纤维的机械性质力学性质纺织材料在加工和使用过程中会.docx
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纤维的机械性质力学性质纺织材料在加工和使用过程中会
第五章纤维的机械性质
(力学性质:
纺织材料在加工和使用过程中会受到拉、压、弯、扭、摩擦等各种形式的外力作用,纺织材料产生伸长变形、磨损、断裂、破坏等现象,同时又具有一定的抵抗外力作用的能力,表现为弹性回复、塑性变形等。
纺织材料承受各种作用力所表现出来的这些特性称为力学性质(机械性质)。
包括强度、伸长、初始模量、断裂功、弹性变形、塑性伸长、耐磨性等)
§5-1纤维的拉伸性质
一、测试标准的重要性
⑴材料力学性质取决于组成该材料的分子排列,在不同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条件都会引起被测力学性质指标的差异,必须标准化测试环境;
⑵不同横截面或不同长度纤维由于弱环(或称为缺陷)存在的几率不一样,对于纤维材料在横截面不能标准化前提下,必须标准化纤维待测区段长度;
⑶纺织纤维是高分子粘弹性材料,受力变形曲线不是严格的一一对应单质函数曲线,取决于加载历史和加载方式,必须标准化加载条件;
⑷纤维间性质差异性,要取得统计意义上的平均值,必须有足够的纤维根数。
二、拉伸性能指标:
㈠断裂强力P:
亦称绝对强度,指纺织材料(纤维、纱线)断裂破坏时,所能承受的最大外力P(N、cN、kgf、gf);
㈡相对强度:
指单位细度的纺织材料所能承受的绝对强力,因细度指标有S、Nm、tex、D等,故不同细度指标所采用的相应的相对强度计算公式有多种。
⒈断裂应力σ:
σ=P/S,即单位截面积纤维所能承受的最大外力(N/m2),一般常用作理论分析。
⒉比强度P0:
每旦(特)纤维所能承受的最大外力;
P0t=N/Nt(cN/dtex);P0D=gf/Nd(cN/旦);
⒊断裂长度L:
当纤维或纱线被自身重量拉断时的长度(km),;
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。
L=P/Nt=P0t=9P0D;
⒋换算:
;(γ—纤维的密度)
;
;
注:
相同的断裂强度和断裂长度,其断裂应力随纤维的密度而异,只有当纤维密度相同时,断裂长度和断裂强度才具有可比性。
㈢断裂伸长:
纺织材料受力作用则产生变形,拉伸力作用下,材料一般要伸长,纺织材料的伸长能力一般用断裂伸长率表示,即纤维拉伸至断裂时的伸长率,
;其中La为试样拉断时长度,L0为原长。
三、拉伸图及其指标:
拉伸图:
纤维(纱线)在拉伸变形过程中,应力与应变同时发展,其过程曲线图为拉伸图,以伸长率ε%为横坐标,以拉伸应力σ为纵坐标所测得的纺织材料在拉伸测试全过程中负荷与伸长的曲线称【应力-应变曲线】。
㈠拉伸图形成:
⒈负荷-伸长曲线:
不能比较不同粗细的纺织材料的拉伸性;
⒉应力-应变曲线(σ-ε曲线):
可以比较不同粗细的纺材的拉伸性。
㈡典型拉伸曲线及其相关指标:
⒈屈服点b:
拉伸曲线由斜率较陡趋向平坦的转折点。
确定方法:
连接oa,做oa平行线,与曲线相切的点为b点;
意义:
在屈服点以下,材料的变形符合虎克定律,属于弹力变形,即应力-应变成近似的正比关系;
超过屈服点,纺材的变形恢复性能变差。
屈服点的高低与材料的拉伸恢复弹性有关,即条件相同,b点高,弹性好;
⒉初始模量E0:
图中ob线段斜率
,为拉伸弹性模量,拉伸曲线起始段直线部分(ob段近o点附近)的模量较大(即ε%=1%时,σ的数值),称初始模量E0,是可以描述纺织材料在较小外力下变形难易程度的指标。
初始模量大,表示材料不易变形,刚性大;常用纤维中,初始模量以麻类纤维最高,羊毛、锦纶的E0最低,其它纤维介于两者之间,化纤初始模量受加工工艺的影响,在较大范围内变化(一般涤纶>腈纶>维纶>锦纶)。
⒊断裂功:
将纺织材料拉伸至断裂时外力所做的功或消耗的能量,是材料坚韧性指标,若材料在大小为P的外力作用下,伸长dl,则
;
断裂功
;其值大,说明纤维韧性好,耐疲劳性强;
⒋断裂比功:
是拉断单位长度、单位细度纤维时外力所做的功,是断裂功的相对指标。
;(密度相同时,对不同粗细不同试样长度的纤维断裂功有可比性)
⒌讨论:
P是纤维对稳定恒定外力的承受能力,W是纤维对能量的吸收能力,与抗冲击有关,耐疲劳性、耐磨损性,在防弹衣、降落伞等方面应用较广。
⒍常见纤维拉伸图:
由拉伸曲线特征可分为三类:
⑴强力高,伸长率很小的拉伸曲线—拉伸曲线近似直线,斜率较大;
⑵强力不高,伸长率很大的拉伸曲线—表现为模量较小,屈服点低和强力不高;
⑶初始模量介于1~2之间的拉伸曲线。
四、纤维断裂机理及影响因素:
㈠纤维的断裂机理:
ob段:
纤维中各结晶区之间非晶区内缚结
分子变为较伸展状态,长度较短的
分子链段改变键角和键长,外力所
做的功转变为弹性能积累起来,纤
维变形属于弹性变形。
bc段:
随外力增加,部分链段断裂,相对滑移
或分子端部从结晶区中抽拔,结晶区之
间距离增加,基原纤横向联系断开,伸
长变形迅速增大;
ca段:
外力继续增加,纤维中大部分基原纤和松散的大分子都因抽伸、滑移而沿纤维轴向排列平行,取向度增加,结晶区松解,大分子侧向结合力增加,产生补强现象;外力如再继续增大,结晶区更松散,基原纤与大分子由于长距离抽拔,而发生头部游离、拉断,直至在纤维结构薄弱处断裂(a点)。
㈡影响纤维断裂的因素:
纤维断裂原因:
大分子主链的断裂;大分子之间的滑脱。
⒈内因:
⑴大分子结构(大分子的柔曲性、大分子的聚合度):
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。
一般的,纤维强度随聚合度增加而增加,聚合度小时,增加明显;大分子柔曲性好,变形能力较大;
大分子的平均聚合度↓,大分子结合力↓,容易产生滑移,则纤维强度较低而伸度较大;反之,大分子的平均聚合度↑,大分子结合力↓,不易产生滑移,所以纤维的强度就较高而伸度较小。
例如:
开始时,纤维的强度随聚合度增大而增加,但当聚合度增加到一定值时,再继续增大时,纤维的强度就不再增加。
因为,此时断裂强度已达到了足以使分子链断裂的程度,再增加聚合度对纤维的强度就不再其作用。
⑵超分子结构:
纤维的初始模量、密度、屈服点应力均随结晶度增加而增加;
纤维的断裂强度、初始模量和屈服点应力都随取向度增大而增加;而断裂伸长、屈服伸长和断裂功都随取向度增大而下降(大分子滑动量少);
⑶形态结构:
缝隙、孔洞少,大分子和基原纤间结合力强,纤维强度高;
⒉外因:
空气的温湿度影响到纤维的温湿度和回潮率,从而影响纤维的强伸度。
⑴温湿度:
在回潮率一定的情况下,随温度升高,分子热运动加快,大分子柔曲性增加,分子间结合力消弱,纤维强度下降,断裂伸长增加,(蚕丝除外),拉伸模量下降。
与天然纤维相比,合成纤维对温度影响更敏感;
相对湿度对纤维强度与伸长度的影响,视各自吸湿性能的强弱而不同,吸湿能力越大的,影响较显著,吸湿能力小的,影响不大。
一般规律为:
当回潮率增加,多数纤维随相对湿度的提高,纤维中所含水分增多,分子间结合力越弱,分子间键断开,结晶区越松散,因此纤维强度下降,伸长增加,初始模量下降。
然而天然纤维素纤维的断裂强度和断裂伸长反而增加,这是由于聚合度、结晶度均较高,纤维吸湿拆开非晶区链段的结合点,增加了同时受力的分子数目,使纤维强度增大(棉麻特例,水分进入后,使纠缠在一起的键的取向度变高,强力增加)。
化学纤维中,涤纶、丙纶基本不吸湿,它们的强度和伸长率几乎不受相对湿度的影响。
⑵测试条件:
a.试样长度:
纤维强度随试样长度的增加而降低,因为纤维的断裂总是在最弱点处发生,试样长度越长,出现最弱点的几率越高,所以强度越低,尤其对强度不匀大的天然纤维的影响更大;
b.试样根数:
由束纤维试验所得的平均单纤维强度要比以单纤维试验时所得的平均单纤维强度低,束纤维根数越多,两者差异越大,这是由于束纤维中的各根纤维伸直程度、受力情况不同,出现断裂的不同时性和少量纤维滑移所致;
c.拉伸速度及负荷方式:
拉伸速度大,纤维强度偏高;采用不同加负荷的方式也会影响试验结果(等速拉伸;等速伸长;等加负荷);
d.预张力:
为使试样伸直一致,在试样一端加上适当外力,其大小应以试样伸直不伸长为条件,预张力大,引起纤维伸长,预张力小,不能伸直;
§5-2纤维、纱线的蠕变、松弛与疲劳
一、蠕变与松弛:
⒈蠕变:
纺织材料在一定外力作用下,变形随时间变化而变化的现象。
已经知道,纤维(纱线)受到拉伸力作用时,变形量与拉伸力成一定比例,而当力的作用持续时,变形量是一变化量而非恒量。
根据变形量对应力反应的情况,将变形分成三种:
⑴急弹性变形:
(瞬时恢复变形),加上外力的
同时立即产生,去除外力立即回缩的变形部
分。
数值越大,弹性恢复性能越好,织物尺
寸稳定性好,耐疲劳性、耐磨性越好。
(键长、键角变化)
⑵缓弹性变形:
(粘弹性变形),除去加给材料
的外力后,材料变形随时间延续能缓慢恢复
的变形部分。
与大分子的柔曲性、环境温度
等有关。
(大分子间的滑移,产生了新的束
缚力,有回复的趋势,取向度提高,抽拔)
⑶塑性变形:
(永久变形),材料受力产生的变
形中,除去外力仍无法恢复的部分。
数值越
大材料的恢复性能越差,织物稳定性、耐疲
劳性、耐磨性越差。
(新键的束缚力很大)
⒉松弛:
拉伸变形保持一定,材料内应力随时间延续而下降的现象。
(大分子沿外力排列,形成新的联结点,应力减小)
⒊影响因素:
⑴拉伸力大小:
负荷增加,伸长率增加;
⑵温度:
温度增加,伸长率增加;
⑶湿度:
湿度增大,伸长率增加,松弛增大;
⒋应用:
生产:
织布机长时间停机,应进行平综,防止蠕变;纱线深加捻易纬缩,须蒸纱定捻,促进松弛;
生活:
棉布缩水,是由于加工过程中积累的缓弹性变形,在适当的温湿度条件下恢复。
二、蠕变松弛的力学模型:
P385
三、弹性:
⒈指标:
⑴弹性恢复率Rε:
材料总变形中急弹性变形与缓弹性变形所占的比率。
通常用定伸长或定负荷方法测定。
;
⑵弹性功率:
材料在除去拉伸外力过程中,由恢复力和恢复变形所做的恢复功占拉伸功的百分率。
数值越大,表示材料在一次(加负荷-去负荷)的循环中功的损耗小。
ab:
变形不变,应力下降;
bc:
外力去除,应力、应变都下降;
cd:
一定时间后,纤维的缓弹性回缩。
因此,
⒉影响因素:
⑴纤维结构:
适当的结合点,局部流动性;
⑵纱线结构:
紧密,弹性好;
⑶测试条件:
外力增加,时间增加,弹性恢复率下降;恢复时间增加,弹性恢复率增加;
四、疲劳:
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,材料整体破坏的现象,弹性恢复率和弹性功率高的材料,耐疲劳性能好。
衡量材料耐疲劳性常用拉伸功恢复系数RX,
;
(见下图)
疲劳试验:
a.恒力、长时间作用;
b.小外力→除去→加小外力→除去,
反复作用;
每一循环拉伸固定变形率
每一循环拉伸力升到P时保持恒定张力
五.拉伸仪:
常见有摆锤式强力仪、电子强力仪;
§5-3纤维与纱线的弯曲、扭转和压缩
一、纤维与纱线的弯曲
㈠抗弯刚度:
是指纺织材料在弯曲力作用下,产生弯曲变形难易程度。
它是拉伸模量和压缩模量的综合值与材料截面惯性矩之积。
由材料力学可知,纤维或纱线在受横向力F作用下所产生的弯曲变形挠度为:
;当纤维和纱线的EI值较大时,在F力作用下的弯曲变形挠度较小,表示纤维和纱线比较刚硬,故EI值称抗弯刚度。
用Rf表示。
(cN·cm2)
E—材料在弯曲作用下的弹性模量(实际是拉伸模量和压缩模量的综合值);(cN/cm2)
I—纤维和纱线的断面惯性矩(cm4)
㈡纤维和纱线在弯曲时的破坏
纤维和纱线在弯曲过程中,各部位的变形是不同的,中性面以上受拉伸,中性面以下受压缩。
弯曲曲率愈大,各层变形差异也愈大,曲率半径过小时将发生折断,见图P404。
纤维或纱线越细,拉伸断裂伸长率越大,其抗弯性好。
通常情况下,纱线或纤维互相钩接或打结的地方,最容易产生弯断。
此时,弯曲曲率半径基本等于纤维或纱线的厚度(直径)的一半。
常用勾接强度和打结强度反映这种性能。
钩接强度:
也称对拉强度,纤维或纱线以互相对钩形式进行拉伸至断裂时所能承受的最大外力,换算至单位细度所能承受的强度(cN/tex)为钩接强度。
可描述纤维抗弯性能,钩接强度高的纤维,加工成的织物耐折边摩性能较好。
打结强度:
将纱线或纤维打成结,拉伸至断裂时所能承受的最大外力,换算至单位细度所能承受的强度(cN/tex)为打结强度。
反映纤维耐扭转、弯曲的能力。
一般情况下,钩接强度和打结强度比拉伸断裂强度小,这是因为钩接、打结处纤维弯曲,纤维拉伸力未达到拉伸断裂强度时,弯曲外边缘拉伸伸长率已超过拉伸断裂伸长率而使纤维受弯折断。
钩接强度、打结强度最高达到100%,但某些纱线结构较松,纤维断裂伸长率较大,在钩接或打结后,增加了纱线内纤维间的抱合,滑脱根数减少,故钩接强度、打结强度也可能大于100%。
㈢纤维、纱线的重复弯曲
纤维和纱线在重复弯曲作用下,也会使结构逐渐松散、破坏,最后断裂。
一般情况下,拉伸张力愈小,折屈角愈小,越耐重复弯曲;同时,纤维结构较好(聚合度较大、取向度较高、结晶度较高),拉伸断裂功较大时,较耐重复弯曲。
二、纤维和纱线的扭转
⒈抗扭刚度:
是指材料在扭矩力作用下,产生扭转变形难易的程度。
其值为剪切模量和极截面惯性矩之积。
Rt=EtIp;
Et为剪切弹性模量(cN/cm2);Ip为截面的极断面惯性矩(cm4);
⒉扭转破坏:
当扭转变形增大到一定程度时,纤维在图7-49(P411)圆柱面螺旋线上沿纵向剪切而劈裂开来,逐渐断裂。
通常用断裂捻角(纤维或纱线不断扭转到捻断时的螺旋角α)表示纤维抗扭强度。
α角与刚性、韧性有关,毛、涤、锦捻角大。
§5-4纤维与纱线的摩擦与抱合
一、摩擦
摩擦在纺织生产上的利用:
短纤维纺纱时,罗拉牵伸、毛条、毛网;但也有要避免的方面:
如导纱器,摩擦力增大,则张力大,断头多;
⑴抱合力F1——纤维间在法向压力为零时,材料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。
)
⑵摩擦力F2——纤维之间或纤维与机件之间,在一定法向压力作用下,作相对滑动时所产生的阻力。
即:
纤维切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2;
切向阻抗系数μ=F1/N+f(f为摩擦系数);
(古典力学中,正压力引起摩擦,F=f×N;近代发现,N=0时仍有摩擦力,即为抱合力;故纺织材料在法向压力作用下,材料间发生相对滑动时所产生的切向阻力称摩擦力,即:
纤维切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2;)
二、抱合力指标及测试
⒈抱合系数:
单位长度纤维上的抱合力。
h=F1/L;(cN/mm);式中L为纤维长度;纤维长度愈长,由纤维束中抽出纤维的阻力也越大,阻力与长度之比即为抱合系数。
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。
⒉抱合长度:
是抱合力的相对指标,用来反映条子、粗纱结构和有关性能的指标。
即纤维条在法向压力为零条件下,拉断粗细为Nt(tex),所需外力为F(cN),则抱合长度Lh按下式计算:
Lh=F/Nt(cN/tex);抱合长度越大,表示纤维间抱合力越大。
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。
式中:
Lh——抱合长度(m);F1——纤维条的强力(N);
Ntex——纤维条的特数(tex);g——重力加速度(9.8m/s2)。
⒊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;纤维弹性;表面油剂;温湿度。
一般的,纤维卷曲或转曲多,细长而较柔软——抱合力较大。
三、切向阻抗系数的测定及其影响因素:
⒈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。
其工作原理如图。
根据所加固定张力T测得的P,可以按下式计算纤维的切向阻抗系数μ:
该仪器可以调节辊轴的回转速度,以测得各种不同速度下的动摩擦的切向阻力系数μd。
如果使辊轴不回转,开启天平,旋转指针,观察纤维在辊轴上开始滑动时,扭力天平的读数,可以计算静摩擦的切向阻抗系数μs。
一般是,静态切向阻抗系数大于动态切向阻抗系数。
它们的大小和两者差值影响着纤维的手感。
μs大,且与μd差值也大的纤维,手感硬而涩;反之,μs小,且与μd差值也小的纤维,手感柔软。
如果μs<μd,则纤维手感软而滑腻。
⒉影响切向阻抗系数的因素:
⑴纤维表面的性质
截面为非圆形的纤维的μ<圆形光滑合纤的μ;如:
棉、粘胶、羊毛、粘纤(实际接触面积小);
易变形纤维的μ>不易变形纤维的μ;
无捻长丝的μ>加捻长丝或短纤纱的μ。
⑵化纤油剂的影响
化纤不上油,干摩擦时,μ大;
上油少——μ↓(油膜在纤维表面形成单分子层);
上油多——μ↑(属液体摩擦,与油的粘度有关)。
∴与上油量有关——在一定范围内,量↑,μ↓;超过一定量后,量↑,μ↑。
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μ。
⑶法向压力的影响
⑷导纱面光滑程度的影响,分两种不同情况:
天然纤维,粘纤,异纤——导纱面光滑程度↑,则μ↓;
圆形,表面光滑的纤维——导纱面光滑到一定程度后,则μ↑,可采用以TiO2为主的陶瓷来减少μ(其表面具有一定的粗糙度)
⑸滑动速度与初张力的影响
滑动速度:
由静到动,μ↓,而后v↑→μ↑。
到一定的v时μ稳定。
合纤在低速时,存在粘滑现象,μ变化较大。
∴一般测μ动,希望μ>3m/min以上。
初张力:
张力↑→μ↓。
∵张力↑,正压力↑,但F↑<正压力↑,∴μ↓。
⑹温湿度:
温度:
T变化→油剂变化→纤维性能变化,一般温度升高,粘度下降,μ降低;温度过高,油剂挥发,μ增大;
湿度:
RH%增大,则μ增大,RH%=100%时,μ最大。
在水中,则μ水<μRH%=100%。
加工中RH%必须加以控制,太湿,μ↑,加工困难;太干,发脆。
四、纤维摩擦抱合与可纺性的关系
与纺纱生产过程中纤维的梳理、牵伸、卷绕有很大关系,抱合力小,纺纱过程中易出现粘卷、条子发毛、棉网下坠或破边等现象,但有利于开松除杂;纤维与金属之间摩擦系数太大,以造成绕罗拉、绕皮辊、梳理时易断裂等现象,且静电严重会影响生产;直接影响成纱强力。
本章重点
描述纤维机械性质的指标;纤维的断裂机理及影响因素;粘弹体的基本力学特征;疲劳特性,纤维的表面力学性质(摩擦、抱合、磨损)
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