纤维的力学性质原文.doc

第三章 纤维的力学性质第一节 纤维的拉伸性质 纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到多种外力的作用，规定纺织纤维具有一定的抵御外力作用的能力纤维的强度也是纤维制品其她物理性能得以充足发挥的必要基本，因此，纤维的力学性质是最重要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义纺织纤维的长度比直径大1000倍以上，这种细长的柔性物体，轴向拉伸是受力的重要形式，其中，纤维的强伸性质是衡量其力学性能的重要指标一、拉伸曲线及拉伸性质指标 1．纤维的拉伸曲线特性 纤维的拉伸曲线由拉伸实验仪得到，图3-1是一试样长度为20cm，线密度为0.3 tex，密度为1．5R/cm3的纤维在初始负荷为零开始始终拉伸至断裂时的一根典型的纤维拉伸曲线它可以提成3个不同的区域：A为线性区(或近似线性区)；B为屈服区，在B区负荷上升缓慢，伸长变形增长较快；C为强化区，伸长变形增长较慢，负荷上升较快，直至纤维断裂图3-1 纤维的拉伸曲线 纤维的拉伸曲线可以是负荷-伸长曲线，也可以将它转换成应力-应变曲线，图形完全相似，仅坐标标尺不同而已纤维拉伸曲线3个不同区域的变形机理是不同的当较小的外力作用于纤维时，纤维产生的伸长是由于分子链自身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的成果。

因此，A区的变形是由于分子链键长(涉及横向次价键)和键角的变化所致变形的大小正比于外力的大小，即应力-应变关系是线性的，服从虎克定律 当外力除去，纤维的分子链和横向连接键将答复到本来位置，是完全弹性答复由于键的变形速度与原子热振动速率相近，答复时间的数量级是10-13s，因此，变形的时间依赖性是可以忽视的，即变形是瞬时的 当施加的外力增大时，无定形区中有些横向连接键因受到较大的变形而不能承受施加于它们的力而发生键的断裂这样，容许卷曲分子链伸直，接着分子链之间进行应力再分派，使其她的横向连接键受力增长而断裂，分子链进一步伸展在这一阶段，纤维伸长变得较容易，而应力上升很缓慢应力-应变曲线具有较小的斜率，这是B区产生的屈服现象当外力除去后，变形的答复是不完全的由于许多横向连接键已经断裂不能回到本来的位置，或者在新的位置上已经重新形成新的横向次价键变成较稳定的构造状态 当进一步增长外力时，由于纤维千讦多大分子链通过屈服流动后，分子链因充足伸直，进一步拉伸分子链比较困难这时，拉伸曲线斜率增长，如C区，即为强化区，这时增长的变形重要是纤维大分子链键长和键角的变化所引起，最后直至纤维断裂。

不同纺织纤维由于内部构造不同，其拉伸曲线有很大差别，几种常用纺织纤维的应力-应变曲线如图3-2所示天然纤维因品种不同，或生长、饲养条件的差别，化学纤维则由于大分子链构造以及纺丝工艺参数的差别，其拉伸性能也会有很大的差别常用纺织纤维的有关拉伸性质指标列于表3-11-亚麻 2-苎麻 3-棉 4-涤纶 5、6-锦纶 7-蚕丝 8-腈纶 9-粘纤 lO、12-醋纤 11-羊毛图3-2 不同纤维的应力-应变曲线 2．拉伸性能指标 由纤维拉伸曲线可提取表征纤维拉伸性能的许多重要力学性能指标 (1)断裂强力和断裂强度 纤维断裂强力表达纤维能承受拉伸负荷的最大能力，单位为牛顿(N)，或厘牛(cN)单根纤维的断裂强力称绝对强力，它与纤维粗细有关，为了互相比较，一般采用断裂强度(或相对强度)来表征表达纤维断裂强度常用如下3种指标： ①断裂应力：它是单位纤维横截面上纤维所能承受的最大拉力，单位为Pa(N/m2)或 cN/cm2，因Pa的单位很小，常用MPa，且1MPa＝106Pa ②比应力：它是指单位线密度纤维所能承受的最大拉力，单位为N/tex。

③断裂长度：它是指纤维自身重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为千米(km)，即 (3-1) 其中，P为纤维的强力(N)；若为重力加速度(9．8m/s2)；Nm为纤维的公制支数(m/g) 纤维相对强度的3个指标间关系为 (3-2) (3-3) 式中，σ为纤维断裂应力(N/mm2)；pt为纤维的比应力(N/tex)；g为重力加速度(9．8m/s2)；L为纤维的断裂长度(km)；ν为纤维密度(g/cm3) (2)断裂伸长率 纤维拉伸断裂时产生的伸长占本来长度的百分率它表达纤维承受最大负荷时的伸长变形能力 (3)初始模量 它是纤维应力-应变曲线起始一段直线部分的斜率，其物理含义是表达当试样保持初始斜率不变时，拉伸试样至本来长度的两倍时所需的应力值它表征在小变形条件下，纤维承受外力作用时抵御变形能力的大小，是衡量纤维刚性的指标 纺织纤维的初始模量与纺织制品的耐磨、耐疲劳、耐冲击、手感、悬垂性和起拱性能等关系密切许多纺织品多半是在小变形条件下工作的，因此，初始模量是纤维力学性能中的重要指标。

对于纺织纤维拉伸曲线的起始部分与否存性区是有争议的前苏联学者库金和索洛维也夫觉得，纺织纤维与金属材料不同，拉伸曲线的起始部分是凹向应变轴的，只能近似地接近直线澳大利亚学者E．G．Bendit(1978)觉得纺织纤维拉伸曲线的起始部分不存在“虎克区”，对粘弹性材料，在理论上其应力-应变曲线是凹向应变轴的然而由于纤维截面的转曲和天然卷曲以及试样夹头夹持不当等影响，会使应力-应变曲线的起始部分凹向应力轴，由于这2个相反的弯曲，使应力-应变曲线在外表上似乎有一种不变斜率的“虎克区” 当有些纤维拉伸曲线起始部分不成直线时，其初始模量常取伸长率为1％(或0．5％)时的应力值，按定义：初始模量＝应力/应变计算得到，也称为割线模量 (4)屈服点 纤维拉伸曲线上“虎克区”和屈服区的转变点称为屈服点，所相应的应力和应变分别称为屈服应力和屈服应变实验表白：当纤维超过屈服点后，将产生较高比例的塑性变形，纤维的力学性质将起较大的变化，因此在纺织加工和纺织品使用过程中，拟定和掌握纤维的屈服点很重要有数种拟定纤维屈服点的措施可供选择 ①曼列狄斯(Meredith)法 如图3-3(a)所示。

连结应力-应变曲线原点O和断裂点A；平行于OA作平行线并与拉伸曲线相切，得切点Y；Y点所相应的应力为屈服应力(σy)，相应的应变为屈服应变(εy)图3-3 屈服点的拟定措施 ②考泼伦(Coplan)措施：如图3-3(b)，作拉伸曲线在屈服点前后2个区域的近似直线部分的切线，交于K；过K点作平行于应变轴，交拉伸曲线于Y，Y则为屈服点 ③角平分线法：如图3-3(c)，作拉伸曲线在屈服点前后2个区域的近似直线部分的切线，交于K；作两切线的夹角平分线，交拉伸曲线于Y，Y即为屈服点 ④三阶导数法：这是1979年阿尔法(E1-Alfy)根据屈服点的定义提出的，应用对拉伸曲线求三阶导数的措施来拟定纤维的屈服点，如图3-3(d)所示，三阶导数曲线与伸长轴的交点，即为屈服伸长率 上述几种措施所决定的屈服点位置略有差别，曼列狄斯法简朴，容易求取角平分线法较实用，但有时求取屈服点后拉伸曲线部分的切线较困难三阶导数法，求取措施麻烦，但有助于计算机自动化 (5)断裂功、断裂比功和布满系数 纤维的负荷-伸长曲线下的面积，表达拉断这根纤维时，外力对它所作的功，表达材料抵御外力破坏所具有的能量，叫做“断裂功”(W)。

在纤维粗细和试样长度不同步，断裂功不能反映纤维抵御外力破坏的能力，因此要折算成拉断单位体积或单位纤维重量所需作功的大小，称为“断裂比功”在实际应用中，断裂比功采用拉断一单位线密度、1cm长的纤维所需要的功(N·cm)来表达，即 断裂比功的单位为N/tex断裂比功大的纤维材料能承受冲击破坏的能力强二、纤维代表性拉伸曲线及其绘制 纤维性能是构造的反映，天然纤维受到品种、生长条件的影响，化学纤维的拉伸性能与大分子链构造和纺丝工艺的影响很大，使不同纤维在构造上存在着较大的差别，因此力学性能亦在一相称范畴内变化图3-4为几种重要化学纤维的拉伸曲线图中表达出高强低伸型化纤与低强高伸型化纤的拉伸曲线有很大的不同H一高强型 M一中强型 L一一般型图3-4 几种化学纤维的拉伸曲线 纺织纤维由于内部构造和外形尺寸的不均匀性，特别是天然纤维，使各根纤维的拉伸曲线存在较大的差别，如何从一批离散性较大的拉伸曲线中，选用一根代表性曲线，以代表这批试样的拉伸性能呢?一般采用下述两种措施 ①单根代表曲线法：根据实测试样所得的断裂强力，断裂伸长和初始模量(或屈服点)的平均值，在n(样本容量)根拉伸曲线中选用其中一根最接近上述指标的平均值的曲线，即为代表性曲线。

这一措施较简朴，所得曲线光滑、自然，但在任意拉伸阶段时曲线的平均代表性较差 ②5根曲线平均法：根据上述措施从n根拉伸曲线中选用5根最接近平均断裂强力、断裂伸长率和屈服点(屈服应力和应变)的曲线；将每根曲线等分断裂伸长为若干等分；求出各相应伸长分点的平均强力；以实测的平均断裂伸长为基准，作出各相应伸长分点的平均强力点，然后连接各点所得曲线即为纤维的代表性曲线这一措施，绘制较麻烦当分点较少时，曲线不光滑当取较多分点时，绘制很费时但它能较好地代表整个拉伸过程的变形特性，代表性好三、纤维构造对力学性能的影响 1．相对分子质量(或聚合度) 分子链的长短对纤维的力学性能影响很大随着相对分子质量的增长，分子链间总的次价键力增大分子链间不易滑移，其抗拉强度、断裂伸长、冲击韧性等都随之提高当相对分子质量增长到一定限度时，它对力学性能的提高变得不明显，并趋于一极限值，这一临界相对分子质量Mc，对于不同纤维聚合物有不同值而同一纤维高聚物，对不同的力学性能指标也具有不同的Mc值 2．分子链的刚柔性和极性基团的数量 当分子链存在有刚性的基团时如涤纶中的苯环和纤维素纤维中的葡萄糖剩基等，使纤维的模量增长，刚性增大。

分子链上极性基团多时，分子链间次价键力大，同样使纤维具有较高的模量和断裂强度 3．分子链堆砌的紧密限度、结晶度 纤维中大分子链堆砌的紧密限度不同步，对纤维力学性质影响很大紧密的堆砌，分子链间作用力大，纤维有较高的强度和屈服应力；反之，疏松的堆砌使纤维有较高的断裂伸长和冲击强度一般来说，随着纤维结晶度的增长，其屈服应力、强度、模量和硬度等均会提高，而断裂伸长和冲击韧性则相反结晶使纤维高聚物变硬变脆聚乙烯高聚物的某些力学性能与结晶度间的关系列于表3-2 研究表白：结晶的构造常超过结晶度的影响，大的晶粒一般使纤维高聚物的断裂伸长和韧性减少小晶粒高聚物的抗张强度、模量、断裂伸长和韧性较大晶粒构造纤维都要高，由于大晶粒内部的空隙和结晶界面的缺陷较多4．分子链的取向(取向度) 分子链取向使纤维力学性质产生各向异性，使取向方向的强度和模量增长其因素重要是分子链取向的成果使化学主价键力和氢键、范德华力的分布不均匀，在纤维轴向以主价键力为主，而在垂直方向上以次价键力为主克服次价键力要比克服主价键力容易得多另一方面是，在取向过程中能消除存在于未取向试样中的某些缺陷，或使某些应力集中部分的分子链同步顺力场方向取向。

这样，应力集中效应在纤维轴平行方向上削弱，而在垂直方向上加强因此，随着纤维分子链取向度增长，纤维轴向断裂强度、模量增长，而断裂伸长减少图3-5为。