第7_1章纖維的力學性質(zhì)(1)

1、Which fibre for which application?Primary Properties Physical dimensions/shape/geometry Mechanical properties Hydrophilicity sensitivity to water/moistureSecondary Properties Electrical properties Thermal properties Durability/chemical resistance DensityOther properties ?Examples of properties that

2、can be useful in deciding1第9_1章 纖維的力學性質(zhì)講授內(nèi)容重點: 拉伸指標及性能 粘彈性能 彈性性能 疲勞破壞了解 摩擦性能 彎曲性能第1節(jié) 纖維的拉伸性質(zhì) 1. 拉伸曲線拉伸曲線 2. 拉伸性能指標拉伸性能指標 3. 常見纖維拉伸曲線常見纖維拉伸曲線 4. 纖維拉伸性能測量纖維拉伸性能測量 5. 拉伸斷裂機理及影響因素拉伸斷裂機理及影響因素材料拉伸測試1. 拉伸曲線對比拉伸曲線拉伸曲線 負荷p 伸長l曲線 應力應變曲線。 a Y (y,y) s Pb b 0.06 0.12 Pa 負荷 P(N) la 2 4 l 伸長(mm) 0 0 0.1 0.2 0 10 2

3、0 =應變 =應變率(%) 比應力 p (N/tex) 0 0.2 0.4 應力 (N/mm2=MPa) 0 300 600 試樣長度 20 mm 線密度 0.3 tex 纖維密度 1.5 g/cm3 2. 材料強伸性能指標材料強伸性能指標 強伸性能是指材料斷裂時的強力（或相對強度）和伸長(率)或應變。 2.1 強力Pb： 又稱絕對強力、斷裂強力。 是指材料能承受的最大拉伸外力，即材料受外力拉伸到斷裂時所需要的力，單位為牛頓(N)。強度指標 （1） 斷裂應力b 單位截面積上材料能承受的最大拉力 標準單位為帕Pa(N/m2) ,常用兆帕MPa (N/mm2)表示。 bbAP310tbPPb單位為

4、單位為NPt單位為單位為N/tex強度指標 （2） 比強度(相對強度) pb，或稱比應力 是指每特(或每旦)材料（一般指纖維或紗線）能承受的最大拉力 單位為N/tex，常用cN/dtex（或cN/D）。 denbdtexbtNPPNPP強度指標 （3） 斷裂長度Lb 材料（一般指纖維或紗線）重力等于其斷裂強力時的材料長度 單位為km。 gmbbNPLPb單位為單位為N部分材料斷裂長度示意圖2.3 伸長能力指標斷裂伸長率 材料拉伸至斷裂時的伸長率（或應變） 表示材料斷裂時的伸長變形能力的大小%10000LLLTensile Properties of Fibres Another example

5、:Suppose a 10-metre fibre can be extended by only 10cm before breakingWe would probably not consider it to be particularly stretchyBut suppose a 10-cm fibre can be extended by 10 cmIt is clearly very stretchy!Although the extensions are the same, the strains are quite different.15The Importance of N

6、ormalisationTensile Properties of Fibres So we generally normalise the raw data by converting: from load to stress (specific stress in textiles)and from extension to strain16Normalisation is particularly important when we want to compare different materials without having to specify their dimensions

7、3. 拉伸過程中的性質(zhì)指標 初始模量 屈服點（應力和伸長率） 斷裂功（比功）、功系數(shù) 柔順性3.1 初始模量 初始模量是指纖維拉伸曲線的起始部分直線段的應力與應變的比值，即 - 曲線在起始段的斜率。 如果起始段直線不明顯，可取1%（0.5%）伸長下的應力與應變的比值。 小變形情況下（0，具有彈性纖維 聚酰胺10521C10 10應變下的應力應變下的應力5 5應變下的應力應變下的應力4. 常見紡織纖維拉伸曲線常見紡織纖維拉伸曲線 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應力 苧麻 亞 麻 應變 (%) 常見紡織纖維拉伸曲線常見紡織纖維拉伸曲線產(chǎn)業(yè)用纖維拉伸曲線 產(chǎn)業(yè)用纖維（高

8、強低伸型） 強而脆 應變 (%) 尼龍 聚酯 凱夫拉 玻璃 人造絲 應力 (g/d) 鋼絲 應力 (g/tex) 拉伸曲線分類（1） （1）強力高，伸長率很小的拉伸曲線 棉、麻等纖維素纖維 拉伸曲線近似直線，斜率較大（主要是纖維的取向度、結晶度、聚合度都較高的緣故）； 苧麻：斷裂強度和初始模量大，斷裂伸長率和斷裂比功小剛硬而帶有脆性 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應力 苧麻 亞 麻 應變 (%) 拉伸曲線分類（2） （2）強力不高，伸長率很大的拉伸曲線 羊毛、醋酯纖維、粘膠等 表現(xiàn)為模量較小，屈服點低和強力不高； 普通粘膠：斷裂強度、初始模量和斷裂比功較低，斷裂伸

9、長為中等軟而弱 羊毛：斷裂強度很低，斷裂伸長大，斷裂比功比棉、麻要大韌性較好 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應力 苧麻 亞 麻 應變 (%) 拉伸曲線分類（3） 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應力 苧麻 亞 麻 應變 (%) （3）強力與伸長率居中的纖維 滌綸、錦綸、蠶絲等纖維。 滌綸：斷裂強度、斷裂伸長、初始模量和斷裂比功較大硬挺而堅韌 錦綸：斷裂強度、斷裂伸長和斷裂比功較大，初始模量較低軟而強韌，斷裂比功大耐疲勞性和耐磨性優(yōu)良 蠶絲：斷裂強度中等偏高，斷裂伸長率較棉、麻高得多，斷裂比功較高天然紡織纖維中屬強韌纖維拉伸應力應變特征描

10、述術語拉伸應力應變的特征對應纖維示例模量屈服應力 斷裂應力 斷裂伸長柔而弱低低低中粘膠剛而脆高無中低苧麻、棉剛而強高高高中蠶絲、高強低伸滌綸柔而韌低低高高羊毛、錦綸剛而韌強而脆 高高高高高高高低普通滌綸高性能纖維5. 纖維拉伸性能測量5.1 擺錘式強力儀擺錘式強力儀等速牽引式等速牽引式 型號 （1） Y161型單纖維強力機 （2） Y162束纖維強力機 （3） Y371型縷紗強力機 （4） Y361型單紗強力機 特點 上下夾頭同時以不同 速度下降，力的施加 也呈非線性 拉伸變形無一定的規(guī)律 上夾頭 下夾頭 纖維 重錘桿 支點 標尺 轉(zhuǎn)動機構 指針 L G1 G 5.2 秤桿式強力儀秤桿式強力儀

11、等加負荷等加負荷 卜氏(Pressley)強力儀 Uster 公司生產(chǎn)的Dynamat 自動單紗強力儀 上夾頭位移量是試樣的伸長 下夾頭 纖維 上夾頭 稱桿 v G l0 重錘 支點 5.3 電子強力儀電子強力儀等速伸長型等速伸長型 傳感器測力，下夾頭位移量伸長 上夾頭 處理單元 試樣 顯示 打印繪圖儀 v 換算單元 l=vt 力傳感器 下夾頭 6. 拉伸斷裂機理及影響因素 OO：表示拉伸初期未能伸直的纖維由卷曲逐漸伸直； OM：（虎克區(qū)）大分子鏈鍵長和鍵角的變化，外力去除變形可回復，類似彈簧； QS：（屈服區(qū)）大分子間產(chǎn)生相對滑移，在新的位置上重建連接鍵。變形顯著且不易回復，模量相應也逐漸變

12、?。?Q Q：屈服點：屈服點；O O典型纖維拉伸曲線分析典型纖維拉伸曲線分析 SA：（增強區(qū)）錯位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠攏，使大分子間的橫向結合力有所增加，形成新的結合鍵，曲線斜率增大直至斷裂。 A A：斷裂點：斷裂點。O O纖維拉伸斷裂機理分析大分子鏈受力示意圖大分子鏈受力示意圖6.1 拉伸破壞機理a Y (y,y) s b p (N/tex) 接近直線基本符合虎克定律變形：1. 纖維大分子鏈本身的拉伸，即鍵長、鍵角的變形；2. 鏈間剪切形變。無定形區(qū)中大分子鏈（原纖）克服分子鏈間次價鍵力而進一步伸展和取向一部分大分子鏈伸直，緊張的可能被拉斷或從結晶部分中抽拔出來次價鍵的斷裂使非結

13、晶區(qū)中的大分子逐漸產(chǎn)生錯位滑移，纖維變形比較顯著模量相應逐漸減小，纖維進入屈服區(qū)。大分子鏈（原纖）基本伸直平行時，取向度提高，大分子間距就靠近變形主要又是分子鏈的鍵長、鍵角的改變和次價鍵的破壞進入強化區(qū)，纖維模量再次提高纖維解體：纖維大分子主鏈和大多次價鍵的斷裂纖維斷口圖（1） C B A A B C A B (a) (b) (c) (d) (e) 纖維斷口圖（2）裂口孔洞表面缺陷裂隙纖維AB (a) (b) (c) 6.2 影響紡織纖維拉伸性質(zhì)的因素 纖維斷裂決定于大分子的相對滑移和分子鏈斷裂纖維斷裂決定于大分子的相對滑移和分子鏈斷裂 6.2.1 纖維的內(nèi)部結構 (1) 聚合度影響滑移 纖維

14、強度隨纖維大分子聚合度的增大而增加，但當聚合度增加到一定值后，再增加時，纖維強度增加緩慢 聚合度足夠大，分子鏈間滑動阻力已大大超過分子鏈的斷裂強力影響因素纖維的內(nèi)部結構 (2) 取向度有效分力 決定有效承載的分子鏈數(shù)目 取向度增大，纖維斷裂強度增加，斷裂伸長率降低。 化學纖維的取向度與拉伸倍數(shù)有關 (3) 結晶情況強度 纖維的結晶度愈高，纖維中分子排列愈規(guī)整，縫隙孔洞較小，分子間結合力愈強，纖維的斷裂強度、屈服應力和初始模量表現(xiàn)得較高。 結晶區(qū)分布影響因素關系圖 g/den 伸長率 (%) 增加取向度 醋酯纖維 粘膠纖維 比應力 (gf/tex) 斷裂點軌跡 N/tex 比容 (cm3/g)

15、初始模量 (N/cm2) 屈服應力 (N/cm2) 結晶度 (%) 結晶形態(tài)的影響 不同類型粘膠纖維性能類型類型干強干強(cN/dtex)干伸干伸（）（）濕強濕強(cN/dtex)濕伸濕伸(%)濕保濕保率率(%)吸濕吸濕密度密度結晶結晶度度晶區(qū)晶區(qū)尺寸尺寸雙折雙折射射普通普通1.919.91.027.55012.51.51245.24.30.027強力強力3.08.31.917.86212.91.50942.93.90.032高強高強3.29.42.025.06413.41.50942.93.10.032超強超強3.710.83.029.58014.41.49632.52.50.033二超二超

16、4.310.33.625.28314.11.50841.52.00.037三超三超4.710.54.129.08614.31.50239.02.00.040四超四超5.310.94.327.680-二超二超3.64.415252.63.12030約約7014.11.50841.52.00.037富纖富纖3.15.76122.44.01114約約709111.52655.57.50.048HWM3.15.38182.24.11522約約7010126.2.2 試驗條件的影響 (1) 溫度和相對濕度結合力 溫度高，大分子熱運動能高，大分子柔曲性提高，分子間結合力削弱斷裂強度下降，斷裂伸長率增大，初

17、始模量降低 空氣相對濕度大，纖維回潮率越大，大分子之間結合力越弱，分子鏈間越松散，易滑移 棉、麻改善斷裂不同時性影響因素關系圖 L (cN/tex) 177 99 21 -57 P0 (cN/dtex) (c/mm2) L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) 富纖 棉 L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) (%) 滌綸滌綸細羊毛細羊毛（2）試樣長度 弱環(huán)定律：纖維斷裂總是發(fā)生在纖維的最弱處，試樣長度長時，最弱的弱環(huán)被測到的機會就多，則平均強力偏低。 試樣越長，弱環(huán)出現(xiàn)的概率越大，測得的斷裂強度越低（3） 試樣根數(shù) 由束纖維試驗所得的平均單纖維強力比單纖維試驗時的平均強力為低。 纖維的斷裂伸長率不均勻，伸直狀態(tài)也不相同 纖維斷裂具有不同時性束纖維強力總是小于各根單纖維強力之和（