纺织纤维的力学性质

纺织纤维的力学性质第一页，共八十三页，2022年，8月28日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。第二页，共八十三页，2022年，8月28日第一节

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第三页，共八十三页，2022年，8月28日

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第四页，共八十三页，2022年，8月28日一、表示纤维拉伸断裂的指标★

指标有：断裂强力；断裂强度；断裂伸长率第五页，共八十三页，2022年，8月28日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。第六页，共八十三页，2022年，8月28日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:第七页，共八十三页，2022年，8月28日(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/m2（帕）；N/mm2（兆帕）。其计算式为：

σ=P/S式中：σ——纤维的断裂应力（MPa）

P——纤维的强力（N）

S——纤维的截面积（mm2）第八页，共八十三页，2022年，8月28日（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：

Ptex=P/Ttex

Pden=P/Nden

第九页，共八十三页，2022年，8月28日（3）断裂长度（LR）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：

LP=（P/g）*Nm式中：LP——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/s2）

Nm——纤维的公制支数。第十页，共八十三页，2022年，8月28日纤维强度三个指标之间的换算式为：第十一页，共八十三页，2022年，8月28日3.断裂伸长率ε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：

ε=（L-Lo）/Lo式中：

Lo——纤维加预张力伸直后的长度（mm）；

L

——纤维断裂时的长度（mm）；第十二页，共八十三页，2022年，8月28日4.湿干强度比η

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η＜100%，而棉麻等η＞100%。第十三页，共八十三页，2022年，8月28日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。第十四页，共八十三页，2022年，8月28日二、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。第十五页，共八十三页，2022年，8月28日第十六页，共八十三页，2022年，8月28日一般纤维负荷-伸长曲线★第十七页，共八十三页，2022年，8月28日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第十八页，共八十三页，2022年，8月28日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>锦纶第十九页，共八十三页，2022年，8月28日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。第二十页，共八十三页，2022年，8月28日第二十一页，共八十三页，2022年，8月28日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。

第二十二页，共八十三页，2022年，8月28日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。

第二十三页，共八十三页，2022年，8月28日（2）断裂比功Wa

定义：拉断单位细度、单位长度纤维外力所作的功。

Wa=W/(Ttex*L0)

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。

第二十四页，共八十三页，2022年，8月28日（3）功系数We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：

We=W/(Pa*△L)

We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间。

第二十五页，共八十三页，2022年，8月28日（4）纤维柔顺性系数C＝0，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）C＜0，曲线下凹，柔顺性好，如聚酰胺纤维；C＞0，曲线上凸，柔顺性较差，但可塑性可能较好。第二十六页，共八十三页，2022年，8月28日三、常用纺织纤维的拉伸曲线第二十七页，共八十三页，2022年，8月28日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1—2之间的拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）

第二十八页，共八十三页，2022年，8月28日纤维开始受力时，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．纤维拉伸断裂机理第二十九页，共八十三页，2022年，8月28日纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面第三十页，共八十三页，2022年，8月28日纤维断裂原因有：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第三十一页，共八十三页，2022年，8月28日五．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

第三十二页，共八十三页，2022年，8月28日外因：（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①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）②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第三十三页，共八十三页，2022年，8月28日③拉伸速度：↑→测得的强力较大而伸长较小通常：100％隔距长度/min④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：

第三十四页，共八十三页，2022年，8月28日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、松弛和疲劳第三十五页，共八十三页，2022年，8月28日粘弹性——材料在外力作用下，应力～应变的关系随时间而变的性能。第三十六页，共八十三页，2022年，8月28日一、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5～15s）

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2～5min)

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。第三十七页，共八十三页，2022年，8月28日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Re（或称回弹率）

Re=（l急+l缓）/（l急+l缓+l塑）

=（L1-L2）/（L1-L0）式中：L0——纤维加预加张力使之伸直但不伸长时的长度（mm）

L1——纤维加负荷伸长的长（mm）

L2——纤维去负荷再加预张力后的长度（mm）

第三十八页，共八十三页，2022年，8月28日

b.

弹性功率We

图中：ec——急弹性变形；

cd——缓弹性变形；

do——塑性变形；

We=弹性恢复功/拉伸所作的功

=Acbe/Aoae第三十九页，共八十三页，2022年，8月28日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。第四十页，共八十三页，2022年，8月28日二、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。第四十一页，共八十三页，2022年，8月28日（2）曲线：第四十二页，共八十三页，2022年，8月28日（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。

第四十三页，共八十三页，2022年，8月28日

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。第四十四页，共八十三页，2022年，8月28日

（2）曲线：

第四十五页，共八十三页，2022年，8月28日（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。第四十六页，共八十三页，2022年，8月28日3．影响纤维流变性质的因素①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。②外界条件：如温度、湿度增加，蠕变、松弛也增加第四十七页，共八十三页，2022年，8月28日４.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。第四十八页，共八十三页，2022年，8月28日三、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。第四十九页，共八十三页，2022年，8月28日疲劳破坏有两种。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）。第五十页，共八十三页，2022年，8月28日纤维的多次拉伸循环第五十一页，共八十三页，2022年，8月28日纤维的重复拉伸疲劳图第五十二页，共八十三页，2022年，8月28日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。第五十三页，共八十三页，2022年，8月28日第三节

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300°C，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。第五十四页，共八十三页，2022年，8月28日一．纤维的摩擦、抱合和切向阻力

1.摩擦力F2

★

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。第五十五页，共八十三页，2022年，8月28日2.抱合力F1★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）

第五十六页，共八十三页，2022年，8月28日纤维的切向阻力：切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2μN=F1+fN

切向阻抗系数μ=F1/N+f

第五十七页，共八十三页，2022年，8月28日二．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F1

（cN，即抱合力）和纤维的长l（cm）的比值。

h=F1/L

第五十八页，共八十三页，2022年，8月28日2）抱合长度Lh(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

Lh=F1/Ntex式中：

F1——纤维条的强力(gf)

Ntex——纤维条的特数

第五十九页，共八十三页，2022年，8月28日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

第六十页，共八十三页，2022年，8月28日几种纤维的抱合性能

纤维种类纤维线密度(dtex)纤维长度(mm)20°C时的抱合长度(mgf/tex)羊毛直径23μm5530涤纶4.47065腈纶3.859047锦纶3.37095第六十一页，共八十三页，2022年，8月28日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。第六十二页，共八十三页，2022年，8月28日Y151型摩擦系数测定仪

第六十三页，共八十三页，2022年，8月28日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μ<圆形光滑合纤的μ如：棉、粘胶、羊毛、粘纤（实际接触面积小）*易变形纤维的μ>不易变形纤维的μ第六十四页，共八十三页，2022年，8月28日2.化纤油剂的影响化纤不上油，干摩擦时——切向阻抗系数μ大上油少——μ↓（油膜在纤维表面形成单分子层)上油多——μ↑（属液体摩擦，与油的粘度有关）因为μ与上油量有关——在一定范围内，上油量↑，μ↓；超过一定量后，上油量↑，μ↑。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μ。

第六十五页，共八十三页，2022年，8月28日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，μ不稳定，而后随滑动速度↑，μ↑，到一定的v时μ稳定。合纤在低速时，存在粘滑现象，μ变化较大。一般测μ动，希望μ>3m/min以上。第六十六页，共八十三页，2022年，8月28日第六十七页，共八十三页，2022年，8月28日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↑，μ↓；合纤到一定温度数值时，随着T↑，μ↑（油剂挥发）。湿度：

RH%↑，则μ↑（∵v↑，E↓）

当RH%=100%时，μ最大。（接触面积↑）加工中RH%必须加以控制，太湿，μ↑，加工困难；太干，发脆第六十八页，共八十三页，2022年，8月28日第四节纤维的弯曲、扭转与压缩特性

一、纤维的弯曲纤维弯曲时的变形与破坏

第六十九页，共八十三页，2022年，8月28日1.纤维弯曲时受力情况：外侧——受拉，伸长内侧——受压，压缩第七十页，共八十三页，2022年，8月28日2.纤维抗弯刚度Rf定义：纤维抵抗其形状发生弯曲变形的能力。公式：

Rf=πEr2ηf/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/cm2）

ηf——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）第七十一页，共八十三页，2022年，8月28日Rf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。Rf小——纤维易产生弯曲，易于成圈编织，其织物较软糯。常用纤维Rf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→羊毛第七十二页，共八十三页，2022年，8月28日纤维种类截面形状系数

ηf密度（g/cm3）初始模量E（cN/tex）相对抗弯刚度Rf(104.cN.cm2）

长绒棉0.791.51872.13.66细绒棉0.701.50353.12.46苎麻0.801.522224.69.32亚麻0.871.511166.24.96细羊毛0.881.31220.51.18粗羊毛0.751.29265.61.23桑蚕丝0.591.32141.92.65粘胶纤维0.751.52515.52.03涤纶0.911.381107.45.82锦纶60.921.14205.81.32锦纶660.921.14214.61.38腈纶0.801.17670.33.65维纶0.781.28596.82.94玻璃纤维1.002.522704.8