第 6 章纤维的力学性质

第6章纤维的力学性质 • 第一节纤维的拉伸性质 • 第二节纤维的蠕变、松弛和疲劳 • 第三节纤维的弯曲、扭转和压缩 • 第四节纤维的摩擦与抱合

第一节 纤维的拉伸性质一、拉伸过程和拉伸曲线▲一般纤维负荷-伸长曲线★

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）

拉伸曲线（拉伸图） 负荷-伸长曲线表示拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线。应力-应变曲线表示拉伸过程中的应力和应变的关系曲线。负荷－伸长曲线应力－应变曲线 1——278dtex（250旦）粘胶长丝 2——33dtex（30旦）锦纶长丝

二、拉伸性能的基本指标★ 抗拉基本指标和拉伸曲线、拉伸断裂机理有关（一）断裂强力P（强力）、强力不匀定义：纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN)；克力（gf)。 1gf = 0.98cN 对不同粗细的纤维，强力没有可比性。（二）断裂伸长率、断裂伸长不匀

（三） 强度用以比较不同粗细纤维纱线的拉伸断裂性质的指标。 1、断裂应力（强度极限）--指单位截面上能承受的最大拉力。单位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）；kgf/mm2。计算式： σ = P/S 式中：σ——断裂应力（MPa） P——强力（N） S——截面积（mm2） 2、比强度---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)； gf/dtex。计算式为： Ptex=P/Ntex Pden=P/Nden

3、断裂长度（LR） 定义：纤维的自身重力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，则该长度为断裂长度。计算式： LR=（P/g）*Nm 式中：LR——断裂长度（km） P ——强力（N） g ——重力加速度（等于9.8m/s2） Nm——公制支数。

三个指标之间的换算式为： σ = Υ×Ptex Ptex=9×Pden LR = Ptex= 9×Pden 式中： σ——断裂应力（kgf/mm2）； Υ——密度（g/cm3）； Ptex——特数制断裂强度（gf/tex）； Pden——旦数制断裂强度（gf/d）； g——重力加速度（等于9.8m/s2）； LR——断裂长度（km）。相同的断裂长度和断裂强度，断裂应力随纤维的密度而异；只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂强度才具有可比性。

（四）初始模量E★——纤维负荷-伸长曲线上起始一段直线部分的斜率，或伸长率为1%时对应的强力。（四）初始模量E★——纤维负荷-伸长曲线上起始一段直线部分的斜率，或伸长率为1%时对应的强力。 E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。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（五）屈服应力与屈服应变屈服点：曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点。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。屈服点以下的变形：可回复的弹性变形。

（六）断裂功、断裂比功和功系数 A、断裂功W——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。是强力和伸长的综合指标，表示坚牢度与耐用性能。 W大，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。 B、断裂比功Wa——拉断单位细度、单位长度纤维外力所作的功。 Wa=W/(Ntex×L0) 纤维密度相同时，对不同粗细和不同试样长度的纤维材料具有可比性。 C、功系数We——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。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。 D、柔顺性系数

三、常用纺织纤维的拉伸曲线

四、拉伸试验仪器 • 强力仪分三种类型： • 等速牵引型（拉伸的速度保持恒定，CRT），如摆锤式强力仪； • 等加负荷型（负荷增加的速度保持恒定，CRL），如斜面式强力仪； • 等速伸长型（试样伸长变形增加的速度保持恒定，CRE），如电子式强力仪。 • 不同类型的仪器测得的结果没有可比性。

作业： 在标准温湿度条件下进行纤维强伸度测定，测试条件与结果如下：公制支数为5800的棉纤维单强为4.5gf，断裂伸长为1.2mm，夹持距离为10mm；2旦51mm的涤纶纤维单强为9.6gf，断裂伸长为6.2mm，夹持距离为20mm。问:这两种纤维的相对强度（cN/dtex）、断裂伸长率（%）和断裂应力（N/mm2）各为多少？(其中棉纤维的Υ=1.54g/cm3，涤纶纤维的Υ=1.38g/cm3）

五．纤维拉伸断裂机理 （一）断裂机理纤维断裂原因有：大分子主链的断裂大分子之间的滑脱（二）影响纤维拉伸性能的因素▲ 内因：大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）；超分子结构（取向度、结晶度）；形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性）　外因：温湿度：测试条件： a.试样长度：L↑，出现弱环的机会↑ b.试样根数：根数↑，折算成单纤维强度↓ c.拉伸速度：v↑，强力↑，ε↓，E↑

第二节蠕变、松弛和疲劳 一、拉伸变形与弹性1. 拉伸变形的组成★急弹性变形、缓弹性变形、塑性变形2. 弹性[是织物获得好的尺寸稳定性与抗皱性的主要因素。] （1）定义：指变形的恢复能力。（2）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）式中： L0——加预加张力伸直但不伸长时的长度（mm） L1——加负荷伸长的长度（mm） L2——去负荷再加预张力后的长度（mm）

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 3.影响纤维弹性的因素（1）纤维结构：大分子间具有适当的结合点（结晶度和极性基团），又有较大的局部流动性（柔曲性），则其弹性就好（2）温湿度：温度升高弹性增加；相对湿度增加不同纤维有所不同，粘胶和醋酯纤维主体上是下降的，蚕丝、羊毛、锦纶主体上是上升的，棉纤维是交叉的。（3）测试条件：定负荷值或定伸长值较大时，加负荷持续时间较长时，去除负荷后休息时间较短时，纤维弹性回复率较小。

二、蠕变、松弛（流变性质或粘弹性质）★ 流变性质或粘弹性质是在外力作用下，应力应变随时间而变化的性质，也称时间依赖性，包括蠕变和应力松弛现象。 1．蠕变：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。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。

2．应力松弛（变形一定，F-t关系） 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。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。

3．影响流变性质的因素 ①纤维本身的结构：分子量增加、分子链的极性增加、交联、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

三元件力学模型及其蠕变和蠕变回复曲线

三、疲劳特性 1.定义：纺织材料在小负荷长时间作用下产生的破坏称为“疲劳”。分为静止（蠕变疲劳）和动态疲劳（反复循环外力作用）。 2、疲劳破坏机理：外界作用所消耗的功达到了材料内部的结合能（断裂功）使材料发生疲劳；或外力作用产生的变形和塑性变形的积累达到了材料的断裂伸长使材料发生疲劳。疲劳原因：分子滑移、分子断裂、裂缝的产生与扩散、应力集中。

棉粘胶 P1——疲劳耐久极限（使材料不发生或很长时间才发生疲劳的最大外力）

2.指标和测定方法 (1) 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.纤维结构性能与疲劳的关系纤维分子量增加、结晶度提高，耐疲劳性好；取向度增加，耐疲劳性差。屈服强度高、屈服伸长大、断裂功大，耐疲劳性好。

第三节纤维的弯曲、扭转和压缩 一、弯曲 1. 抗弯刚度Rf：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——弯曲弹性模量（cN/cm2） ηf——截面形状系数（等于实际的惯性矩与正圆形截面惯性矩之比） 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。 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

2. 弯曲破坏外侧——受拉，伸长内侧——受压，压缩最小允许曲率半径为：纤维或纱线越细（b越小）、拉伸断裂伸长率越大时，越不易折断（允许曲率半径越小）钩接强度和打结强度钩接强度率和打结强度率3、重复弯曲纤维在重复弯曲作用下，也会使结构逐渐松散、破坏，最后断裂。

二、纤维的扭转1、抗扭刚度Rt：纤维抵抗扭转变形的能力。Rt=Et*Ip式中：Et——剪切弹性模量；Ip——截面极惯性矩。Rt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。2、扭转破坏随着扭转变形的增大，纤维中剪切应力增大，在倾斜螺旋面上相互滑移剪切。在纤维中，它造成结晶区破碎和非结晶区被拉断，沿纵向劈裂，最后断裂。在纱线中，它造成纤维相互滑动。二、纤维的扭转1、抗扭刚度Rt：纤维抵抗扭转变形的能力。Rt=Et*Ip式中：Et——剪切弹性模量；Ip——截面极惯性矩。Rt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。2、扭转破坏随着扭转变形的增大，纤维中剪切应力增大，在倾斜螺旋面上相互滑移剪切。在纤维中，它造成结晶区破碎和非结晶区被拉断，沿纵向劈裂，最后断裂。在纱线中，它造成纤维相互滑动。

图7-30 纤维块压缩变形示功图 三、纤维的压缩压缩变形以材料层体积或高度的变化来表示。变形的绝对值 b=V0-Vk （cm3）变形的相对值 ε = (V0-Vk)/ V0 ε=1- hk/ h0 式中： V0——试样压缩前的原始体积（cm3） Vk——试样达到规定压力时的体积（cm3） h0——试样压缩前的原始高度（cm） hk——试样的最终高度（cm)

第四节纤维的摩擦与抱合 一．纤维的摩擦、抱合指标 1. 摩擦力F2：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。 2.抱合力 F1：纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时产生的切向阻力。 3、切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2 μN= F1+fN 4、切向阻抗系数μ= F1 / N+f

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、布才具有一定服用价值； • 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。

二、纤维抱合力指标及影响因素 （1）抱合系数h(cN/cm)———单位长度纤维上的抱合力。 h=F1 / l （2）抱合长度Lh(km)————纤维条的自身重力等于其强力（即抱合力）时所具有的长度。 Lh=F1/Ntex 式中： F1——纤维条的强力(gf) Ntex——纤维条的特数（3）纤维抱合力的产生机理、意义与影响因素因为纤维具有卷曲、转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，且细长而柔软。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。 • 纤维的几何形态（表面结构、纤维长度、细度、卷曲度）：纤维卷曲或转曲多，细长而较柔软的抱合力较大 • 排列形态；纤维弹性；表面油剂；温湿度。

三、切向阻抗系数的影响因素★ 1.纤维表面的性质 * 非圆形的纤维 < 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 * 无捻长丝的μ> 加捻长丝或短纤纱的μ 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。

3.法向压力主体趋势下降 4.滑动速度由静到动，μ↓，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。 5.温湿度温度：引起油剂变化纤维性能变化随着T↑，μ↓；到一定数值时，随着T↑，μ↑。湿度：RH%↑，则μ↑（E↓）当RH%=100%时，μ最大。（接触面积↑）在水中，则μ水<μRH=100%。加工中RH%必须加以控制，太湿，μ↑，加工困难；太干，发脆

四、试验方法 1、抱合系数测试方法：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）和纤维的长度（cm）的比值。 2、抱合长度测试方法：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(gf)和纤维条的特数(tex)的比值得抱合长度（km）。 3、切向阻抗系数的测定——斜面法 4、切向阻抗系数的测定——绞盘法可测定纤维与纤维，纤维与金属、橡胶等其它材料间平行、交叉摩擦的静切向阻抗系数和动切向阻抗系数。

Y151型摩擦系数测定仪

总结 • 纤维拉伸指标 • 纤维拉伸机理及影响因素 • 纤维的表面力学性质 • 作业

第 6 章 纤维的力学性质