纺织纤维的力学性质演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 纺织纤维的力学性质,1,纺织纤维的力学性质（或机械性质）是纤维及其制品在使用过程中的重要性质之一。纤维材料的力学性质的好与坏（优与劣）是根据它在受外力作用时，所表现的耐破坏性能（不一定拉断）来评价的。纤维在外力作用下遭到破坏的形式很多，其中以拉伸断裂为最主要的破坏形式。,2,第一节 纤维的拉伸性质,第二节 纤维的蠕变、松弛和疲劳,第三节 纤维的摩擦和抱合性质,3,第一节 纺织纤维的拉伸性质,拉伸指标,拉伸曲线,拉伸机理及影响拉伸的因素,4,一、表示纤维拉伸断裂的指标,指标有：断裂强力；断裂强度；断裂伸,长率,5,1.断裂强力（绝对强力）,定义：纤维能够承受的最大拉伸外力。,单位：牛顿（N）；厘牛（cN)。,对不同粗细的纤维，强力没有可比性,。,6,2.强度,拉伸强度是用以比较不同粗细纤维的拉伸,断裂性质的指标。,根据采用细度指标不同，拉伸强度指标,有以下几种:,7,(1)断裂应力,定义：指纤维,单位截面,上能承受的最大拉力。,单位：N/m,2,（帕）；N/mm,2,（兆帕）。,其计算式为：,=P/S,式中：纤维的断裂应力（MPa）,P纤维的强力（N）,S纤维的截面积（mm,2,）,8,（2）断裂强度（比强度）,定义：每特（或每旦）纤维所能承受的最,大拉力。,单位：N/tex（cN/dtex）；N/den（cN/den)。,其计算式为：,P,tex,=P/T,tex,P,den,=P/N,den,9,（3）断裂长度（L,R,）,定义：纤维的自身重量与其断裂强力相等时所,具有的长度。,即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度为断裂长度。,其计算公式为：,L,P,=（P/g）*N,m,式中：L,P,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/s,2,）,N,m,纤维的公制支数。,10,纤维强度三个指标之间的换算式为：,11,3.断裂伸长率,定义：纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率。,它表示纤维承受拉伸变形的能力。,其计算公式为：,=（L-L,o,）/L,o,式中：,L,o,纤维加预张力伸直后的长度（mm）；,L,纤维断裂时的长度（mm）；,12,4.湿干强度比,纤维在完全润湿时的强力占干态（标准大气下）时强力的百分率。,材料吸湿后强度的变化状况，绝大多数纤维100%，而棉麻等100%。,13,5.10%定伸长负荷,纤维拉伸10时所需要的负荷。,专用于棉型化纤，为混纺进行性能匹配时应用的指标。,14,二、拉伸曲线及有关指标,纺织纤维在拉伸外力作用下产生的应力应变关系称为拉伸性质。,1、拉伸曲线定义,负荷-伸长曲线,：表示纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线。,应力-应变曲线,：表示纤维在拉伸过程中的应力和应变的关系曲线。,两个曲线所反映的纤维强伸关系规律是一致的，不同的只是坐标的量纲。,15,16,一般纤维负荷-伸长曲线,17,上图所能反映的指标有：,1.断裂强力（或断裂强度）,2.断裂伸长（或断裂伸长率）,2.拉伸曲线反映的指标,18,3.初始模量E,定义：纤维负荷-伸长曲线上起始一段直线部分（或伸长率为1%时）的应力和应变比值。,纤维应力-应变曲线上起始段的斜率。,其大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，它反映了纤维的刚性。,E越大表示纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较好，其制品比较挺括；,E越小表示纤维在小负荷作用下容易变形，刚性较差，其制品比较软,。,天然纤维：麻棉丝毛；,再生纤维：富纤粘胶醋纤；,合成纤维：涤纶腈纶维纶锦纶,19,4,.,屈服应力与屈服伸长率（屈服应变）,屈服点：曲线坡度由较大转向较小（伸长由较小转向较大）部分的转折点。,屈服应力：屈服点处所对应的应力。,屈服应变：屈服点处所对应的应变。,20,21,纤维在屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以,基本上是可恢复的急弹性变形,。而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可恢复的,塑性变形,。,屈服点高的纤维，不易产生塑性变形，拉伸弹性较好，其制品保形性好，不易起拱，起皱。,22,5,断裂功、断裂比功和功系数,（1）断裂功W,定义：指拉断纤维过程中外力所作的功，或纤,维受拉伸到断裂时所吸收的能量。,W是强力和伸长的综合指标，用来有效评价纤维的坚牢度与耐用性能。,W大，说明纤维的韧性好，耐疲劳性能强，能承受较大的冲击。,在负荷-伸长曲线上，断裂功就是曲线下所包含的面积。,对不同粗细和长度的纤维没有可比性。,23,（2）断裂比功W,a,定义：拉断单位细度、单位长度纤维外力,所作的功。,W,a,=W/(T,tex,*L,0,),纤维密度相同时，它对不同粗细和不同试样长度的纤维材料具有可比性。,反映应力应变曲线下的面积。,24,（3）功系数W,e,定义：实际所作功（即断裂功W，相当于,拉伸曲线下的面积）与假定功,（即断裂强力*断裂伸长）之比。,其计算式为：,W,e,=W/(P,a,*L),W,e,值越大表明这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强。,各种纤维的功系数大致在0.36-0.65间。,25,（4）纤维柔顺性系数,C0，说明曲线是直线形的，柔顺性差，如刚性纤维和低延性纤维（玻璃纤维、苎麻纤维等）,C0，曲线下凹，柔顺性好，如聚酰胺纤维；C0，曲线上凸，柔顺性较差，但可塑性可能较好。,26,三、常用纺织纤维的拉伸曲线,27,拉伸曲线可分为三类：,（1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等纤维素纤维），表现为拉伸曲线近似直线，斜率较大（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高的缘故）,（2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋酯纤维等），表现为模量较小，屈服点低和强力不高,（3）初始模量介于12之间的拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）,28,纤维开始受力时，其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，基本符合虎克定律。,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，紧张的可能被拉断，也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形比较显著，模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。,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，进入强化区，表现为纤维模量再次提高，直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂，致使纤维解体。,四纤维拉伸断裂机理,29,纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面,30,纤维断裂原因有：,大分子主链的断裂,大分子之间的滑脱,纤维伸长原因有：,大分子的伸直、伸长（键长、键角的变化）,取向度改善,大分子之间的滑移,31,五影响纤维拉伸性能的因素,内因,：,（1）大分子结构（大分子的柔曲性、聚合度）,大分子链的柔曲性纤维伸长,聚合度：大分子间不易产生滑移，所以强度较高而伸长较小,（2）超分子结构（取向度、结晶度）,取向度：强度较大，伸长较小,结晶度：强度较高而伸长较小，但结晶度太大会使纤维变脆（结晶区以颗粒较小，分布均匀为好）,（3）形态结构,纤维中的裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性会导致强度下降,32,外因,：,（1）温湿度,温度：强度，伸长，初始模量,相对湿度：纤维回潮率（分子间结合力减小），所以强度，伸长，初始模量，棉麻例外（本身聚合度高、分子链长、分子间结合力小，吸湿后大分子张力均匀，受力大分子多），强度。,（2）试验条件,纤维根数：换算后的单纤维强力下降,纤维断裂的不同时性（试样中各根纤维的强力、伸长能力、伸直状态不同）,试样长度：测得的强力偏低,弱环定律：,单纤维测试：试样长度10mm或20mm；束纤维测试：3mm,33,拉伸速度,：测得的强力较大而伸长较小,通常：100隔距长度/min,其他：,加负荷的方式：等速拉伸型（摆锤式强力仪）,等加负荷型（斜面式强力仪）,等速伸长型（电子式强力仪，现 在为国际推广方法）,强力仪的量程：,夹持器的夹持情况：,预加张力的大小：,34,最单纯的形变形式有两种：理想弹性变形（虎克变形）；纯粘性流动（牛顿变形）。,虎克变形：,牛顿变形：,对以高分子为主要组成物质的纤维来讲，它不仅具有弹性，而且也具有粘性，这种粘性与弹性的组合即为粘弹性，具有粘弹性的物体即为粘弹体。,第二节 纤维的蠕变、松弛和疲劳,35,粘弹性材料在外力作用下，应力应变的关系随时间而变的性能。,36,一、纤维的拉伸变形与弹性,1.纤维拉伸变形的组成,纤维变形包括：可回复的弹性变形（急弹性+缓弹性）和不可复的塑性变形,急弹性变形,：加（或去除）外力后能迅速变形。,键长、键角的变化,。（一般515s）,缓弹性变形,：加（或去除）外力后需经一定时间后才能逐渐产生（或消失）的变形。,大分子链屈曲伸展、滑移错位,。(一般25min),塑性变形,：纤维材料受力时产生变形，去除外力，不回复的变形。,链节、链段发生不可逆移动（粘性流动），绝对值,。,37,2.纤维的弹性,（1）定义：指纤维变形的恢复能力。,（2）常用指标：,a.弹性回复率R,e,（或称回弹率）,R,e,=（l,急,+l,缓,）/（l,急,+l,缓,+l,塑,）,=（L,1,-L,2,）/（L,1,-L,0,）,式中：L,0,纤维加预加张力使之伸直但不伸长时,的长度（mm）,L,1,纤维加负荷伸长的长（mm）,L,2,纤维去负荷再加预张力后的长度（mm）,38,b.弹性功率 W,e,图中：ec急弹性变形；,cd缓弹性变形；,do塑性变形；,W,e,=弹性恢复功/拉伸所作的功,=A,cbe,/A,oae,39,3.影响纤维弹性的因素：,（1）纤维的结构：分子链的柔曲性、分子间,力的大小,（2）相对湿度；,（3）测试条件；,纤维的弹性是织物获得好的尺寸稳定性与抗皱性的主要因素。,40,二、纤维的流变性质（或粘弹性质）,定义：纤维在外力作用下，应力应变随时,间而变化的性质。,包括蠕变和应力松弛,1蠕变,(1)定义：指一定温度下，纺织材料在一定,外力作用下，其变形随时间而变化的,现象。,41,（2）曲线：,42,（3）产生原因：,随着外力作用时间的延长，不断克服大,分子间的结合力，使大分子逐渐沿着外,力方向伸展排列，或产生相互滑移而导,致伸长增加，增加的伸长基本上都是缓,弹性和塑性变形。,43,2应力松弛（变形一定，F-t关系）,（1）定义：在一定温度下，拉伸变形保持一定，纺织材料内的应力随时间的延续而逐渐减小的现象称为应力松弛。,44,（2）曲线：,45,（3）产生原因：,由于纤维发生变形时具有内应力，使大分子逐渐重新排列，在此过程中部分大分子链段间发生相对滑移，逐渐达到新的平衡，形成新的结合点，从而使内应力逐渐减小。,46,3影响纤维流变性质的因素,纤维本身的结构：,分子量增加，分子链的极性、交联和结晶增加，蠕变松弛减少。,外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛也增加,47,.应用,在纺织加工和使用过程中，必须注意不使纤维材料长期处于紧张状态，以避免蠕变或应力松弛现象发生。,如：布机长期停车时，须使之处于综平状态，以避免经纱受力，产生应力松弛，纱线下垂，再开车时由于开口不清而形成织疵。,各种卷装或机上的半制品储存太久，也会因应力松弛而松烂。,提高温湿度可消除纤维材料的内应力，防止退捻和达到定形的目的等。,48,三、纤维的疲劳特性,1.定义：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，材料最后出现 整体破坏的现象。,疲劳破坏包括：分子滑移、分子断裂、裂缝的产生与扩散、应力集中。,49,疲劳破坏有,两种,。,一种,是指纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时纤维材料迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。这是由于蠕变过程中，外力对材料不断作功，直至材料被破坏，也称为静态疲劳或蠕变疲劳。,另一种,是多次拉伸(或动态)疲劳，它是指纤维材料经受多次加负荷、减负荷的反复循环作用，因为塑性变形的逐渐积累，纤维内部的局部损伤，形成裂痕，最后被破坏的现象。,疲劳形式有：蠕变（静止疲劳）、重复伸长、重复压缩、重复弯曲及重复扭曲（动态疲劳）。,50,纤维的多次拉伸循环,51,纤维的重复拉伸疲劳图,52,2.指标,(1)纤维在一定条件下拉伸至断裂时，所经历的循环次数（耐久度或坚牢度）；,(2)经过一定负荷、一定次数的反复作用，测其剩余伸长的大小。,3.纤维结构和性能与疲劳的关系,(1)纤维材料 拉伸断裂功大，弹性回复性好，耐疲劳；纤维的结构缺陷少，耐疲劳；材料的内耗越小，不易老化，耐疲劳。,(2)试验条件 反复加减小负荷，停顿时间短，卸负荷停顿时间长，耐久度提高。,53,第三节 纤维的摩擦性质,*,纤维的摩擦抱合性质与可纺性、织物的手感、起毛起球、耐磨和抗皱等有关,与纺纱工艺的关系：摩擦现象贯穿于整个纺纱过程；,与纱、布关系：有了摩擦力，纱、布才具有一定价值；,与磨损的关系：纤维、机件被磨损，降低了使用价值；,与发热的关系：高速缝纫可能达300C，使缝针弯曲，缝线熔融；,与静电的关系：摩擦起静电，静电聚集，干扰纺纱工艺正常进行，特别是化纤。,54,一纤维的摩擦、抱合和切向阻力,1.摩擦力F,2,定义：纤维之间或纤维与机件之间，在一,定,正压力作用,下，作相对滑动时所产生的阻力。,55,2.抱合力 F,1,定义：纤维间在,法向压力为零时,，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）,56,纤维的切向阻力：,切向阻力F=抱合力F,1,+摩擦力F,2,N=F,1,+,f,N,切向阻抗系数,=F,1,/N+,f,57,二纤维摩擦抱合性质的指标与测试,1.抱合力的指标与测定,（1）抱合系数h(cN/cm),定义：单位长度纤维上的抱合力。,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F,1,（cN，即抱合力）和纤维的长,l,（cm）,的比值。,h=F,1,/L,58,2）抱合长度L,h,(m),定义：纤维条的自身重力等于其强力（即抱合力）时所具有的长度。,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,L,h,=F,1,/N,tex,式中：F,1,纤维条的强力(gf),N,tex,纤维条的特数,59,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；刚柔性；表面油剂；,温湿度；,纤维卷曲或转曲多，细长而较柔软抱合力较大,60,几种纤维的抱合性能,纤维种类,纤维线密度(dtex),纤维长度(mm),20C时的抱合长度(mgf/tex),羊毛,直径23m,55,30,涤纶,4.4,70,65,腈纶,3.85,90,47,锦纶,3.3,70,95,61,2,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,。,62,Y151型摩擦系数测定仪,63,影响切向阻抗系数的因素,1.纤维表面的性质,*截面为非圆形的纤维的 不易变形纤维的,64,2.化纤油剂的影响,化纤不上油，干摩擦时,切向阻抗系数,大,上油少（油膜在纤维表面形成单分子层),上油多（属液体摩擦，与油的粘度有关）,因为与上油量有关在一定范围内，上油量，；超过一定量后，上油量，。,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。,65,3.法向压力的影响,主体趋势下降,4.滑动速度的影响,由静到动，不稳定，而后随滑动速度，到一定的v时稳定。,合纤在低速时，存在,粘滑现象,，变化较大。,一般测,动，,希望3m/min以上。,66,67,5.温湿度的影响,温度：,T变化引起油剂变化纤维性能变化,随着T，；合纤到一定温度数值时，随着T，（油剂挥发）。,湿度：,RH%，则（v，E）,当RH%=100%时，最大。（接触面积）,加工中RH%必须加以控制，太湿，加工困难；太干，发脆,68,第四节 纤维的弯曲、扭转与压缩特性,一、纤维的弯曲,纤维弯曲时的变形与破坏,69,1.纤维弯曲时受力情况,：,外侧受拉，伸长,内侧受压，压缩,70,2.纤维抗弯刚度R,f,定义：纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力。,公式：R,f,=Er,2,f,/4,式中：r实际截面积折算成正圆形时的,半径（mm）,E纤维的弯曲弹性模量（cN/cm,2,）,f,截面性状系数（它等于实际的惯性,矩与正圆形截面惯性矩之比）,71,R,f,大纤维不易弯曲，不易成圈编织，耐磨性差，特别是曲磨，其织物较挺爽，有身骨。,R,f,小纤维易产生弯曲，易于成圈编织，其织物较软糯。,常用纤维R,f,由大到小的次序为：,苎麻玻纤涤纶富纤腈纶维纶蚕丝棉锦纶羊毛,72,纤维种类,截面形状系数,f,密度（g/cm,3,）,初始模量E（cN/tex）,相对抗弯刚度R,f,(10,4,.cN.cm,2,）,长绒棉,0.79,1.51,872.1,3.66,细绒棉,0.70,1.50,353.1,2.46,苎麻,0.80,1.52,2224.6,9.32,亚麻,0.87,1.51,1166.2,4.96,细羊毛,0.88,1.31,220.5,1.18,粗羊毛,0.75,1.29,265.6,1.23,桑蚕丝,0.59,1.32,141.9,2.65,粘胶纤维,0.75,1.52,515.5,2.03,涤纶,0.91,1.38,1107.4,5.82,锦纶6,0.92,1.14,205.8,1.32,锦纶66,0.92,1.14,214.6,1.38,腈纶,0.80,1.17,670.3,3.65,维纶,0.78,1.28,596.8,2.94,玻璃纤维,1.00,2.52,2704.8,8.54,73,3.纤维的钩接和打结强度,纤维的断裂伸长率越大，其钩接和打结强度越大。,74,二、纤维的扭转,75,抗扭刚度R,t,：纤维抵抗扭转变形的能力。,R,t,=E,t,*I,p,式中：E,t,剪切弹性模量；,I,p,截面极惯性矩。,R,t,大加捻时阻力较大，易遭到破坏或产生塑性变形，且有较强的退捻趋势,。,76,各种纤维的扭转性能,纤维种类,扭转截面形状系数,t,相对剪切弹性模量E,tl,(gf/tex),相对抗扭刚度R,f,(10,-4,gfcm,2,/tex),棉,0.71,165,7.9,羊毛,0.98,85,6.7,桑蚕丝,0.84,168,10.2,柞蚕丝,0.35,230,6.0,苎麻,0.77,109,5.6,亚麻,0.94,87,5.8,普通粘胶纤维,0.93,74,4.7,涤纶,0.99,65,4.7,锦纶,0.99,45,4.0,腈纶,0.57,99,5.2,维纶,0.67,75,3.6,玻璃纤维,1.00,1640,64,77,三、纤维的压缩,单根纤维沿轴向的压缩性能，由于测量方面的困难，至今研究不多。,纤维集合体的压缩主要表现在横向的受压。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，纺织制品打包时的受压。,纤维受横向压缩后，在压缩方向被压扁，在受力垂直方向上则变宽。,78,79,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，压力严重时出现纵向劈裂。,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。,因此棉花打包有密度限制。,80,总结,纤维拉伸指标,纤维拉伸机理及影响因素,纤维的力学性质,作业,81,作业：,1.名词解释,应力松弛、疲劳,2.试分析影响纤维拉伸断裂的因素。,3.纤维被拉伸后会产生哪三种变形？其特征如何？,82,试样,V,P,（%）,E,高强锦纶,1/60,0.55,16.7,3,5000,0.67,14.7,5,强力粘胶,1/60,0.56,5.4,14,2000,0.80,5.2,22,玻璃纤维,1/60,0.42,1.8,22,1000,0.54,1.8,28,低速和高速之比,返回,83,