第三章纤维的力学性质

1、at a competitive price Primary fiber properties length to width ratio strength flexibility cohesiveness uniformity Required for manufacturing or processing the fiber into yarn or fabric. fiber properties 第三章 纤维的力学性质 Secondary Fiber properties color mass recovery moisture absorption luster fineness e

2、longation resiliency thermal property abrasion resistance Influence consumer to select and affect processing 第一节第一节 纤维的拉伸与疲劳性能纤维的拉伸与疲劳性能p38 一、拉伸曲线的基本特征一、拉伸曲线的基本特征P38图3-1 vOO：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直；：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直； vOM：（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹：（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹 簧；簧； vQS：（屈服区）

3、大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显：（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显 著且不易回复，模量相应也逐渐变小；著且不易回复，模量相应也逐渐变小； vSA：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的 横向结合力有所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。横向结合力有所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。 vQ：屈服点；：屈服点； vA：断裂点。：断裂点。 O 拉伸曲线：纤维在拉伸过程中强 力和伸长的关系曲线。 图图3-2 各种纤维的应力各种纤维的应力应变曲线应

4、变曲线 P39 P39图3-2 1亚麻 2苎麻 3棉 4涤纶 5 、6锦纶 7蚕丝 8腈纶 9粘胶 10醋酯 11羊毛 12醋酯 二、表征纤维拉伸断裂特征的指标二、表征纤维拉伸断裂特征的指标P40 测试标准测试标准 v（1）环境条件环境条件会引起材料被测力学性质指标的差异； v（2）不同横截面或不同长度不同横截面或不同长度纤维弱环存在几率不一样， 必须标准化纤维待测区段长度标准化纤维待测区段长度； v（3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线取决 于加载历史和加载方式加载历史和加载方式，必须标准化加载标准化加载条件； v（4）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

5、数纤维根数。 拉伸曲线可分为三类： （1）强力高，伸长率很小（棉、麻等纤维素纤维） 拉伸曲线近似直线，斜率较大； （2）强力不高，伸长率很大（羊毛、醋酯纤维等） 模量较小，屈服点低和强力不高； （3）初始模量介于1.2之间的拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）。 v标准测试环境条件：标准测试环境条件：Temperature: 203; Relative humidity (R.H.): 655% v指标体系指标体系 v1.强力P40 v 指纤维能够承受的最大拉伸力，又名绝对强力、断裂强力， 法定单位为牛顿（N），有单纤维强力和束纤维强力之分，它们分别 为拉伸根纤维和一束纤维至断裂时所需的力。 v

6、2、相对强度P40 v 是应力指标，简称强度，用纤维拉断时单位横截面上承受的拉伸 力来表示，可用来比较不同粗细纤维的拉伸断裂性能。 v（1）断裂应力 v又名强度极限，它是指纤维单位截面积上所能承受的最大拉伸力，单 位为Nmm2（即兆帕）。其计算式为： S P 式中的为纤维的断裂应力（Mpa或 N/mm2），P为纤维的强力（N）， S为纤维的截面积（mm2）。 v（2）比强度P41 v指每特纤维所能承受的最大拉伸力，又称断裂强度，单位 为Ntex或cN/dtex。其计算式为： v式中P为纤维的强力，N；Tt - 纤维线密度,tex。 v（3）断裂长度p41 v它是设想将纤维连续地悬吊起来，直到它

7、因本身重力而断 裂时的长度，也就是重力等于强力时的纤维长度。一般用 L表示，单位为Km。 v根据定义可以给出： v（1000L）f = P v式中的f为线密度，指单位长度的重量（g/m），P为断裂 强力。 t tex N P P v 3.伸长率和断裂伸长率伸长率和断裂伸长率p41 纤维的断裂延伸度反映了纤维的柔韧性 %100 0 0 L LL (%)100 0 0 L LL p 式中: - 纤维伸长率（）； - 纤维断裂伸长率（）； L - 拉伸后纤维长度（mm）； L0 - 拉伸前纤维长度（mm）; L1为断裂时的纤维长度（mm）。 p 1 v三、表征纤维拉伸变形特征的指标三、表征纤维拉伸变

8、形特征的指标P44 （1）初始模量是指纤维拉伸曲线上起始一段直线部 分的应力应变比值，即产生单位应变（1%伸长率） 时的应力值。 量纲：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa) v式中：E初始模量（N/tex）； PM点的负荷（N）； LM点的伸长（mm）； L试样拉伸前长度（mm）； Tt试样线密度（tex）。 t NL LP E （2）屈服点确定：p43 （3）功Work v拉伸曲线 v1、负荷伸长曲线 以负荷为纵坐标， 伸长为横坐标的拉 伸过程图。（如图） v2、应力应变曲线 以相对负荷（通常 以牛/特表示）为纵 坐标，伸长率为横 坐标得到的曲线。 3、屈服点 拉伸曲线拉伸曲线

9、 由伸长较小部分转向伸长较由伸长较小部分转向伸长较 大部分的转折点大部分的转折点 （二）拉伸图上的有关指标： 1、断裂点的指标 2、初始模量：纤维材料拉伸曲线的起始较直部分伸直延长线起始较直部分伸直延长线上 的应力与应变之比。 对棉、麻和粘胶纤维的以下几个参数进行比较: 麻棉粘胶 强度高中低 延伸度低低高 屈服点无无有 初杨氏 模量 高中低 评价硬脆硬强软弱 v四、 三种变形p45 v（一）急弹性变形. 它是由于纤维大分子的键长、 键角变化引起。 v（二）缓弹性变形: 它是由于弯曲的大分子逐渐伸 直，倾斜的大分子沿纤维轴向排列形成的变形。 v（三）塑性变形: 它是由于纤维大分子间相互滑移 造成

10、的不可恢复的变形。 v纤维变形的这三种组分同时发生P45 发生速度不同：急弹性变形发生速度很快；缓弹性 变形则比较缓慢；塑性变形必须克服纤维中大分子 之间更多的联系，比缓弹性变形更加缓慢。 六、纤维的疲劳破坏p47 小应力长期作用下发生的破坏，就叫疲劳。 或：纤维在远低于断裂应力或断裂应变的条件下，经受反复施 力而破坏，称为疲劳破坏 影响疲劳的因素主要有：影响疲劳的因素主要有： （1）纤维的结构与性能纤维的结构与性能（分子链的变形能力及变形后的恢复 能力大，则耐疲劳） （2）负荷负荷大小 （3）作用作用方式 :作用时间，恢复时间，频率等 （4）温湿度温湿度 表征纤维疲劳特性的指标是耐久度或坚牢

11、度，即指纤维能承受表征纤维疲劳特性的指标是耐久度或坚牢度，即指纤维能承受 “加负荷、去负荷加负荷、去负荷”反复循环的次数。反复循环的次数。 常见纤维的有关拉伸性质指标常见纤维的有关拉伸性质指标P40 纤维品种纤维品种 断裂强度（断裂强度（N/tex） 钩接强度钩接强度 （N/tex） 断裂伸长率断裂伸长率 （%） 初始模量初始模量 （N/tex） 定伸长定伸长 回弹率（回弹率（%） （伸长（伸长3%） 干态干态湿态湿态干态干态湿态湿态 涤涤 纶纶 高强低伸高强低伸 型型 0.53-0.620.53-0.620.35-0.4418- 2818- 286.17-7.94 97 普通型普通型0.42

12、-0.520.42-0.520.35-0.4430- 4530- 454.41- 6.17 锦纶锦纶60.38-0.620.33-0.530.31-0.4925- 5527- 580.71- 2.65100 腈纶腈纶0.25-0.400.22-0.350.16-0.2225- 5025- 602.65- 5.2989- 95 维纶维纶0.44-0.510.35-0.430.28-0.3515- 2017- 232.21- 4.4170- 80 丙纶丙纶0.40-0.620.40-0.620.35-0.6230- 6030- 601.76- 4.8596- 100 氯纶氯纶0.22-0.350.

13、22-0.350.16-0.2220- 4020- 401.32- 2.2170- 85 粘纤粘纤0.18-0.260.11-0.160.06-0.1316- 2221- 293.53- 5.2955- 80 富纤富纤0.31-0.400.25-0.290.05-0.069- 1011- 137.06- 7.9460- 85 醋纤醋纤0.11-0.140.07-0.090.09-0.1225- 3535- 502.21- 3.5370- 90 棉棉0.18-0.310.22-0.407- 126.00- 8.2074（伸长（伸长2%） 绵羊毛绵羊毛0.09-0.150.07-0.1425- 3

14、525- 502.12- 3.0086- 93 家蚕丝家蚕丝0.26-0.350.19-0.2515- 2527- 334.4154- 55（伸长（伸长5%） 苎麻苎麻0.49-0.570.51-0.680.40-0.411.5- 2.32.0- 2.417.64- 22.0548（伸长（伸长2%） 氨纶氨纶0.04-0.090.03-0.09450- 800 95- 99 （伸长（伸长50%） v第二节：纤维拉伸曲线的基本特征和纤维第二节：纤维拉伸曲线的基本特征和纤维 断裂机理断裂机理P48 拉伸断裂机理拉伸断裂机理 1 1。原因：。原因：主链断裂；分子间滑脱。 2 2。影响纤维拉伸性能的因

15、素。影响纤维拉伸性能的因素 （一）内因：（一）内因： （1 1）大分子结构）大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的 聚合度）：大分子的平均聚合度，大分子结 合力，不易产生滑移，纤维的强度高而伸度 小。 （二）外因：（二）外因： v（1）温湿度：）温湿度：在纤维回潮率一定的条件下， 温度高，纤维大分子热动能高，大分子柔 曲性提高，分子 间结合力消弱，因此， 纤维强度降低，断裂伸 长率增大，拉伸模量下降。 v多数纤维多数纤维随相对湿度提高，含水分增多， 分子间结合力越弱，结晶区越松散，纤维纤维 强度降低，伸长增大、初始模量下降强度降低，伸长增大、初始模量下降。涤 纶、丙纶基本不吸湿，它们的强度和伸长

16、 率几乎不受相对湿度的影响。 大分子共价键断裂机理 分子链断裂原因：氢键共价键，分子间滑移所需的力分子链断裂所需的力。 分子链断裂条件：纤维的聚合度高、取向度、结晶度高，即分子间作用力小。 纤维断裂的可能情况有两种： 分子链断裂链断裂 分子链滑移链滑移。 弱环定理弱点断裂机理 定理：强力决定于纤维上最弱的一环。 其断裂机理是由于大分子排列的不整齐性，纤维上存在薄弱环纤维上存在薄弱环 节，节，当纤维受力时，会在此处首先断裂，然后缺口逐渐扩展， 直至纤维断裂。适用于弱环断裂机理的纤维有：天然纤维素纤 维（麻、棉），这一事实可由以下得以证明： 棉纤维实际强力比其理想强力小得多 棉纤维的湿强力干强力

17、水有润滑作用，能缓和应力不匀，部分消除弱点 分子间建立交联，强度下降。 分子链及单元结构的相对滑移 v纤维破坏形态纤维破坏形态 由由Hearle and Cross发现的尼龙纤维的破坏发现的尼龙纤维的破坏 形态：形态： Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse nylon bristle Breakage zones in nylon bristle 破坏分五个区域：A起始，B延伸，C滑移，D裂纹快速增加，E最终破坏。 影响纤维断裂的其它因素 一、一、 温、湿度温、湿度 二、二、 试样长度试样长度 试样

18、愈长，强力愈低。因为沿纤维长度方向，强度是不均一的， 纤维总是在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的概率 越大，越容易发生断裂，强力下降） 三、三、 纤维根数纤维根数 束纤维中的纤维根数愈多，由束纤维强力计算得的平均单纤维 强力愈低，而且比单根测量时的平均强力低。 四、四、 拉伸速度（弱环定律拉伸速度（弱环定律） 一般随拉伸速度增加，断裂强力，初始模量，屈服应力(测试结 果）均会提高，而断裂伸长无一定规律。 五、 拉伸形式（或仪器类型） （1）等速牵引（CRT） （2）等加负荷（CRL） （3）等速伸长（CRE），此方法现在为国际推广方法 影响纺织纤维拉伸性能的主要因素:p50 1内部结构

19、聚合度 取向度取向度 结晶度结晶度 3 试验条件: v纤维的拉伸断裂机理及影响纤维强、伸度的因素 v纤维拉伸断裂机理(p50) v纤维的断裂由于：大分子断裂大分子断裂和大分子相互滑脱大分子相互滑脱引起 v纤维的伸长由于：大分子伸直、伸长、分子间滑移引起。 纤维受拉 无定形区大 分子伸直 键长键角增大， 大分子伸长 部分分子拉断 或抽拔出来 大分子断裂，大 分子相互滑移 纤维断裂 v（2）随着取向 度的增加，粘胶 纤维断裂点的强 度增加，断裂伸 长率降低。 vP51 3-8 v（3）形态结构）形态结构 （裂缝孔洞缺陷、 形态结构、不均 一性）等。 第三节 纤维的粘弹性特征p53 粘弹体力学特征

20、一、 粘弹性的概念： 粘弹性质也叫流变性质。物体（包括液态）在力作用下发生 形状尺寸变化即形变（变形）常用应变来表示（变形量 与原尺寸之比）。 最单纯的形变形式：理想弹性变形（虎克变形）；纯粘性流 动（牛顿变形）。 这两种基本变形的应力应变关系如下： 虎克变形： -应力，E-模量，-应变 牛顿变形： 粘滞系数，t-时间 以高分子为主要组成物质的纤维来讲，兼有弹性和粘性， 粘性与弹性的组合即为粘弹性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， “材料在外力作用下，应力应变的关系随时间而变的性材料在外力作用下，应力应变的关系随时间而变的性 能能” -粘弹性。粘弹性。 弹性性质 高分子

21、物理和纺织上概念的差异 普弹形变普弹形变包括键长和键角的变化，形变瞬间完成（与时间无 关），形变量很小。 高弹形变高弹形变（TTg）是当纤维被拉伸时，无定形区分子内旋转、 伸直，甚至分子链段滑移；放松后，拉直的分子链可通过内旋 转而回复。高弹形变是时间的指数函数，形变量很大。 强迫高弹形变（T Tg）不能通过内旋转回复 塑性形变：塑性形变：大分子间的相对滑移，是不能回复的形变。 纤维的形变回复度与应力的关系 相同应力下， 锦纶的弹性 最好；麻、 棉的弹性中 等；粘胶的 弹性差 纤维的形变回复度与形变的关系 由图中可以看出： 形变小时锦纶、羊毛弹性最好；棉、粘胶弹性中等；麻弹性最差 形变大时；锦

22、纶弹性最好；羊毛次之；纤维素纤维弹性都差 纤维素纤维弹性差的原因 棉、麻纤维： 主链是糖环，比较僵硬，内旋转困难，难产生高弹形变， 一般产生普弹形变。 氢键太多，分子间氢键进一步限制了内旋转，低形变时， 可产生普弹形变； 高应力时，氢键可被拆散，产生分子链段的移动，形变较 大。当分子链段移动到新的位置后，可产生新的氢键，将 形变固定 “应变硬化”现象。 三、 蠕变与应力松驰p53 蠕变：一定（固定）拉伸（负荷）条件 下，纤维变形随时间逐渐增加纤维变形随时间逐渐增加。 应力松驰：当纤维被拉伸到一定变形值， 保持恒定时，其内应力随时间逐渐减小 的现象。 应力松弛现象：形变固定，应力逐渐降 低 影响

23、蠕变的因素： 纤维的结构：柔性链，分子间作用力 小 应力松弛 粘胶纤维的蠕变： 粘胶的Tg较小，聚合度小，结晶度小，易变形；湿热条件下，更 易变形 注：粘胶纤维湿热条 件下加工时，应避免较 大张力。 蠕变实例 第四节 纤维的弯曲、扭转p58 一、纤维的弯曲 （一）、概念 指外力作用下的弯曲变形。 （二）、影响因素： 形状，粗细，模量 （三）、破坏形式： 弯断，实质是弯曲外缘的拉断或内缘的 挤裂。 （四）实用指标 1抗弯刚度p58 纤维抵抗弯曲变形的能力 材料力学的定义，抗弯刚度Rf（cNcm2）可被表示为； Rf=Ef*If 式中的Ef和If分别是纤维的弯曲模量（cNcm2）和它们的断面惯性矩

24、（cm4）， 纤维的抗弯刚度与材料的形状、模量和细度有关， 2打结强度（率） 3勾结强度（率） 纤维种类截面形状系数f比重 （g/cm3） 弯曲模量Ef （cN/tex） 相对抗弯刚度 Rfr（cNcm2） 长绒棉纤维 细绒棉纤维 细羊毛纤维 粗羊毛纤维 桑蚕丝纤维 苎麻纤维 亚麻纤维 普通粘胶纤维 强力粘胶纤维 富强纤维 涤纶纤维 腈纶纤维 维纶纤维 锦纶纤维 锦纶66纤维 玻璃纤维 石棉纤维 0.79 0.70 0.88 0.75 0.59 0.80 0.87 0.75 0.77 0.78 0.91 0.80 0.78 0.92 0.92 1.00 0.87 1.51 1.50 1.31

25、1.29 1.32 1.52 1.51 1.52 1.52 1.52 1.38 1.17 1.28 1.14 1.14 2.52 2.48 877.1 653.7 220.5 265.6 741.9 2224.6 1166.2 515.5 774.2 1419.0 1107.4 670.3 596.8 205.8 214.6 2704.8 1979.6 3.66104 2.46104 1.18104 1.23104 2.65104 9.32104 4.96104 2.03104 3.12104 5.80104 5.82104 3.65104 2.94104 1.32104 1.38104 8.

26、54104 5.54104 表3-3 纤维的弯曲性能 p59 （二）纤维的弯曲破坏 p60 纤维在弯曲过程中引起内应力和变形，在各部位的变形不同，(p60图3-17) 在中性面以上纤维受拉伸，在中性面以下纤维受压缩中性面以上纤维受拉伸，在中性面以下纤维受压缩，当弯曲曲率越大（曲率 半径越小）时，各层变形差异也越大，而曲率半径过小时，有些纤维将可能产 生折断。 纤维种类纤维直径（m）单纤维强力（cN）重复弯曲到断裂的循 环数 锦纶纤维 羊毛纤维 长绒棉纤维 含胶蚕丝纤维 炼熟蚕丝纤维 醋酯纤维 粘胶纤维 酪素纤维 玻璃纤维 14 24 17 15 11 19 13 25 8 5.9 3.9 4.

27、4 5.9 3.9 3.9 3.9 2.9 2.9 20000以上 20000以上 3200 1800 390 100 75 23 - 表3-4 纤维的重复弯曲疲劳 p61 二、纤维的扭转p61 （一）、概念 纤维在剪切扭矩作用下，产生的扭转弯形。 （二）、影响因素： 形状，粗细，模量 （三）、破坏形式： 纵向劈裂 （四）实用指标 纤维的抗扭刚度 p61 给长度为l（cm）的纤维施加扭矩Mt（cNcm）以后，在纤维的横断面上将会产生一 扭Mt变形角（弧度），参量之间有如下关系： 抗扭刚度受外界条件影响的变化幅度很大，特别是回潮率，湿捻法的工艺基础， P63- 图3-18和图3-19。 l RM

28、 tt 纤维种类截面形状系数扭转模量ELt（cN/tex）相对抗扭刚度 Rtr（cNcm2） 棉纤维 木棉纤维 羊毛纤维 桑蚕丝纤维 柞蚕丝纤维 苎麻纤维 亚麻纤维 普通粘胶纤维 强力粘胶纤维 富强纤维 铜氨纤维 醋酯纤维 涤纶纤维 锦纶纤维 腈纶纤维 维纶纤维 乙纶纤维 玻璃纤维 0.71 5.07 0.98 0.84 0.35 0.77 0.94 0.93 0.94 0.97 0.99 0.70 0.99 0.99 0.57 0.67 0.99 1.00 161.7 197 83.3 164.6 225.4 106.2 85.3 72.5 69.6 64.7 100 60.8 63.7 4

29、4.1 97 73.5 5.4 1607.2 7.74104 71.5104 6.57104 10.00104 5.88104 5.49104 5.68104 4.6104 4.41104 4.31104 6.86104 3.33104 4.61104 3.92104 5.1104 3.53104 4.9104 62.72104 t 第五节 纤维的压缩（略） （一）、概念 纤维一般在强压缩条件下才会产生破坏，大多可能产生压伤。单纤维的 压缩研究结论很少，大多数是研究集合体的压缩特性（或弹性） 第六节 纤维的摩擦与抱合性能 纤维的磨损(补） （一）概念：互相接触并滑移的两物体，在接触面上产生破坏。 广义：表面破坏称为磨损。 （二）造成磨损的主要因素 1.力：（1）犁耕（纵向划槽）；（2）刮削；（3）切割（横向划槽）； （4）咬啮剪切；（5）撕剥；（6）疲劳性脱落（疲劳龟裂，