紡織材料學課件

第五節(jié)

纖維的機械性質(zhì)

一、

單纖維的拉伸性質(zhì)

（一）表示纖維拉伸性能的指標

指標有：斷裂強力；斷裂強度；斷裂伸長率1可編輯課件PPT1.斷裂強力（絕對強力）定義：纖維能夠承受的最大拉伸外力。單位：牛頓（N）；厘牛（cN)；克力（gf)。

對不同粗細的纖維，強力沒有可比性。2可編輯課件PPT2.相對強度

相對強度是用以比較不同粗細纖維的拉伸斷裂性質(zhì)的指標。根據(jù)采用線密度指標不同，相對強度指標有以下幾種:3可編輯課件PPT（1）斷裂強度（比強度）定義：每特（或每旦）纖維所能承受的最大拉力。單位：N/tex（cN/dtex）；N/den（cN/den)；gf/dtex。其計算式為：

Ptex=P/Ntex

Pden=P/Nden

4可編輯課件PPT式中：Ptex——特數(shù)制斷裂強度（N/tex；cN/dtex；gf/dtex）

Pden——旦數(shù)制斷裂強度（N/d；cN/d；gf/d）

P

——纖維的強力（N；cN；gf）

Ntex——纖維的特數(shù)（tex;dtex)

Nden——纖維的旦數(shù)(d)

5可編輯課件PPT(2)斷裂應力（強度極限）

定義：指纖維單位截面上能承受的最大拉力。單位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）；kgf/mm2。其計算式為：

σ=P/S式中：σ——纖維的斷裂應力（MPa）

P——纖維的強力（N）

S——纖維的截面積（mm2）6可編輯課件PPT（3）斷裂長度（LR）定義：纖維的自身重量與其斷裂強力相等時所具有的長度。

即一定長度的纖維，其重量可將自身拉斷，該長度為斷裂長度。其計算公式為：LR=（P/g）*Nm式中：LR——纖維的斷裂長度（km）P——纖維的強力（N）

g——重力加速度（等于9.8m/s2）

Nm——纖維的公制支數(shù)。7可編輯課件PPT纖維強度三個指標之間的換算式為：

σ=Υ*Ptex=9*Υ*PdenPtex=9*Pden

LR=Ptex=9*Pden式中：

σ——纖維的斷裂應力（kgf/mm2）；Υ——纖維的密度（g/cm3）；Ptex——纖維的特數(shù)制斷裂強度（gf/tex）；Pden——纖維的旦數(shù)制斷裂強度（gf/d）；

g——重力加速度（等于9.8m/s2）；

LR——纖維的斷裂長度（km）。8可編輯課件PPT可以看出，相同的斷裂長度和斷裂強度，其斷裂應力隨纖維的密度而異，只有當纖維密度相同時，斷裂長度和斷裂強度才具有可比性。9可編輯課件PPT3．斷裂伸長率ε定義：纖維拉伸至斷裂時的伸長率稱為斷裂伸長率。它表示纖維承受拉伸變形的能力。其計算公式為：

ε=（L-Lo）/Lo式中：

Lo——纖維加預張力伸直后的長度（mm）；

L

——纖維斷裂時的長度（mm）；10可編輯課件PPT（二）拉伸曲線的基本性質(zhì)

紡織纖維在拉伸外力作用下產(chǎn)生的應力應變關系稱為拉伸性質(zhì)。

1、拉伸曲線定義

負荷-伸長曲線：表示纖維在拉伸過程中的負荷和伸長的關系曲線。

應力-應變曲線：表示纖維在拉伸過程中的應力和應變的關系曲線。11可編輯課件PPT一般纖維負荷-伸長曲線12可編輯課件PPT圖中：O’→O：表示拉伸初期未能伸直的纖維由卷曲逐漸伸直

O→M（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；Q→S（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??；S→A（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(jié)合力有所增加，形成新的結(jié)合鍵。曲線斜率增大直至斷裂。

Q：屈服點；A：斷裂點。

13可編輯課件PPT2.拉伸曲線反映的指標負荷－伸長曲線

應力－應變曲線

1——278dtex（250旦）粘膠長絲

2——33dtex（30旦）錦綸長絲14可編輯課件PPT上圖所能反映的指標有：1.斷裂強力（或斷裂強度）2.斷裂伸長（或斷裂伸長率）3-5見后頁

15可編輯課件PPT3.初始模量E定義：纖維負荷-伸長曲線上起始一段直線部分的斜率，或伸長率為1%時對應的強力。

其大小表示纖維在小負荷作用下變形的難易程度，它反映了纖維的剛性。

E越大表示纖維在小負荷作用下不易變形，剛性較好，其制品比較挺括；

E越小表示纖維在小負荷作用下容易變形，剛性較差，其制品比較軟。

天然纖維：麻>棉>絲>毛；

再生纖維：富纖>粘膠>醋纖；

合成纖維：滌綸>腈綸>維綸>錦綸16可編輯課件PPT4.屈服應力與屈服應變

屈服點：曲線由伸長較小部分轉(zhuǎn)向伸

長較大部分的轉(zhuǎn)折點。

屈服應力：屈服點處所對應的應力。

屈服應變：屈服點處所對應的應變。

屈服點以下的變形：可回復的彈性變形。17可編輯課件PPT5．斷裂功、斷裂比功和功系數(shù)

（1）斷裂功W

定義：指拉斷纖維過程中外力所作的功，或纖維受拉伸到斷裂時所吸收的能量。W是強力和伸長的綜合指標，用來有效評價纖維的堅牢度與耐用性能。W大，說明纖維的韌性好，耐疲勞性能強，能承受較大的沖擊。在負荷-伸長曲線上，斷裂功就是曲線下所包含的面積。

W=18可編輯課件PPT（2）斷裂比功Wa

定義：拉斷單位細度、單位長度纖維外力所作的功。

Wa=W/(Ntex*L0)

纖維密度相同時，它對不同粗細和不同試樣長度的纖維材料具有可比性。19可編輯課件PPT（3）功系數(shù)We定義：實際所作功（即斷裂功W，相當于拉伸曲線下的面積）與假定功（即斷裂強力*斷裂伸長）之比。其計算式為：

We=W/(Pa*△L)

We值越大表明這種材料抵抗拉伸斷裂的能力越強。各種纖維的功系數(shù)大致在0.36-0.65間。

20可編輯課件PPT（三）常用紡織纖維的拉伸曲線21可編輯課件PPT拉伸曲線可分為三類：

（1）強力高，伸長率很小的拉伸曲線（棉、麻等纖維素纖維），表現(xiàn)為拉伸曲線近似直線，斜率較大（主要是纖維的取向度、結(jié)晶度、聚合度都較高的緣故）（2）強力不高，伸長率很大的拉伸曲線（羊毛、醋酯纖維等），表現(xiàn)為模量較小，屈服點低和強力不高；（3）初始模量介于1—2之間的拉伸曲線（滌綸、錦綸、蠶絲等纖維）

22可編輯課件PPT（四）纖維拉伸斷裂機理纖維斷裂原因有：大分子主鏈的斷裂

大分子之間的滑脫23可編輯課件PPT

（五）影響纖維拉伸性能的因素內(nèi)因：

大分子結(jié)構(gòu)（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）；

超分子結(jié)構(gòu)（取向度、結(jié)晶度）；

形態(tài)結(jié)構(gòu)（裂縫孔洞缺陷、形態(tài)結(jié)構(gòu)、不均一性外因：

溫濕度；

測試條件：a.試樣長度：L↑，出現(xiàn)弱環(huán)的機會↑

b.試樣根數(shù)：根數(shù)↑，折算成單纖維強度↓

c.拉伸速度：v↑，強力↑，ε↓，E↑

24可編輯課件PPT

（六）纖維拉伸性能的測試

1.擺錘式強力儀（見下圖）25可編輯課件PPT26可編輯課件PPT2．電子強力儀27可編輯課件PPT二、

纖維的蠕變、松弛和疲勞（一）纖維的拉伸變形與彈性1.纖維拉伸變形的組成

纖維變形包括：可回復的彈性變形（急彈性+緩彈性）和不可復的塑性變形

急彈性變形：加（或去除）外力后能迅速變形。

緩彈性變形：加（或去除）外力后需經(jīng)一定時間后才能逐漸產(chǎn)生（或消失）的變形。

塑性變形：纖維材料受力時產(chǎn)生變形，去除外力后，不回復的變形。（絕對值）

28可編輯課件PPT纖變形：l=l急+l緩+l塑（絕對值）ε=ε急+ε緩+ε塑（相對值）

三種變形同時產(chǎn)生，所占比例受纖維的性質(zhì)、加負荷的大小、負荷的作用時間的影響。29可編輯課件PPT2.纖維的彈性（1）定義：指纖維變形的恢復能力。（2）常用指標：

a.彈性回復率Re（或稱回彈率）

Re=（l急+l緩）/（l急+l緩+l塑）

=（L1-L2）/（L1-L0）式中：L0——纖維加預加張力使之伸直但不伸長時的長度（mm）

L1——纖維加負荷伸長的長（mm）

L2——纖維去負荷再加預張力后的長度（mm）

30可編輯課件PPTb.

彈性功率We

圖中：ec——急彈性變形；

cd——緩彈性變形；

do——塑性變形；

We=彈性恢復功/拉伸所作的功=Acbe/Aoae31可編輯課件PPT3.影響纖維彈性的因素：（1）纖維的結(jié)構(gòu)：分子鏈的柔曲性、分子間力的大小（2）相對濕度；（3）測試條件；

纖維的彈性是織物獲得好的尺寸穩(wěn)定性與抗皺性的主要因素。32可編輯課件PPT（二）纖維的流變性質(zhì)（或粘彈性質(zhì)）

定義：纖維在外力作用下，應力應變隨時間而變化的性質(zhì)。包括蠕變和應力松弛1．蠕變(1)定義：指一定溫度下，紡織材料在一定外力作用下，其變形隨時間而變化的現(xiàn)象。33可編輯課件PPT（2）曲線：34可編輯課件PPT（3）產(chǎn)生原因：

隨著外力作用時間的延長，不斷克服大分子間的結(jié)合力，使大分子逐漸沿著外力方向伸展排列，或產(chǎn)生相互滑移而導致伸長增加，增加的伸長基本上都是緩彈性和塑性變形。

35可編輯課件PPT

2．應力松弛（變形一定，F(xiàn)-t關系）

（1）定義：在一定溫度下，拉伸變形保持一定，紡織材料內(nèi)的應力隨時間的延續(xù)而逐漸減小的現(xiàn)象稱為應力松弛。（2）曲線：見上頁（3）產(chǎn)生原因：

由于纖維發(fā)生變形時具有內(nèi)應力，使大分子逐漸重新排列，在此過程中部分大分子鏈段間發(fā)生相對滑移，逐漸達到新的平衡，形成新的結(jié)合點，從而使內(nèi)應力逐漸減小。36可編輯課件PPT3．影響纖維流變性質(zhì)的因素①纖維本身的結(jié)構(gòu)：

分子量增加，分子鏈的極性、交聯(lián)和結(jié)晶增加，蠕變松弛減少。②外界條件：如溫度、濕度增加，蠕變、松弛也增加37可編輯課件PPT（三）纖維的疲勞特性1.定義：紡織材料在較小外力、長時間反復作用下，塑性變形不斷積累，當積累的塑性變形值達到斷裂伸長時，材料最后出現(xiàn)整體破壞的現(xiàn)象。疲勞破壞包括：分子滑移、分子斷裂、裂縫的產(chǎn)生與擴散、應力集中。疲勞形式有：蠕變、重復伸長、重復壓縮、重復彎曲及重復扭曲。38可編輯課件PPT2.指標和測定方法

(1)纖維在一定條件下拉伸至斷裂時，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（耐久度或堅牢度）；

(2)經(jīng)過一定負荷、一定次數(shù)的反復作用，測其剩余伸長的大小。3.纖維結(jié)構(gòu)和性能與疲勞的關系

纖維分子量增加，結(jié)晶度提高，耐疲勞性好；

取向度增加，耐疲勞性差。

屈服強度高，屈服伸長大，斷裂功大，耐疲勞性好。39可編輯課件PPT三、纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮特性

（一）纖維的彎曲40可編輯課件PPT1.纖維彎曲時受力情況：外側(cè)——受拉，伸長內(nèi)側(cè)——受壓，壓縮41可編輯課件PPT2.纖維抗彎剛度Rf定義：纖維抵抗其形狀發(fā)生彎曲變形的能力。公式：

Rf=πEr2ηf/4式中：r——實際截面積折算成正圓形時的半徑（mm）

E——纖維的彎曲彈性模量（cN/cm2）

ηf——截面性狀系數(shù)（它等于實際的慣性矩與正圓形截面慣性矩之比）42可編輯課件PPTRf大——纖維不易彎曲，不易成圈編織，耐磨性差，特別是曲磨，其織物較挺爽，有身骨。Rf小——纖維易產(chǎn)生彎曲，易于成圈編織，其織物較軟糯。常用纖維Rf由大到小的次序為：苧麻→玻纖→滌綸→富纖→腈綸→維綸→蠶絲→棉→錦綸→羊毛43可編輯課件PPT纖維種類截面形狀系數(shù)

ηf密度（g/cm3）初始模量E（cN/tex）相對抗彎剛度Rf(104.cN.cm2）

長絨棉0.791.51872.13.66細絨棉0.701.50353.12.46苧麻0.801.522224.69.32亞麻0.871.511166.24.96細羊毛0.881.31220.51.18粗羊毛0.751.29265.61.23桑蠶絲0.591.32141.92.65粘膠纖維0.751.52515.52.03滌綸0.911.381107.45.82錦綸60.921.14205.81.32錦綸660.921.14214.61.38腈綸0.801.17670.33.65維綸0.781.28596.82.94玻璃纖維1.002.522704.88.5444可編輯課件PPT異形纖維比圓形纖維Rf大（同品種相同旦數(shù)）

纖維錦綸聚酯絲截面形狀○△

三葉形Y○△△抗彎剛度31.839.434.944.038.1112.6131.540.145可編輯課件PPT2．纖維Rf的測定用日本風格儀KES；測定結(jié)節(jié)強力與鉤接強力；46可編輯課件PPT（二）纖維的扭轉(zhuǎn)47可編輯課件PPT抗扭剛度Rt：纖維抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。

Rt=Et*Ip式中：Et——剪切彈性模量；

Ip——截面極慣性矩。Rt大——加捻時阻力較大，易遭到破壞或產(chǎn)生塑性變形，且有較強的退捻趨勢。48可編輯課件PPT各種纖維的扭轉(zhuǎn)性能纖維種類扭轉(zhuǎn)截面形狀系數(shù)ηt相對剪切彈性模量Etl(gf/tex)相對抗扭剛度Rf(10-4·gf·cm2/tex)棉0.711657.9羊毛0.98856.7桑蠶絲0.8416810.2柞蠶絲0.352306.0苧麻0.771095.6亞麻0.94875.8普通粘膠纖維0.93744.7滌綸0.99654.7錦綸0.99454.0腈綸0.57995.2維綸0.67753.6玻璃纖維1.0016406449可編輯課件PPT（三）纖維的壓縮纖維集合體的壓縮變形以材料層體積或高度的變化來表示。

壓縮變形的絕對值b=V0-Vk（cm3）

壓縮變形的相對值ε=(V0-Vk)/V0

ε

=1-

hk/h0

式中：V0——試樣壓縮前的原始體積（cm3）

Vk——試樣達到規(guī)定壓力時的體積（cm3）

h0——試樣壓縮前的原始高度（cm）

hk——試樣的最終高度（cm)50可編輯課件PPT四、

纖維的摩擦性質(zhì)

*纖維的摩擦抱合性質(zhì)與可紡性、織物的手感、起毛起球、耐磨和抗皺等有關

與紡紗工藝的關系：摩擦現(xiàn)象貫穿于整個紡紗過程；與紗、布關系：有了摩擦力，紗、布才具有一定服用價值；與磨損的關系：纖維、機件被磨損，降低了使用價值；與發(fā)熱的關系：高速縫紉可能達300°c，使縫針彎曲，縫線熔融；與靜電的關系：摩擦起靜電，靜電聚集，干擾紡紗工藝正常進行，特別是化纖。51可編輯課件PPT（一）摩擦機理糙面學說；分子學說；焊接學說52可編輯課件PPT（二）纖維的摩擦、抱合和切向阻力

1.抱合力F1定義：纖維間在法向壓力為零時，做相對滑動時產(chǎn)生的切向阻力。（因為纖維具有卷曲、轉(zhuǎn)曲、鱗片、表面粗糙凹凸不平，且細長柔軟；纖維必須具有一定的抱合力，棉卷、棉條才具有一定強力，紡紗工藝才能順利進行）53可編輯課件PPT2.摩擦力F2

定義：纖維之間或纖維與機件之間，在一定正壓力作用下，作相對滑動時所產(chǎn)生的阻力。

切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2μN=F1+fN切向阻抗系數(shù)μ=F1/N+f

54可編輯課件PPT（三）纖維摩擦抱合性質(zhì)的指標與測試

1.抱合力的指標與測定（1）抱合系數(shù)h(cN/cm)定義：單位長度纖維上的抱合力。測試方法：從沒有法向壓力的纖維條中夾取一根纖維，測定出這根纖維所需的力F1（cN，即抱合力）和纖維的長l（cm）的比值。

h=F1/l

55可編輯課件PPT2）抱合長度Lh(m)方法：將纖維制成一定規(guī)格的沒有法向壓力的纖維條，在強力儀上以大于纖維長度的適當上下夾持距離拉斷，測得它的強力和纖維條的特數(shù)

Lh=F1/Ntex式中：

F1——纖維條的強力(gf)

Ntex——纖維條的特數(shù)

56可編輯課件PPT影響纖維抱合力的因素：纖維的幾何形態(tài)（表面結(jié)構(gòu)、纖維長度、卷曲度）；排列形狀；纖維彈性；表面油劑；溫濕度；纖維卷曲或轉(zhuǎn)曲多，細長而較柔軟——抱合力較大

57可編輯課件PPT幾種纖維的抱合性能

纖維種類纖維線密度(dtex)纖維長度(mm)20°C時的抱合長度(mgf/tex)羊毛直徑23μm5530滌綸4.47065腈綸3.859047錦綸3.3709558可編輯課件PPT2．切向阻抗系數(shù)的測定絞盤法——測定纖維與纖維，纖維與金屬、陶瓷等其它材料間摩擦的切向阻抗系數(shù)。59可編輯課件PPTY151型摩擦系數(shù)測定儀

60可編輯課件PPT影響切向阻抗系數(shù)的因素

1.纖維表面的性質(zhì)*截面為非圓形的纖維的μ<圓形光滑合纖的μ如：棉、粘膠、羊毛、粘纖（實際接觸面積小）*易變形纖維的μ>不易變形纖維的μ*無捻長絲的μ>加捻長絲或短纖紗的μ61可編輯課件PPT2.化纖油劑的影響化纖不上油，干摩擦時——切向阻抗系數(shù)μ大上油少