织物的结构与基本性能讲习要点Print课案

1、第十章 织物的结构与性能概述纺织材料直接和主要的产品是织物 ，柔性平面薄层状的物质织物的成形 ：纤维经成网固着；成纱织、编而成织物的轴与维： 一维结构、 二维结构、 三维结构； 单轴和多轴 一般织物： 机织物、针织物、非织造布、编织物等特种织物： 三维结构或三维成形织物、层合或混合复合织物、 可呼吸织物、电子织物等织 物 的 应 用 ： 建 筑 (architectured and construction) 、 土 工 (geotextile) 、 防 护 (safety and protective) 、 运 动 (sports and recreation) 、运输 (automotiv

2、e and transportation) 、航空航天 (aviation and spaceflight )、医用 (medical) 、军用 (military and defence)、产业(industrial),以及人类穿着用的重要的高科技纺 织品 (high-tech textiles) 的基础用材。问题： 单一或复合、二维或三维织物的结构均有定性的阐述， 对结构与常用性能间的关系也有讨论，但对织物结构、性能、 成形及其相互间关系的定量描述还显得比较粗浅， 尤其是对复 杂结构织物及其定量表征与实际存在较大差距。章节分配( 34 学时)本章仅对已有的理论和传统织物结构及其常用性能作简

3、要介 绍，并较多地限于服用织物结构和性能的描述。§1. 织物的类型与结构表征§2. 纤维的介电性能§3. 纤维的静电性质§4. 导电高聚物的导电性质第一节 织物的类型与结构表征一、织物的结构分类与名称织物的分类方法众多，可以根据加工方法、成形方式、基本 性能、选用纤维或纱线、织物组织和结构、厚度和轻重、用途和 功能等进行分类。 但作为织物结构、 性能和成形的相互关系讨论， 则较多地运用直接相关结构特征和成形方式进行分类。1. A类织物：A类为纱线按一定的排列组合结构形成织物。2. B类织物：B类结构中，纱线以粘结的方式成形。3. C类织物：C类织物为非织

4、造布。4. 纤维类和非纤维类片状物D 类为胶质物质将纤维粘结在一起，并与微孔共同构成稳定 的结构。 E 类薄片一般为均匀结构膜，可以是“合金”物质，亦 可为多孔结构，一般较多地以涂层和覆膜成形。二、复合和层合织物各类织物简单层合构成复合织物，以及混合、组合、交叉等方 式构成复杂复合织物。三、常用织物的结构特征 常用织物主要是指一般民用的普通机织物、针织物、编织物和非织造布。纱线相互交织成形( interweaving )，如机织物； 纱线相互圈结成形 (interlooping) ，如纬编和经编织物； 纱线相互缠绕扭结成形 (intertwining or interlacing) ，如编结织

5、 物；纤维相互粘结或纠缠成形，如毛毡和非织造布；基布表面成圈或簇绒成形 (terry-looping or tufting) ，如机织、针 织起绒织物和地毯。四、特殊织物的结构这里所指的特殊织物是在成形方式和结构上， 为非常规方法直 接所得的织物，这类织物主要为多层复合织物，如柔性建筑顶蓬织物；纺织结构材料，如增强编织材料、人造血管与肌腱等；涂 层复合织物，如过滤防护材料。五、织物结构的作用与不均匀性1. 织物结构对最终用途的影响2. 织物结构的不均匀性织物结构的不均匀性受纤维或纱线形态和弱节的影响。但多道加工的纤维混合，纱线织物的组合，原先的弱节已被弱化。实际 织物的结构不均匀性主要表现在三

6、方面：织物组织结构不均匀，普通织物是均匀结构，而复杂织物组 织为不均匀结构。纤维或纱线的排列的方向性引起的结构不对称性和层合与起 绒织物的各层异性。构成织物的单元(如纱线或纤维)聚集的缺陷和织物接缝或 使用中的结构缺陷。第二节织物几何结构与表征一、机织物的几何结构1. Peirce的几何模型Peirce ( 1937)对机织物的几何模型作了下述近似描述，假 设纱的截面为圆形，不考虑纱的抗弯性，并内应力为零，其几何 模型的各几何参数为：(10-1)(10- 2)a = (I - D") cosD siMh = (I _ D 丁)sin 丁 D(1 _ cos丁 )(10- 3)II(1

7、0 - 4)2.非圆形纱线的几何结构参数弹性曲线的曲率半径P可以由下式表达fma2y -(10- 5)Fx 8xs in 日当x = a/2时，达最大值(大于由Peirce模型)ap=max.介4sin 日(10- 6)3.紧密织物的几何学紧密织物中纱线的截面肯定发生变形，如用椭圆形截面，无法 积分解出，故大多采用“跑道形”截面。这种假设，在A、B之间纱的截面为圆形，仍采用Peirce的模型。2 2纱间距 a 为' B - h (w- b)(io- 7)式中，B=6+b2为经、纬纱的厚度值之和；w为纱线跑道距截面的宽度值。由于 h“B2(a')2, a'a-(w-b);

8、且 hi + h2=B，可得(10- 8)4、机织物的厚度与体积分数机织物的厚度，考虑表面毛羽的影响，在几何概念上大致可分为四种厚度，分别为：含毛羽的厚度Tmax,;织物结构相厚度Ts；织物为等支持面时的厚度 To:织物的压缩变形厚度 T，即织物受压力 P作用时的厚度。织物中的纤维填充密度取决于纤维所占的体积，平纹织物的体积分数Vf为：V 卩 2(l/d) + 4日f 4(a/d)2(T/d)(10- 9)式中，为纤维在纱中得堆砌体积分数；T为织物的厚度，T D=2d； 纱线的织造角为= arctan2 (a/d)2-3 - arctan(d / a)(10- 10)、针织物的几何结构1. 线

9、圈长度与密度Peirce将其在机织物几何模型的概念推广到针织物，考虑一个针圈在两个正交的近似圆柱体上。则其线圈长度I为I 二 2C W 5.94d（10. 11）式中，C是横向圈距；W是纵向圈距（或圈高）；d为纱线的直径 根据针织物的横密 Pc和纵密Pw的定义，得C = 50 Pc ； W = 50/ PW(10-12)理论上，圈距的乘积应该是正比于线圈长度的平方，即I 2 尤 CW 或 P = Pc Pw 尤 1/12（10-13）式中P为线圈密度。Munden的结果证实了这一关系。并未充满系 数和其他参数_llWC ；k4 = W (10- 14)2. Munden的几何模型Munden给

10、出了针织线圈模型，其假设与Peirce的弹性模型相同，讨论线圈 AB段的特征。在 A , B点作用力间的距离是织物 的纵向间距 W, A , B点垂直线间的距离相当于纱线的直径d,由前机织物的推导式（10-3）可知，l ab 二 W（1 Crim ）（10.15）d 4并有W 3'Crim（10- 16）其中Crim为（Iab - W）/W很难测量，因线圈有三维空间的弯曲。3. 针织物的厚度与体积分数T = 2d e = 2： d e（10. 17）有关针织物的体积分数，有别于覆盖系数，可更为精确地表达 织物的填充密度。三轴方向，X为长度方向（纵向 X=W/2） ； 丫是宽度方向（纵向

11、Y=C/2）； Z=T为织物的厚度；二为纱线的取向角。 并假设纱线为圆形，直径为d,当纱线挤压时，则有厶 W 2； 丫 C _ max 21 sin丁；或tan匚;Z 2dd 2dd 2d- cosdcos-若纤维在纱中堆砌的体积分数为、，针织物的体积分数可被导Vf一二: 1_ 8(X/d) (Y/d)(X /d) +2-cos 日 Ji +tan 2(2d/X)(Y/d)J tan 2(2d/ Y)(10-18)针织物的体积分数相对机织物来说较低，Vf > 0.2时，纱线就开始挤压。三、非织造布几何结构1. 毛毡传统的毛毡，是由羊毛纤维穿插运动而纠缠成毡的结果。其 它纤维采用针刺纠缠的

12、方法，使纤维集合成毡。用针刺、编缝、 粘结的方法，可以生产咼质量的织物。2. 针刺纤维毡针刺毡为非均匀相结构，其为针刺点的纠缠结构（竖直和纠 缠纤维及其针刺点分布与密度），原纤维网结构（平行纤维）和过 渡区结构（纤维倾斜和密度变化）的组合。针针刺纤维毡的体积分数 V.可以导出Vf,二 Vflz /cos-；二 Ap/Auc （10-19）式中Auc二X y为单元体的截面积。通常针总是刺穿织物，所以 lz = 1，则VfVf /cos（10-20）3. 粘结纤维网根据纤维粘结方式，可将此类非织造布分为：（a）纤维自粘结（热熔与熔喷纤维）；（b）纤维由粉末粘结剂粘结；（c）纤维热 轧熔融粘结；（d

13、）纤维与浸渍液的粘结。第三节织物的基本性能织物的性能涉及多方面的内容，大致归纳起来分为三方面。 织物的基本物理和化学性质，取决于织物的结构与组成； 织物的可加工性，织物的易染整加工性和使用后的易处理与 可再生性；织物应用中的功能与作用，如耐用性，防护作用和易护理或 易使用性。尤其是服用织物的舒湿性和与人体的协调性；装饰类 织物的各种稳定性和不易污染与霉变；产业用织物的功能的有效 性、耐各种老化和应用场合的适应性，极其重要。本节仅对织物的一些基本物理性能和与服用材料相关的易加 工性和使用性能作基本介绍。一. 织物的基本力学性能织物的力学性质涵盖多方面，如纤维和纱线的力学性质，有静 态和动态力学性

14、质，以表征织物的基本力学特征；有在低负荷下 的织物力学行为，以模拟实际穿着和手感风格；有破坏和耐久试 验，以讨论织物各种破坏的形式、条件和耐久性。这里主要给出 小负荷下的织物拉伸、弯曲、剪切、起拱等的描述。1. 织物的拉伸dh i c 织物位伸中的几何结构变化丁 =(10- 21)da 1.5“ c拉伸模量的估计情况A:情况B:情况C:情况D: 情况E:织物各方向上的模量+ ( - 22) sin 2 a cos2 a- E1 GE1G为剪切模量；v12为织物的波松比;4cos4 :式中， 方向的夹角。2.织物的弯曲与起拱sin4:E2'为位伸方向与经纱(10- 22)织物的弯曲Bf

15、= n ByBy (1c)(1 - )15织物的起拱(Buckling )两端握持的弹性体起拱的Euler表达，临界起拱力为:其弯曲的曲线微分方程为Pcr 二4二 2BfI2(10- 23)BF-Py ds(10- 24)式中，P为压缩力；s为沿弯曲线的距离，其给出了曲率半径 '二ds/肃与弯矩M=Py的关系，由此式经整理可变为Bf/Pd2(cos - cos )(10- 25)3. 织物的剪切伸长方向上的应变为 £；原长为Io，则伸长后的长度为1= Io (1+ £ )。由于面积不变，垂直方向上长度的收缩应为Io /(1+ £),小变形时可近似为lo(1

16、- £ )。S=F - F'F - W tan 二(io- 26)这只是特定变形角度下的静态方程，如果连续观察在F作用下的位移dx和织物的向上收缩dy ,即F力作功和重力 W提升作功 的差值为剪切变形功。由此Sdx二 Fdx -Wdy = (F -W )dx(10- 27)二、织物的耐久性耐久性质讨论的是织物破坏的力学行为，其包括拉伸、撕裂、 顶破、锐器割刺、冲击、疲劳、磨损等机械的破坏，以及热、光、 电作用的降解、变形失效和击穿破坏等。1. 拉伸断裂与疲劳破坏2. 织物的双轴向拉伸与顶破对球面膨胀:PR2t(10- 28)对园柱膨胀:3.撕裂破坏轴向应力二1为圆周向应力二2

17、为PR2t ；PR由单缝撕裂作用的三角区来看，所得的最大张力值为:NTp i-1i =1N .=:P I I 一1 = : PB N当横向A纱的断裂强力为 Ty时：Ty八P(10- 29)(10-30)三. 织物的易护理性能织物的易护理(easy-care)性能通常是指织物在使用过程中的 易于保养，便于使用，并能保持原有外观特征的性能。如易洗快 干、免烫或洗可穿、抗皱防缩、抗菌、防霉防蛀、机可洗、不易沾污、不易掉色和变色、不易起毛起球等性质。其中起毛起球与 织物的磨损有关，往往归耐久性讨论。四、织物的其他性能 服用织物最为人们所关注的性能还有织物的手感风格， 是织物 在低应力下的力学性质、形状

18、特征和部分导热性的综合感觉；织 物的视觉风格， 表达人们对织物外观效果和色泽特征的综合评价； 织物的舒适性，反映织物热湿传导和与皮肤接触的生理感觉；成 衣加工所需的性质，如可缝纫性( sewability )、尺寸稳定性 ( dimensional stability )、可裁剪性( tailorability )，抗静电性等； 以及特殊应用的功能要求，如阻燃与耐高温、拒水和防风、耐酸 碱和化学作用、防弹防刺割、高吸水、防护隔绝等。综上所述的各种性能，可以将服用织物的基本性能归纳为五 点：力学性质、审美学有关的性质、生理需求的性质、成衣可加 工性质和使用功能需求的性质。第四节 织物的接触舒适性

19、织物视觉舒适性 (visual comfort) ，较多地体现人的心理直接感 受，如面料的色彩、 光泽、组织和形态。 织物的 热湿舒适性 (thermal comfort )，则反映人织物环境间微气候(microclimate )对人体的作用，主要为人体的生理和物理感觉，如透气导湿性，传热 或保暖性等。 触觉舒适性 (tactile comfort) ，称接触舒适性， 是指人 体皮肤在受到外加织物或服饰作用时的生理感觉，具有被动和不 可回避性。其作用位置是人体须遮蔽保护或保暖的皮肤。其作用 形式则是局部的刺激和压迫，往往是不愉悦的感觉 (discomfort) 。 这种刺激还会引起皮下神经末梢

20、的感应和激发，刺激周围感应细 胞，形成连锁反应，如分泌、散发、充血、细胞收缩和疲劳，其 结果往往产生生理不适和心理不悦。一、触觉舒适性与皮肤构造 接触的舒适感源于皮肤与织物接触时，织物对表皮层下的感 觉接受器(sensory receptor)的刺激。这些感受器即为人体的感觉 神经，其包括：触觉感受器(touch receptor)、热感受器(thermal receptor)和痛感受器( pain receptor)。皮肤与织物接触时会产生各种感觉，其一般定性的描述是：痒 或 瘙 痒 ( tickle ， itch )， 刺 痒 或 刺 痛 ( prickle )， 刮 擦 痒(scratc

21、hiness),局部压迫(localized tightness),接触冷感或温感 (initial cool/warm feeling) ，湿粘涩 (wet and tacky clinging) ，振动与 拔拉汗毛(fibre shedding)，过敏反应(allergic response)等,以及表 面光滑或粗糙,坚硬或柔软。接触不适感主要包含三个方面的内容：刺痒感,粘涩与湿冷 感、局部压迫不适。皮肤的结构分为表皮层(epidermis)、真皮层(dermis)和皮 下组织。表皮层有五层结构，厚度为0.10.2m m。真皮层中含有丰富的神经末梢(nerve fiber end)和小体感

22、受器(recepter)，以 及毛细血管、汗腺、皮脂腺和立毛肌。皮肤可感知的单一的接触感觉有：触/压觉、冷 /温觉和痛觉。而对应的感受体是触压感受小体( Meissner 小体和 Merkel 细胞)、压觉环层小体( Pacini 细胞),冷( Krause 终球)、温( Ruffini 末 端体)感受器和痛觉游离神经末梢( free fiber ends)。二、织物的刺痒感当作用外力大于某一阈值时(>75mgf)，痒可能变换为痛的感觉。1刺痒的生理作用皮肤电极刺激实验表明,通常在长有汗毛的皮肤表层,痛觉神 经末梢分布最接近皮肤表层。要使受刺激神经纤维产生反应,必 须施加一定程度的刺激,

23、大部分的疼痛神经都是如此。刺痒感产 生的阈值的探讨还未见报道。2刺扎纤维的特征与作用不同纤维性状及毛羽形态对人体产生的刺痒感是不同的。纤 维性能与形状,如直径、长度和刚度是最为重要的影响因素。 3织物的组织结构织物结构影响皮肤刺痒感,主要是织物组织的稀密程度和纱 线的捻度大小。可以解释为,毛羽是一端被织物中的纱线所抱合 握持，一端伸展在外的纤维。如果织物结构松散，纱线捻度小， 毛羽被握持一端的活动余地大。4. 其他作用和反应刺痒的其他作用主要是指人穿着衣物过程中的一些化学 刺激和皮肤过敏。三、织物刺痒感的评价与消除1. 主观评价方法显然主观评价方法与手感评价早期的主观评价方法一样。是 以人体感

24、觉器官的感受及描述为依据的，即在一定的外界刺激水 平S下，刺激的增量S与被测试者的主观感应量R的相互关系：R二F(S)或R二f(>S/S),故人为和环境影响很大。根据Weber-Fechner定律,心理反应变化量R与 S的关系为：R = KC S/ S) (11.21)式中K为常数，积分上式得，R二KI nS C , R= 0时，C = KI n So。 所以，R = K In(S/S0)(11.22)2. 客观评价方法毛羽的测量法，纤维不起拱的刺扎力(critical buckling load )0.75mN，薄膜压痕法，唱机划片作用法等。3. 织物刺痒感的消除方法四、触觉舒适性的其它内容织物的接触冷、温感的评价。织物与皮肤间的湿粘作用评价。 人体的物理、化学调节作用的产生与表征仍鲜见报到。般参考书参考文献第十章思考题1. 讨论织物的一般结构及其于用途间的相互关系。2. 从织物结构的角度讨论织物功能化的方式与可能性。3. 试述复合织物的基本定义与成形方法。4. 试述纺织结构材料的“维（Di