新大纺织材料学教案10纤维的力学性质.doc

第十章 纤维的力学性质教学目标：1、使学生了解纤维的基本力学性质2、使学生掌握纤维力学性质的表征指标及其表征方法3、使学生掌握纤维力学性质的诸多影响因素教学重点与难点：教学重点：1、纤维各种力学现象形成机理、力学性能指标及影响因素2、基本力学模型3、纤维的力学性质特征曲线及表征教学难点：纤维的拉伸变形曲线、纤维蠕变及蠕变回复曲线的理解和掌握教学与学习建议： 1、教学建议授课形式：讲解与讨论，实验理论讲解织物的多种力学现象形成机理、力学性能指标及影响因素；通过举例详细讲解纤维的力学性质特征曲线及其表征；充分做好实验准备2、学习建议通过实验室力学实验掌握纤维力学现象形成机理；通过记忆和理解，掌握纤维的力学性能指标及其影响因素；通过实验与理论的结合掌握纤维的力学性质特征曲线及其表征第一节 拉伸性质一、纤维拉伸断裂性能的基本指标：1．拉伸断裂强力 断裂强力： 又称绝对强力它是指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿(N)2．相对强度 纤维粗细不同时，强力也不同，因而对于不同粗细的纤维，强力没有可比性为了便于比较，可以将强力拆合成规定粗细时的力，这就是相对强度。

常用的有三种： （1）断裂应力：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为N/m2(即帕)常用N/mm2(即兆帕)表示 （2）断裂强度(相对强度)：简称比强度或比应力，它是指每特(或每旦)纤维能承受的最大拉力，单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/d） （3）断裂长度Lb：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为km （4）以上三类相对强度的表达式分别为 3．断裂伸长 任何材料在受力作用的同时一般都会产生变形，这两者总是同时存在、同时发展的在拉伸力的作用下，材料一般要伸长纤维拉伸到断裂时的伸长率（应变率），叫断裂伸长率，或者断裂伸长度，用表示，单位为百分数 4．拉伸变形曲线和相关指标 （1）拉伸变形曲线 纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷p－伸长△l曲线和应力s－应变e曲线如图5-1所示： （2）相关指标a．屈服点：图10-1中曲线上的Y点叫屈服点，这一点对应的拉伸应力叫屈服应力b. 初始模量：指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即曲线在起始段的斜率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，即纤维的刚性。

c.断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量 d．断裂比功：一是拉断单位体积纤维所需作的功，单位为N/mm2另一定义是重量断裂比功，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功e．功系数η：指纤维的断裂功与断裂强力()和断裂伸长( )的乘积之比其中c、d、e都属于断裂功指标，断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以有效地评定纤维材料的坚牢度和耐用性能图10-1 纺织纤维的拉伸曲线 (3)常见纤维的拉伸曲线图10-2 不同纤维的应力-应变曲线二、纤维的拉伸破坏机理及影响因素1．纤维的拉伸破坏机理 第一步：纤维开始受力，变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形，拉伸曲线接近直线，这一点从拉伸曲线上也可以看出来这种形变基本上是可恢复的急弹性变形，基本符合虎克定律，所以这个区域又叫做虎克区在图10-1上为OY段第二步：当外力进一步增加，无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，而且可能被拉断，也可能从不规则的结晶部分中抽拔出来，分子链之间的次价键断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形显著，模量相对逐渐减小，纤维进入屈服区。

在此过程中，有一部分是大分子链段间相互滑移产生不可恢复的塑性变形在图10-1上为YS段虎克区和强化区的分界点叫屈服点，即Y点第三步：当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分子链间可能形成新的次价键，这时候继续拉伸纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，由此进入强化区，纤维的模量再次提高，直至达到纤维大分子主链和大多数次价键的断裂，直到纤维解体在图10-1上为sb段强化区和屈服区的分界点叫强化点，即s点2.影响纤维拉伸断裂强度的主要因素(1)纤维的内部结构a．大分子的聚合度：提高聚合度是保证高强度的首要条件,一般大分子聚合度越高,大分子从结晶区中完全抽拔出来就不太容易,大分子之间横向结合力也更大,所以强度越高.b．大分子的取向度：取向度越高，也就是大分子或基原纤排列越平行,大分子或基原纤长度方向与纤维轴向越平行,在拉伸中受力的基原纤和大分子根数越多,纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低c．大分子的结晶度： 纤维的结晶度愈高，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高2)温湿度a.温度：在纤维回潮率一定的条件下，温度高，大分子热运动提高，大分子柔曲性提高，分子间结合力削弱。

因此，温度高，拉伸强度下降，断裂伸长率增大初始模量下降b.相对湿度和纤维回潮率：纤维回潮率越大，大分子之间结合力越弱，结晶区越松散纤维强度越低、伸长率增大、初始模量下降 （3）实验条件a．试样长度：试样越长，弱环出现的概率越大，测得的断裂强度越低b．试样根数：由束纤维试验所得的平均单纤维强力比单纤维试验时的平均强力为低c．拉伸速度：拉伸速度对纤维断裂强力与伸长率的影响较大d．拉伸试验机类型第二节 压缩性能一、纤维及其集合体的压缩性能 由于测量方面的困难，单根纤维沿轴向的压缩性能至今研究不多纤维及其集合体的压缩主要表现在径向（即横向）受压例如在纺织加工中加压罗拉间的受压、经纬纱交织点处的受压以及纤维及其制品打包时的受压等纤维受横向压缩后，在压缩方向被压扁，而在受力垂直方向上则变宽具体情况可以参见表10-1表10-1 几种纤维的横向压缩性能纤维种类各种加压(cN)下的直径变化(%)①除压后剩余变形(%)②4998196294392490637粘胶纤维17.526.539.047.753.558.065.148.5羊毛16.024.535.042.747.551.056.235.2锦纶12.521.537.048.455.560.566.433.1涤纶7.515.029.041.049.055.562.447.2晴纶16.527.541.049.655.560.066.255.6蛋白质纤维10.517.529.038.846.050.555.638.7玻璃纤维1.53.05.06.48.09.011.30.0 其中①（为原始直径，为压缩后的直径） ②（为压缩恢复后的直径） 纤维集合体在压缩时，压力与纤维集合体密度间关系如图10-3所示。

当纤维集合体密度很小，或纤维间空隙率很大时，压力稍有增大，纤维间空隙缩小，密度增加极快，而且压力与密度间对应的关系并不稳定当压力很大，纤维间空隙很小时，再增大压力，将挤压纤维本身，故集合体密度增加极微，抗压刚性增大，并表现出以纤维密度为极限的渐近线的特征，（为纤维的密度）图10-3 纤维集合体的压力与密度间关系 对纤维集合体加压再去除压力后，纤维集合体体积逐渐膨胀，但一般不能恢复到原来的体积压缩后的体积（或一定截面时的厚度）回复率表示了纤维集合体被压缩后的回弹性能纤维集合体加压过程中的变形，也与拉伸相似 作为保暖和救生絮制品，要求具有优良的压缩恢复率，这样它的密度较稳定，能始终保持相当数量的空隙，从而具有优良的保暖性和浮力二、纤维及其集合体在压缩中的破坏 纤维集合体在受强压缩条件下，纤维相互接触出现明显的压痕压力严重时，开始出现纵向劈裂，这与纤维中大分子取向度较高、横向拉伸强度明显低于纵向拉伸强度有关当压缩力很大时，这些劈裂会伸展，使纤维碎裂成巨原纤和原纤例如，棉纤维集合体压缩后的密度达1.00以上，恢复后的纤维在显微镜中可以发现纵向劈裂的条纹，而且纤维强度下降，长度也因折断而略有减短。

因此原棉棉包密度均在0.40—0.65之间，不超过0.8而且打包越紧，纺纱厂使用前拆包、松懈及恢复压缩变形所需的时间也越长，有时还须控制温、湿度以促进压缩变形的恢复，否则会影响开清棉效果并易损伤纤维第三节 弯曲性能一、纤维的弯曲刚度 材料的弯曲刚度决定材料抵抗为扭曲变形的能力纤维的弯曲刚度大，则不易产生弯曲变形，手感较刚硬 纤维粗细不同时，弯曲刚度与其线密度平方成正比为了在纤维间相互比较，常采用单位粗细条件下的纤维弯曲刚度，称为纤维的相对弯曲刚度或比弯曲刚度几种纤维的弯曲截面形状系数和相对弯曲刚度值如表10-2所示表10-2 纤维的抗弯性能纤维种类截面形状系数ηf比重g(g/cm3)初始模量E(cN/tex)相对抗弯刚度Rfr(cN·cm2)/tex2长绒棉0.791.51877.13.6610-4细绒棉0.701.50653.72.4610-4细羊毛0.881.31220.51.1810-4粗羊毛0.751.29265.61.2310-4桑蚕丝0.591.32741.92.6510-4苎麻0.801.522224.69.3210-4亚麻0.871.511166.24.9610-4普通粘胶纤维0.751.52515.52.0310-4强力粘胶纤维0.771.52774.23.1210-4富强纤维0.781.521419.05.810-4涤纶0.911.381107.45.8210-4腈纶0.801.17670.33.6510-4维纶0.781.28596.82.9410-4锦纶60.921.14205.81.3210-4锦纶660.921.14214.61.3810-4玻璃纤维1.002.522704.88.5410-4石棉0.872.481979.65.5410-4 从表10-2中可以看出，各种纤维的相对弯曲刚度差异很大。

在天然纤维中，羊毛是所有纺织纤维中最柔软的，麻纤维是最刚硬的在常用化学纤维中，锦纶是最柔软的，涤纶是最刚硬的二、 纤维弯曲时的破坏1．最小曲率半径 纤维弯曲时,截面上各部位的变形不同,如图10-4(a)所示,中性面oo’以上受拉伸，中性面以下受压缩弯曲曲率越大，各层变形差异也越大曲率过大时将发生外层破裂，内层挤压塑变直至断裂如图10-4（b）所示图10-4 纤维弯曲时的变形与破坏 弯曲刚度小的纤维制成的织物柔软贴身、舒适，但弯曲刚度小的纤维制成的织物易起球，如过细的羊毛弯曲刚度小，在受到摩擦时，伸出的纤维就容易弯曲纠缠而成毛球异型截面或中空截面的化纤要比圆型截面的化纤弯曲刚度大而不易起球2．勾结和打结强度 在实际生产中，纤维和纱线的耐弯曲破坏性能常用勾。