（纺织材料与纺织品设计专业论文）三组份长丝和短纤维复合纱线的生产工艺及力学性能研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要 在回顾复合纱线的发展和研究历史基础上，本文提出了新型三组份长丝和短纤维 复合纱线的结构模型，该纱线由一组份的涤纶长丝作为芯丝，在其外面包缠一层棉纤 维，然后再在棉纤维层外交缠另一组份的涤纶长丝。 在研究生产原理过程中，设计了由表面开有沟槽的前皮辊与张力控制装置组成的 特殊纺纱装置，成功实现一步纺成这一特殊结构的纱线；在分析了三组份复合纱线的 加捻三角区及汇聚点的受力状况的基础上，讨论了影响复合纱线上的捻度及三角区内 纱条上的捻度的因素，提出了交缠丝在包芯纱体上进行等螺距缠绕和棉须条在芯丝上 完全包覆的条件；通过引入超喂率的概念，提出了影响交缠丝在包芯纱体上的交缠效 果的因素，即主要是各组份的粗细程度，交缠丝和芯丝上的预加张力，纺纱张力及交缠 丝与包芯纱体间的间距等因素，列出了生产三组份复合纱线的生产工艺。 在成功纺制三组份复合纱线的基础上，通过对复合纱线的纵横向截面形态的扫描 与摄影及对有色长丝的示踪分析，可以直接观察到纺制复合纱线的结构与预期的结构 模型相一致，并讨论了影响复合纱线结构的各种因素。 在三组份复合纱线的力学性能研究方面，根据复合纱线的实际拉伸情况，建立了 纱线拉伸的力学模型，在此模型中引入了新颖的滑块杆件，较好地说明了三组份复合 纱线的拉伸受力情况。讨论了影响复合纱线力学性能的因素，通过对不同捻度的三组 份复合纱线的强伸试验，得到了复合纱线的断裂强力与捻系数回归预测方程，测试结 果可以看出，复合纱线的比强开始随着捻系数的增加逐渐增加，当捻系数达到一定数 值时，复合纱线的比强达到最大值，继续增加捻系数，比强下降，小于临界捻系数时， 曲线比较平缓，说明捻系数的增加对复合纱线的强力贡献影响不是很大；从断裂伸长 率与捻系数的回归曲线中可以看出，随着捻系数的增加，复合纱线的断裂伸长率开始 略有下降，继续增加捻系数，则伸长率增加，在靠近临界捻系数处，复合纱线获得一 个较大的峰值，之后随着捻系数的增加，伸长率又出现下降，然后再次出现反复直至 纱线断裂。通过对芯丝与交缠丝在不同预加张力下的三组份复合纱线的强伸性能的研 究，发现当交缠丝与芯丝的预加张力比值很小时，复合纱线的拉伸曲线具有明显的二 相结构特征：探讨了复合纱线一次拉伸多次屈服的现象及影响纱线强伸性能的因素。 该三组份复合纱线既可体现短纤维的天然外观，对松懈的短纤维须条进行捆扎， 减少毛羽，减少纱线的起毛起球，又可提高最终纺织品抗折皱能力。如要生产花色或 混色纱线，则可选用不同颜色的三组份原料将其组合在一起，对提高纱线的综合性能 是比较理想的。 关键词：三组份复合纱线生产工艺形态结构力学性能 t h ep r o d u c tio nt e c h n olo g ya n dm e c h a nicp r o p e r t ie so ft h e t r i c o m p o n e n tf ii a m e n t a n ds t a p i ef i b e tc o m p o s i t ey a r n a b s t r a c t o n t h eb a s i so fr e v i e w i n gt h eh i s t o r yo fs t r u c t u r a la n dm e c h a n i c p r o p e r t i e sr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no fc o m p o s i t ey a r n ，t h ea u t h o r p r o p o s e dt h es t r u c t u r a lm o d e lo ft r i c o m p o n e n to ff il a m e n t sa n dt h es t a p l e f i b e rc o m p o s i t ey a r n o n eo ft h ec o m p o n e n t si sp o l y e s t e rf i l a m e n tt a k e na s t h ec o r ei nt h i sy a r n ，a n dc o t t o nf i b e rw i n d e da r o u n dt h ec o r e ，t h e na n o t h e r c o m p o n e n tp o l y e s t e rf il a m e n tw r a p p e da r o u n dt h ec o t t o nl a y e r 1 nt h er e s e a r c ho fp r o d u c t i o np r i n c i p l eo ft h ep r o c e s s e s ，o n ek i n do fr e e l t h r e a di n s t a l m e n tisd e s i g n e ds p e c i a l l yt h a ti sm a i n l yc o m p o s e do ff r o n tt o p r 0 1 1 e rw i t hat r e n c hi ni t ss u r f a c ea n dt h et e n s i o nc o n t r o ld e v i c e ， a n dt h i s y a r nw i t hs p e c i a ls t r u c t u r ei ss p u ns u c c e s s f u l i fb yo n es t e p o nt h eb a s i s o fa n a l y s iso ft h es t r e s sc o n d i t i o no ft r i a n g u l a rz o n ea n dc 0 11 e c t i o np o i n t o ft h ec o m p o s it ey a r n ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h et w i s t so fc o m p o s it ey a r n a n dt h ey a r ni nt r i a n g u l a rz o n ea r ed is c u s s e d ，a n dt h ec o n d i t i o no ft h ee q u a l p i t c ho ft h ew r a p p e df i l a m e n to nt h ec o r e s p u ny a r na n df u l lc o v e r a g eo fc o t t o n f i b e ro nt h ec o r ef il a m e n tisp r o p o s e d w it ht h eh e l po fi n t r o d u c i n gt h e c o n c e p to fo v e r f e e d i n gr a t e ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee f f e c to fw r a p p e d f i l a m e n to nt h ec o r e s p u ny a r na r ed i s c u s s e d ，n a m e l yt h et h i c k n e s so ft h et h r e e c o m p o n e n t s ，p r e t e n s i o na n ds p i n n i n gt e n s i o no fw r a p p e df i l a m e n t a n dt h e c o r e s p u ny a r na n dt h es p a c eb e t w e e nw r a p p e df i l a m e n ta n dt h ec o r e s p u ny a r n a n ds oo n t h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft r i c o m p o n e n tc o m p o s i t ey a r ni sg i v e n o nt h ef o u n d a t i o no fs u c c e s s f u ls p i n n i n gt r i c o m p o n e n tc o m p o s i t ey a r na n d t h r o u g hs c a n n i n ga n dt h ep h o t o g r a p h yo ft r a c in gf il a m e n ti nl o n g i t u d i n a la n d l a t e r a ls e c t i o n ，t h ea c t u a ls t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t ey a r ni sc o n s is t e n tw i t h t h ea n t i c i p a t e ds t r u c t u r a lm o d e l t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t r u c t u r eo f c o m p o s i t ey a r na r ed is c u s s e d i nt h ea s p e c to fr e s e a r c ho nm e c h a n i cp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t ey a r n ， t h em e c h a n i cm o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt oa c t u a ls t r e t c hs i t u a t i o no f t h ec o m p o s i t ey a r n ，a n di nt h em o d e lan o v e ls l i d eu n i ti si n t r o d u c e d ，w h i c h e x p l a i n st h e s t r e t c hs it u a t i o no ft h ec o m p o s i t ey a r nw e l l t h ef a c t o r s i i i n f l u e n c i n gm e c h a n i c sp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t ey a r na r ed i s c u s s e d t h r o u g h t h es t r e n g t ht e s t s ，t h er e g r e s s i o nc u r v ea n dt h er e g r e s s i o ne q u a t i o no ft h e f o r c ea n dt w is tc o e f f i c i e n to ft h ec o m p o s i t ey a r ni so b t a i n e d f r o mt h e r e g r e s s i o nc u r v eo ft h ef o r c er e l a t e dt ot h et w i s t ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h e s p e c i f i cs t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ey a r ni n c r e a s e sg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h e t w i s tc o e f f i c i e n ti nt h es t a r t i n gs t a g e w h e nt h et w i s tc o e f f i c i e n ta c h i e v e s ac e r t a i nv a l u e ，t h es p e c i f i cs t r e n g t hi sm a x i m i z e d c e n t i n u i n gt oi n c r e a s e t h et w i s tc o e f f ic i e n t ，t h es p e c i f i cs t r e n g t hisd r o p p i n g ，a n dw h e ni ti s s m a l le rt h a nt h ec r i t i c a l t w i s t st h ec u r v ei sq u i t eg e n t l e ，w h i c hi n d i c a t e s t h a tt h ei n f l u e n c eb yt h et w i s tc o e f f i c i e n tc o n t r i b u t e dt ot h es t r e n g t hi s n o tv e r yb i g f r o mt h er e g r e s s i o nc u r v eo ft h ee l o n g a t i o nr a t i or e l a t e dt o t h et w i s tc o e f f i c i e n t ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h ee l o n g a t i o nr a t i ob e g i n st o d r o pa l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et w i s tc o e f f i c i e n t w i t ht h ec o e f f i c i e n t i n c r e a s i n gf u r t h e r ，t h ee l o n g a t i o nr a t i oi si n c r e a s i n g w h e ni ta p p r o a c h e s t h ec r i t i c a lt w i s tc o e f f i c i e n t ，t h ee l o n g a t i o nr a t i oo fc o m p o s i t ey a r no b t a i n s ab i g g e rp e a kv a l u e t h e na l o n gw i t ht h et w i s tc o e f f i c i e n ti n c r e a s i n g ，t h e e l o n g a t i o nr a t i oa p p e a r st h ed r o p a n dt h i ss i t u a t i o nr e p e a t su n t i lt h ey a r n i sb r o k e n t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i cp e r f o r m a n c eo ft h ew r a p p e d f i l a m e n ta n dt h ec o r e s p u ny a r nu n d e rd i f f e r e n tp r e t e n s i o n ，i tc a nb ef o u n d t h a tt h es t r e t c hc u r v eo ft h ec o m p o s i t ey a r nh a sab i p h a s es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c i na d d i t i o n ，t h ep h e n o m e n ao fm a n yt j m e ss t r e t c hs u b m i t so f c o m p o s i t ey a r na n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h em e c h a n i c sp r o p e r t i e sa r e d i s c u s s e d t h en a t u r a la p p e a r a n c eo ft h e s t a p l e f i b e ri sm a n i f e s t e di nt h i s t r i c o m p o n e n tc o m p o s i t ey a r n ，t h el a xs h o r tf i b e rt i e du p ，h a l r n e s sr e d u c e d ， f l u f fa n df u z zb a l1r e d u c e d ，a n dt h ef i n a lc r e a s e r e s i s t a n c em a yb ee n h a n c e d i ft h em ix e dc o lo ry a r nisp r o d u c e d ，t h edif f e r e n tc o1o rt h r e ec o m p o n e n t sr a w m a t e r i a lm a yb es e l e c t e dt oc o m b i n ei nt o g e t h e r ，w h i c he n h a n c et h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo ft h ey a r ni d e a l1 y l i s h a nf a n ( t e x t i l em a t e r i a l s & t e x t i l e sd e s i g nm a j o r ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm uy a o k e y w o r d s ：t r i c o m p o n e n tc o m p o s i t ey a r n ，p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ， c o n f o r m a t i o ns t r u c t u r e ，m e c h a n i cp r o p e r t i e s i n 符号总表 名称 纤维半径 变异系数 纱线断裂伸长 方差 两根单纱中心距 纱线密度 芯纱密度 包缠纱密度 纱线断裂伸长率 纤维拉伸模量 纱线拉伸模量 股线的纺纱张力 纱线断裂强力 三角区内包芯纱体上的张力 三角区内交缠丝纱条上的张力 纱线应力 芯纱应力 包缠纱应力 包缠纱螺距 纤维长度 钢丝圈带动纱线回转产生的扭矩 包芯纱体上产生的反扭矩 交缠丝上产生的反扭矩 包芯纱体因弯曲产生的挠性反力矩 交缠丝因弯曲产生的挠性反力矩 纱线断裂比强 一个转移周期纤维的长度 相关系数 芯丝截面积 棉须条截面积 i v 单位 硼 硼 c n m m c n 唧 3 3 3 e e 2 2 2 m m m ，m 几几 m 肌珊 圳 m咖斯鲋州州州洲州州m m 咖州 x 沁、 2 2 州 m m m 号 惭 。 ： ， 。 符a乩盯d也也山乩b f呻阡阡lh k m p q r & & 交缠丝截面积 纱线断裂时间 纤维在纺纱张力作用下受到的力 向心压力 纺纱张力 纤维间的摩擦系数 断裂功 试样测试最大值 试样测试平均值 试样测试最小值 包缠纱螺旋角 捻系数 纤维与须条轴线夹角 芯丝的加捻螺旋角 交缠丝的加捻螺旋角 纤维转移系数 芯纱的应变 棉须条的临界应变 交缠丝的临界应变 纤维的应变 包缠纱的应变 纱线的应变 、 包芯纱体与捻合轴的夹角 交缠丝与捻合轴的夹角 泊松比 应力 应力 应力 纤维的应力 纱线的应力 捻缩率 纤维比容 纤维与纱线体积比 纱线线密度 v i l 吼2 s c n c n c n c n m g i n 3 g g r a m 。 o m m m 嘶 ，一洲洲州州洲 第一章绪论 1 1 复合纱线的发展历史 1 1 1 复合纱线的种类及发展 1 绪论 随着人们对纺织品的审美情趣和内在性能的要求不断提高，纺织品必然要向满足 人们的各种要求方向发展。而作为纺织品的基础材料的纱线则首当其冲。如在纱线的 外观方面，为了产生多种颜色的混色效应，将多种颜色的多组份的纤维混合在一起则 不可避免。目前已有国外先进的纺织机械制造公司生产这种设备，像鄂尔多斯和杭州 第二棉纺厂分别引进意大利和澳大利亚等国生产多色随机混纺纱线设备。在纱线的内 在性能方面，为了满足人们对纱线强伸、耐磨、弹性、吸湿和抗疲劳等方面的特殊要 求，将多种组份的纤维组合在一起，取长补短，提高纱线的综合性能也是一种可行的 方案。 由于长丝与短纤维的复合纱线兼有长丝和短纤维的特点，具有较好的强伸特性， 条干不匀率小，短纤维纱自然的外观，优良的抗起毛起球性，可纺高支纱，工序短等 优点，而颇受纺织工作者的关注。但复合纱线与传统短纤维纱线在结构上存在着较大 的差异，这势必影响到纱线及其织物的性能。因此，为了很好地利用复合纱线生产优 质面料，深入研究长丝与棉短纤维复合纱线的结构及性能，特别是其基本力学性能与 结构的关系，具有十分明显的现实意义。 长丝与短纤维复合纱线( c o m p o s i t ey a r n so ff i l a m e n ta n ds t a p l ef i b e r s ) 是指两种或两种以上不同组分的纤维( 纱线) ，经纺纱系统加工复合而成的纱线。长 丝与短纤维复合纱线种类主要有：包芯复合纱、包缠复合纱、赛洛纺( s i r o ) 复合纱、 并列纺( p l y f i l ) 复合线等。长丝与短纤维复合纱线可在改进的传统细纱机或传统并 捻机上加工纺制。 包芯复合纱( c o r e s p u ny a r n ) 又分为单粗纱与长丝纺制包芯复合纱和双粗纱与 长丝纺制包芯复合纱，在改进的细纱机上，长丝应置于短纤维须条中间即长丝与短纤 维须条零间距) 。 单粗纱与长丝纺制包芯复合纱是指在改进的传统细纱机上，短纤维粗纱通过双皮 圈牵伸系统，长丝不经过牵伸区，仅经过张力器，在前罗拉后端经集聚器与短纤维须 条混合。一般来说，长丝越细，越易包覆，但纺纱时长丝断头较多，相对复合纱的细 度来说，芯纱长丝的细度应有一个上限值。 双粗纱与长丝纺制包芯复合纱是s a w b n e y 2 1 1 等人研制，将长丝置于两根短纤维 第一章雒 论 粗纱条中间的方法。该方法已申请了专利“”。他们认为，该方法纺制的复合纱与单 粗纱与长丝纺制包芯复合纱相比，可完全包覆长丝，成纱毛羽少，断裂强度提高约 1 0 ，耐磨性能也更好，织物可完全表现出天然纤维的风格。 近年来，j o un 1 、w u 和l e e “。们采用h i c k s 和d e e n i n g 的专利 1 1 1 # 利用静电法使 长丝分散，在与短纤粗纱须条在改进的环锭细纱机上纺制复合纱线装鼍及成纱性能进 行了研究。他们认为，这种方法可以解决长丝与短纤维在低捻时由于抱合力小造成相 对滑动而产生“剥皮”现象，且该方法可使长丝与短纤维充分混合。静电法使长丝分 散的方法，可使长丝与短纤维充分混合，相互抱合形成稳定的结构，但长丝必须是合 成纤维( 静电可使其方便地分散开来) ，且存在安装分散装置的经济和技术上的问题。 在改进的环锭细纱机上纺制包芯复合纱时，要完全让短纤维包覆长丝，纺纱时长 丝与短纤维须条问定位较难控制且要形成良好的包覆，对长丝的线密度及短纤维的含 量均有一定的限制。当二组分相同时，可采用s i r o f i l 复合纺纱方法 s i r o f i l 复合纱( s i r o f i lc o m p o s i t ey a r n ) 是由s i r o s p u n 纺纱方法衍生发展而 来，即s i r o s p u n 纺纱系统中用一根长丝取代其中的一根粗纱条，因而叫做s i r o f i l 复合纱。由于成纱中含有长丝和短纤维两种组分，又称为双组分纱：当短纤维为毛纤 维时，又称w o o l f i l 复合纱。称谓不同，其实质却是一样的，即在改进的细纱机上长 丝与短纤维须条有一定间距时复合纺纱而成。 s i r o f i1 纱较包芯复合纱具有相对稳定的结构。s i r o f i l 纺纱方法是纺高支纱的 一条有效途径。这种纱线不用上浆就可以直接织造，非常适合于轻薄类织物的开发。 s i r o f i l 复合纱与包芯复合纱最大的不同，是长丝与短纤维须条间有一定距离。 至于长丝在须条的哪一例，对成纱结构无影响。由于该复合纱没有要求长丝被完全覆 盖，长丝的规格就有较大选择范围。但暴露在复合纱表面的长丝会影响到织物的手感 及外观。一般地，s i r o f i l 复合纱较相同原料纺制包芯纱有较高强力。 x i e 等人“”“1 采用空心锭子法纺制包缠复合纱( w r a p p e dy a r n ) ，将长丝包缠于 伸直的短纤维芯纱上，并进行了理论研究。 s r i n i u a s a n “”对在环锭细纱机上得到的复合纱再进行空气变形处理，可使长 丝与短纤维间的抱合得到进一步提高，纱线模量降低，蓬松性更好。 变形长丝与短纤维纱在传统的并捻机上纺制p l y f i l 复合纱线( p l y f i lc o m p o s it e y a r n ) ，可使得长丝与短纤维间具有较好的抱合力而形成稳定的成纱结构。 1 1 2 纱线的力学性能及结构的研究历史与现状 纱线作为织物的基本组成要素，对织物的强力、手感、外观起决定性作用，所以 其力学性能被广泛地重视。纱线的力学性能主要包括以下几个方面：( 1 ) 拉伸：( 2 ) 蠕变、松弛和疲劳；( 3 ) 弯曲、扭转和压缩；( 4 ) 摩擦与抱合“。 2 第一章绪论 a 长丝纱线力学性能研究历史 在文献上，纱线结构力学的大多数理论工作是关于长丝纱线的。因为这种纱易于 处理形成加捻纱的结构，便于理论研究和实验性的调查研究。 1 9 0 7 年g e g a u f f “”发表的研究报告，他假设纱线具有完全的螺旋形几何结构，并 具有足够的捻度以防止纤维的滑脱。1 9 4 2 年s u l l i v a n 1 假定纱的表面存在着一种随 机的压力，用来说明产生横向压力的原因，他还引入了纤维性质可变性的概念，并建 立了以下理论：纱的强力开始随着捻度的增加达到最大值后，捻度再增加强力反而下 降。1 9 6 8 年m o n e g o 和b a c k e r ”提出的模型结构是纱中纤维没有转移，纱线由9 0 根 涤纶长丝与精梳棉纱构成。根据他们的实验b a c k e r 等人得出的结论是断裂总是首先 发生在纱的中心位置，而且棉纱中有多次断裂发生，否定了这样的假设：即各根聚酯 长丝和棉短纤维表现为互不干扰而且已经断裂的长丝或短纤维对纱的强力不再起作 用。 此后，w e m o r t o n ，j w s h e a r l e 2 “、d k g u p t aa n de l s h i e r h 、 h f u k u n a g a ，t c h o ua n d h f u k u d a 、c z w e b e n 嘲、j x i n g ，g c h s i a oa n d t w c h o u 等人均对纱线的结构与性能展开了研究，其中h e a r l e 等人对纱线的力学进行了系统 的研究。 h e a r l e “7 1 实现了对纱线结构力学的简单分析，用于计算连续长丝纱的模量。他 假定纱具有一个理想的几何结构：纱线横截面的长丝组份具有均匀的性质；每根长丝 在纱中保持固定的螺旋形路线，其径向位置没有变化；此外，在拉伸时，纱的直径没 有变化，而且聚集密度不变。 根据纱的几何结构和纱的变形与纤维轴向变形问的关系，可得： s ，2 s yc o s ( 1 1 ) 式中：勺为纤维的应变，s ，为纱线的应变，口为纤维轴向与纱线轴向的螺旋交角。 这个关系式表明：在纱的中心的直线形长丝( 口= o ) 的伸长与纱的伸长相等，并 表明在纱表面的纤维，其伸长值降低到占。c o s 2 口。 纱线拉伸模量e ，与纤维拉伸模量e ，的关系： e y = e ，c o s 2 口 ( 1 2 ) 式中口为纱线表面纤维轴向与纱线轴向的螺旋线夹角。 上面这个表达式表明纱的模量随着捻回角口的增大而减小，这个简单的关系与实 验结果符合很好。 p l a t t 。1 指出：既然位于纱轴上的纤维变形等于纱的轴向变形，则断裂首先发生 第一章绪论 在中心的长丝上，接着剩下的长丝继续断裂，直到纱断裂为止。由于瞬间断裂的扩散 而造成严重破坏，这种现象已被观测到。但它不能普遍应用到纱线断裂的所有情况， 断裂扩散现象取决于有关因素，如捻度、纤维的表面积、混纺比等。 以上对纱的力学性质的分析，忽略了一个十分重要的方面，即横向力( 垂直作用 在长丝轴上的力) 的作用，而这种力影响纱的负荷一伸长特性，特别对短纤纱是如此。 横向力的重要性在于当纱线受到拉伸时，它影响负荷在纤维之间的传递，另一个重要 参数是由于收缩，使纱的直径减小所造成的影响。在分析加捻纱线结构的力学性质时， 对于施加在纤维和纱线的横向力的影响，已被很多研究者所认识。h e a r l e “7 1 曾对纱 的强力预测作了最广泛的分析，并将横向力计算进去了。 他的步骤是首先建立纤维变形与纱的变形之问的关系式，将纱的收缩率肌( 泊 松比) 计算进去，得到： s r = 占，( c o s 2 0 一i ，s i n 2 0 ) ( 卜3 ) “，= 纱的径向收缩纱的轴向伸长 如果考虑到纱在工业应用上的破坏情况，长丝受到的破坏变形约为1 5 - 3 0 。 h e a r l e “7 1 报导了一个严格的分析，并导出下列表达式，用于大伸长情况下长丝变形。 占，= 占y ( c o s 2 品一ys i n2 毋) 一3 2 占y 2 ( 】+ y ) 2 s i n2 鼠c o s 2 岛 ( 1 4 ) 式( i - i ) 对于纱线伸长在1 0 以内时是相当一致的，而式( 卜4 ) ，则是在纱伸长达 3 0 时相当一致。 t r e l o a r 和r i d i n g 1 利用长丝伸长时，所有外力所作的功等同于储存于变形后的 长丝中的弹性位能而求得纱线的应力一应变关系，同时将横向力引起的压缩作用也考 虑进去了。这是一种较简单的方法。由于能量是无向量值，可以用数值求和，而应力 是向量相加。h e a r l e 后来又做了进一步的简化。经实验验证，与理论计算结果一致 性较好。 b 短纤维纱线的拉伸性能研究历史 短纤维的拉伸性能由于它的结构复杂，仍然没有充分了解。在研究短纤维纱的结 构力学时，其困难主要由于两个因素，即纤维长度的不连续性和拉伸中纤维的滑动。 h e a r e ”1 曾对短纤纱的力学性质作出了更严密的理论分析，他提出用三种研究 水平去讨论问题。 ( 1 ) 一种纯粹定性的分析。 ( 2 ) 一种粗略的分析，用很多近似方法，得出简明的方程用于表达短纤纱随捻 度变化的力学性质。 ( 3 ) 一种完善而严密的分析，用一种理想化的模型得出一组方程，要求用数值 第一章绪论 计算求解。 1 ) 近似的理论分析 在这种分析中，把纱线看作是连续长丝纱。把所有的其他近似方法都包括在内， 推导出模量随捻度而变的公式预示着模量与c o s 2 a 成正比，接着又得出一个表达式用 于表示纱表面层纤维张力的减小情况。还得到一个方程用于表示表面层上正常化的平 均拉伸应力，该应力是由于施加微小轴向变形而引起的。其最后表达式如下： t f = c o s 2 a 1 - - & c s c 口 ( 1 5 ) 式中e ，：纱的模量：e f ：纤维的模量：j r = - - 3 压f 八( o 。q j ；c 。s 2 口这一项表示捻度( 倾 斜) 的影响；1 1 一r c s c 口l 表示纤维滑动引起的张力波动；n 为纤维半径；q 为一个转 移周期纤维的长度；f ，为纤维长度：“纤维问的摩擦系数；但茁值往往很难得到精确 值。但是这个简单的分析一般可表示各种因素是如何影响短纤维的模量的。 2 ) 完善而严密的分析 h e a r l e 采用弹性力学和几何学又进一步进行推理，得到： r 一! 1 11 1 导= ( 1 - 4 秽，# 6 - ，r 2x l o - s ) i1 一掣掣i ( 1 - e ) l 3 2 fr “2 vr f 2 l 式中，y ，为纤维比容；西为纤维体积与纱线体积之比：r 为捻系数；y 为纤维转移系 数；国。为纱线线密度。 3 ) 短纤维纱强力的定性分析 短纤纱的强力取决于纤维的各种性质以及纱线结构上和工艺上的参数。众所周 知，随着捻系数增加，纱的强力增加值降至最小，以至捻度再增加，则导致强力下降。 强力最高时的捻度叫临界捻度。对于这种现象的传统解释是基于纤维滑动和纤维断裂 的综合结果。影响纱的拉伸强力的其它因素是： ( 1 ) 纱中纤维的转移次数和转移率，它不仅对于纤维上形成张力的程度有影响， 更重要的是短纤维纱如果没有很多次内外转移，就不可能使每根纤维被其他纤维包缠 压紧，而此根纤维又包缠压紧其他纤维，否则纱线会自动解体。 ( 2 ) 纤维的细度，在纤维上形成的张力正比于纤维的截面积，而在另一方面对 滑动的摩擦阻力，正比于周长，也就是正比于纤维的半径。很明显，引起滑动的张力 按照纤维半径的平方而增加，但摩擦阻力的增加是半径的一次幂。因此纤维的半径越 第一章绪论 大，则纤维张力克服滑移的摩擦阻力的趋势也越大。换言之，纤维愈细，纱的强力愈 高。 ( 3 ) 纱截面上纤维的根数，它影响纱线中纤维间接触点上所生成的压力。纱支 粗细决定着纱中纤维的根数，如果纱中断面上纤维根数很少，则纱的强力低。 ( 4 ) 纱线上的毛羽数量和毛羽长度 ( 5 ) 纤维的集聚密度，决定着短纤纱中纤维的缠结程度。 关于影响纱的延伸性直至断裂的因素尚不可能作出精确的分析。一般定性的解释 是，在低捻纱中，纤维趋向滑移而不是断裂，故纤维的平均长度和长度的分布是重要 的。另一方面，在高捻纱中纤维绝大多数趋向于断裂而不是滑移，则单纤维的屈服特 性是主要的。随着线密度的增加，平均强度以下弱纤维过早断裂的频率，根据统计的 结果，趋向于减少，这样会使纱的延伸性趋于增加。另外，纱的不匀率对纱的强力有 深刻的影响。纱的不匀率随着纱线细度的增加而增加。因为纱的强力取决于最薄弱的 片段，所以不匀率的增加将导致纱出现较低的强力。 h o l d w a y 。“提出了预测精梳毛纱的平均强力公式，即精梳毛单纱的平均强力与有 效捻系数的函数成正比关系，除很低捻与很高捻预测偏差较大外，其它情况都符合常 态。 纱线力学更强的理论分析是由这一领域的力学研究者完成的，继d a n i e l s o o 和 c o l e m a n 。2 1 研究传统纤维束，p h o e n i x 。”系统研究了纤维束的机械性能，在文献中 p h o e n i x 研究了无捻纤维束由于纤维的随机松驰导致的纤维之间的相互作用对纤维 束断裂的影响，后来他将其统计模型扩展到加捻纤维束。 c o l e m a n ( 1 9 5 8 ) o ”在检验长纤维的强度时发现：对某一纤维进行拉伸试验时， 该纤维通常在其最弱截面处发生断裂。纤维的强度与纤维的长度有关。纤维的累 积强度分布函数p ，i 盯，) 为纤维拉伸应力盯，的某一单调增函数。c o l e m a n 假定纤维可 以看成由n 个无相互作用的单位长度的短纤维所串成，并假定某纤维的所有链节均有 同样的累积强度分布函数p b ，) 。一链节的强度大于盯，的概率为l p b ，) ，所有链 节在盯，作用下，均不被破坏的概率则为u p hj j “，因此在盯，作用下，至少一个链 节断裂的概率为 p ，p ，) = i 一【l p p ，汁 ( 卜7 ) 式中p ，b ，) 可以看为纤维的累积分布函数。 c o l e m a n 指出，尸b ，) 具有韦布尔分布的形式。对于长纤维( n 一。o ) ，由上式给出 了破坏的累积概率 6 第一章绪论 p ，b ，) = 一e x p l 一工( 詈 4l c - 一s ， 弓n ) 为某纤维在应力水平等于或小于o - ，下的破坏概率a 其中，l 是关于某一 参考长度的长度比，c r 0 为单位长度比( 即l = 1 ) 的尺度参数，为形状参数，它们均 为材料常数，通常由试验确定。由上式可得概率密度函数 地血酊w 一唧阳酬 ( 1 _ 。) 。上式表明，纤维强度与长度有关。g u c e r 和g u r l a n d ( 1 9 6 2 ) 。4 3 最早提出所谓链式 模型以处理某种材料集合体由于分散的、无关的内部断裂而导致的最后破坏。此模型 设想把材料分成一系列长为1 个单位的完全相同的层。每一层含有n 个无关的、具有 相同强度分布的平行排列的元素。如果把每一层称为一个环，这些环就连成了链，链 中只要有一环断了，整个链条就断了( 所谓最弱环统计模型) ，而每一环为一个元素 束，它具有束纤维的强度分布。 r o s e n ( 1 9 6 4 ) ”把这一模型应用于单向纤维增强复合材料的纵向拉伸破坏问题 的分析中，提出了“无效长度”的概念，用它作为每层的长度。其理论依据是，在复 合材料中，由于基体的存在，某根纤维在最弱点断裂时并非整根报废。在离开断口很 短的一段距离后，这根纤维又基本上恢复到未断纤维的承载力水平。这段距离的大小 取决于材料的性质。r o s e n 定义纤维应力从零( 断口) 恢复到未断纤维承载力的某一 规定百分数西( 也称纤维效率) 所需之距离万为无效长度。 k e m p 和o w e n 。”曾指出由于捻度将纤维束缚在一起，纤维之间相互摩擦，单根纤维 断裂后还能承受一些负荷，并将断裂前承受的力完全转移给其它未断裂纤维，在某种 条件下，一根纤维不止一次断裂。k e l l y 和m a c m i t l a n 在讨论纱线断裂过程中提出了 “临界纤维长度”的概念，在整个纱线完全断裂之前，随着应变的增加，单根纤维在 断裂后，还能建立起张力承受外载而断裂成更短的纤维，直到断裂成长度达到一个最 小值再不能建立起张力。并给出了：兰监表征“i 临界纤维长度”，其中为临 界纤维长度；k 是纤维的f 的半径；盯。为使纤维f 断裂的应力；为纤维间的摩擦系 数；窖为纱中纤维所受的侧向压力。 c 纱中纤维的几何结构的研究 早在上个世纪五十年代，就有m o r t o n 和y e n 1 创造了纤维的示踪技术，用于表 第一章绪论 明各根纤维相对于纱轴的位置。其法是在纤维变成纱以前，用少量( 少于重量的1 ) 的纤维经过染色，充分混和到未经染色的同一种纤维中纺成纱，再把纱浸入液体介质 中，该液体介质与纤维具有相同的折射率，使得未染色的纤维变成实际上是透明的， 而染色的示踪纤维就可以用显微镜检视和扫描。目前研究纱中纤维排列形态的方法， 有浸液投影法、切片法、x 射线法和放射性辐射法等。 t r e l o a r 。“，r i d i n g 。”等在上个世纪六十年代研究了多股纱线的结构，h e a r l e ， g o s w a m i 。”等研究了纱线中纤维的转移，g u p t a “”研究了短纤纱中纤维的转移， b a l a s u b r a m a n i a n “研究了生产工艺和纤维性能对混纺纱线中纤维排列的影响。通过 对纤维或长丝的连续片段进行观察，用以表明纤维从轴心到表面再到轴心的各个周期 性的转移模型。h a m i i t o n “”用“纤维的转移”来描述纤维在加工过程中的相对移动和 在最后成纱中的位置。 d 长丝与短纤维复合纱线拉伸结构力学的研究历史 由于复合纱线是一种比较新型的纱线，最近几年来国内外好多学者投入了这方面 的研究。 长丝与短纤维复合纱线的拉伸结构力学，虽然x i e 1 2 - 1 4 3 等人在这方面己作了一些 工作( 主要探讨的是长丝包缠短纤维复合纱) ，但比起长丝纱及短纤维环锭纱拉伸结 构力学的研究来说，长丝与短纤维复合纱线的拉伸结构力学的研究还显得不够充分。 x i e 等人利用能量法，考虑了三种断裂模式( w b 一包缠纱断裂，c b 一包芯纱断裂， s l 一芯纱滑动) ，对长丝与短纤维复合纱线的结构力学做了理论研究。 他们在模型中假设，( 1 ) 芯纱平行且伸直，( 2 ) 芯纱问摩擦不计，( 3 ) 线密度恒 定，于是由能量守恒可知： l h d ，= 丘t h d 。+ 厶l ( h s e c a ) d 。 ( 1 1 0 ) 式中 ，正，l 分别为纱线、芯纱、包缠纱应力( g f t e x ) ，t ，t ，t 分别为纱线、芯 纱、包缠纱应变，d 。d 。，d 。分别为纱线、芯纱、包缠纱密度，a 为包缠纱螺旋角，h 为包缠纱螺距。 吴雄英“3 1 等人根据h e a r l e 的理论研究成果，用幂函数近似表示纱线中单纤的应 力一应变曲线，继而根据纱线应变与单纤应变及纱线模量与单纤模量的关系，可进一 步求得纱线的模量方程和纱线的强伸曲线方程，然后根据实测的单纤维应力应变曲线 求出常系数，可求出纱线的强伸曲线方程进而求出复合纱线的强伸曲线方程，从而实 现对复合纱线的强力预测，但预测结果与实测结果仍有一定的差异。 薛元、孙明宝、孙世元、周培民等“”讨论了环锭纺制备芯鞘型短纤、长丝复合纱 的成纱机理与工艺，侯秀良、刘启国、朱宝瑜“、曲长义“。探讨了s i f o 纺纱成纱机 第一章绪论 理，认