芯吸高度芯吸高度ho 依據(jù)纖維集合體空隙為豎直放置的芯吸作用，并根據(jù)纖維正浸潤和負(fù)浸潤的條件，可將芯吸模型分為二種，拒水左和導(dǎo)水右。hdhd 對于拒水模型對于拒水模型o 根據(jù)力學(xué)平衡原則：液體表面張力作用水柱高度的重力作用得：o式中：為液體表面張力；

20、d為孔隙等數(shù)直徑；為液體的密度；h為液柱高度；g為重力加速度值。o 由此可得拒水高度的公式o顯然h越高，拒水性越好。而通過選擇纖維材料，即改變拒水性能；同樣，減小空隙系數(shù)同樣可以達(dá)到拒水。ghdd4)cos(2 對導(dǎo)水模型對導(dǎo)水模型o 此處導(dǎo)水指導(dǎo)液態(tài)水，根據(jù)上述方法參照圖模型同理可得，纖維表面張力引起的向上作用力與水柱重力形成的向下重力平衡。o 要獲得導(dǎo)水材料，選擇接觸角 小的，毛細(xì)管直徑小的纖維集合體，將有助于材料的導(dǎo)水。ghdd4cos2第三章第三章 紡織纖維的粘彈性力學(xué)性紡織纖維的粘彈性力學(xué)性質(zhì)質(zhì) 纖維的粘彈性力學(xué)現(xiàn)象及其分子解釋纖維的粘彈性力學(xué)現(xiàn)象及其分子解釋o 由長鏈分子聚集起來的

21、纖維，在變形時除了分子鏈主價鍵的變形(鍵長和鍵角的改變)外，還有次價鍵逐步斷裂而分子鏈的逐步伸展、纖維結(jié)構(gòu)重排的過程，這一過程使纖維的變形具有時間效應(yīng)或時時間效應(yīng)或時間依賴性間依賴性(time dependent)。o 所以，紡織纖維的力學(xué)性能兼具有彈性固體彈性固體和粘性流體粘性流體的變形特征，它是一種粘彈性體。o 纖維粘彈性力學(xué)性能典型地表現(xiàn)在纖維具有顯纖維粘彈性力學(xué)性能典型地表現(xiàn)在纖維具有顯著的應(yīng)力松弛、蠕變和在周期性交變應(yīng)力作用下，著的應(yīng)力松弛、蠕變和在周期性交變應(yīng)力作用下，纖維應(yīng)力與應(yīng)變不同相的現(xiàn)象。纖維應(yīng)力與應(yīng)變不同相的現(xiàn)象。 1蠕蠕 變變o 纖維在一定負(fù)荷作用下，變形隨時間而逐漸增

22、加的現(xiàn)象，稱為蠕變。o 對線形高聚物，形變隨外力作用時間的增長而無限增加，直至試樣斷裂，但形變的變化率逐漸趨于一定值(粘性流動)。o 結(jié)晶性高聚物(纖維)的蠕變現(xiàn)象相似于交聯(lián)高聚物。o 對纖維變形機理的研究認(rèn)為：形變形變3是纖維大分子鏈鍵是纖維大分子鏈鍵長、鍵角改變引起的長、鍵角改變引起的，稱為急彈性變形急彈性變形。o 形變4與纖維大分子鏈之與纖維大分子鏈之間的次價鍵不斷破壞與重建間的次價鍵不斷破壞與重建有關(guān)有關(guān)。當(dāng)外力去除后，緩彈緩彈性變形或第一蠕變性變形或第一蠕變。變形變形5則稱為不可回復(fù)的塑性則稱為不可回復(fù)的塑性變形或稱為次級蠕變變形或稱為次級蠕變。o 必須注意，在纖維蠕變過程中，三部分

23、變形是同時產(chǎn)生的。其中1和5是時間的函數(shù)。o 理想的非晶態(tài)高聚物在一理想的非晶態(tài)高聚物在一定溫度和很寬時間范圍內(nèi)定溫度和很寬時間范圍內(nèi)柔量隨時間的變化情況，柔量隨時間的變化情況，它只有一個松弛轉(zhuǎn)變區(qū)它只有一個松弛轉(zhuǎn)變區(qū)，由圖可知，短時間實驗觀察到的是玻璃態(tài)。很長時間觀察到的是高彈態(tài)，兩者的柔量與時間無關(guān)。兩兩者之間的時間范圍內(nèi)是粘者之間的時間范圍內(nèi)是粘彈態(tài)，柔量介于兩者之間彈態(tài)，柔量介于兩者之間。2應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛o 應(yīng)力松弛是指在一定應(yīng)力松弛是指在一定變形條件下，纖維內(nèi)力隨變形條件下，纖維內(nèi)力隨時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。象。在變形保持恒定時，大分子鏈段逐漸順著外力方向運

24、動，分子鏈之間產(chǎn)生相互滑移，纖維分子鏈由原來卷曲狀態(tài)逐漸變成伸直狀態(tài)；或者是次價鍵在外力作用下，逐漸破壞，分子鏈由熱運動自發(fā)回復(fù)到卷曲狀態(tài)，這時，纖維的內(nèi)力逐步消除，從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛。 o 圖為在很長時間范圍內(nèi)，高聚物的應(yīng)力松弛模量與時間的關(guān)系曲線，與蠕變相似，也可以分為玻璃態(tài)、粘彈態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)4個不同力學(xué)狀態(tài)。o 交聯(lián)高聚物無粘流態(tài)，轉(zhuǎn)變時間 (應(yīng)力松弛時間)也是表征高聚物粘彈行為時間尺度的重要物理量。 二、線性粘彈性力學(xué)模型二、線性粘彈性力學(xué)模型 o 對上述粘彈性現(xiàn)象的定量描述常采用力學(xué)模型來模擬。o 線性粘彈性力學(xué)模型是指用虎克彈簧虎克彈簧和服從牛頓粘滯定律的粘壺粘壺組成的力學(xué)模型

25、，它能直觀、形象地描述高聚物的粘彈性現(xiàn)象，并有利于深入研究和理解粘彈性的本質(zhì)。o 纖維是眾多晶體及無定形單元混和的物體，宏觀結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定。o 模型組建和效應(yīng)有改進(jìn)及使與實際纖維(或紡織品)性能逐漸逼近的過程。以下幾種力學(xué)模型是分析粘彈性力學(xué)現(xiàn)象時經(jīng)常采用的。 1馬克思韋爾馬克思韋爾(Maxwell)模型模型o 它是由一個虎克彈簧和一個牛頓粘壺串聯(lián)而成，如圖所示。o 討論力學(xué)模型的粘彈性現(xiàn)象的一般步驟為：首先建立該模型的本構(gòu)關(guān)系式(或應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式)，然后由本構(gòu)關(guān)系式，根據(jù)不同變形條件建立相應(yīng)的應(yīng)力松弛、蠕變、動態(tài)力學(xué)行為以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線等力學(xué)性能。(1) 本構(gòu)關(guān)系式：本構(gòu)關(guān)系式： o 根

26、據(jù)模型變形特點，彈簧和粘壺的應(yīng)力與總應(yīng)力()相等，而總應(yīng)變?yōu)閺椈珊驼硥貞?yīng)變之和，即o =1+2o 所以 =1+2=/E +/*lo 式中，E為彈簧的彈性模量；為牛頓粘壺的粘滯系數(shù)。 (2) 應(yīng)力松弛：應(yīng)力松弛：o當(dāng)應(yīng)變保持不變時，即c常數(shù)。將此條件代入本構(gòu)關(guān)系式，并根據(jù)初始條件，當(dāng)t0時，0Ec，解微分方程可得到模型的應(yīng)力松弛方程式o(t)= 0 e-t/式中，為常數(shù)；且/E，稱為“應(yīng)力松弛時間”。o 式表明，馬克思韋爾模型在維馬克思韋爾模型在維持恒定變形時，有應(yīng)力松弛過程，持恒定變形時，有應(yīng)力松弛過程，如圖應(yīng)力松弛時間如圖應(yīng)力松弛時間()的物理含義的物理含義是當(dāng)應(yīng)力衰減為初始應(yīng)力的是當(dāng)應(yīng)力衰減為初始應(yīng)力的1/e倍倍(0370)時所需的時間，它是時所需的時間，它是代表材料粘彈性比例的參數(shù)，代表材料粘彈性比例的參數(shù)，值值越大，材料的彈性表現(xiàn)越顯著。越大，材料的彈性表現(xiàn)越顯著。 2伏歐脫伏歐脫(或開爾文或開爾文)(Voigt or Kelvin)模型模型o 伏歐脫和開爾文幾乎同時發(fā)表用此模型來表示高彈性物體的力學(xué)性質(zhì)的論文。它是由一個虎克彈簧和一個牛頓粘壺并聯(lián)而成 。o 應(yīng)力是彈簧的彈性應(yīng)力1和粘壺的粘滯阻力2之和，而彈簧和粘壺的應(yīng)變是相等