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第六章 纤维和纱线的机械性质. 第一节 纤维和纱线的拉伸性质 一纤维的拉伸性质及断裂机理 测试标准的重要性 标准测试条件举例 指标体系 典型拉伸曲线分析 常见纺织纤维拉伸曲线 常见纤维拉伸性质指标 纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素 拉伸性能测试 纤维拉伸破坏形态. 1.1 测试标准的重要性 （ 1 ）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环境；
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第六章 纤维和纱线的机械性质 第一节 纤维和纱线的拉伸性质 一纤维的拉伸性质及断裂机理 • 测试标准的重要性 • 标准测试条件举例 • 指标体系 • 典型拉伸曲线分析 • 常见纺织纤维拉伸曲线 • 常见纤维拉伸性质指标 • 纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素 • 拉伸性能测试 • 纤维拉伸破坏形态
1.1测试标准的重要性 • （1）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本不同环境条件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环境； • （2）不同横截面或不同长度纤维由于弱环 (或称为缺陷)存在的几率不一样，对于纤维材料在横截面不能标准化前提下，必须标准化纤维待测区段长度； • （3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线不是严格的一一对应单质函数曲线，取决于加载历史和加载方式，必须标准化加载条件； • （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数。 Back
1.2标准测试条件举例 • 环境条件：Temperature: 20±3℃; Relative humidity (R.H.): 65±5% • Back
1.3指标体系 • 断裂强力；断裂强度；断裂伸长率 • 1.3.1断裂强力（绝对强力）P • ——是纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。 • 对不同粗细的纤维，强力没有可比性。
1.3.2强度 • 用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。 • 根据采用线密度指标不同，强度指标有以下几种： • （1）比强度（相对强度）(specific strength 或tenacity)——是指每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。 • 单位为：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。 • 其计算式为： • 式中：Ptex——特数制断裂强度（N/tex；cN/dtex；gf/dtex）； Pden——旦数制断裂强度（N/d；cN/d；gf/d）； P——纤维的强力（N；cN；gf）； Ntex ——纤维的特数（tex，dtex）； Nden——纤维的旦数（d）。
（2）断裂应力（强度极限）——指纤维单位截面上能承受的最大拉力。（2）断裂应力（强度极限）——指纤维单位截面上能承受的最大拉力。 • 单位为N/mm2（即MPa）。 • 其计算式为： • 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）。
（3）断裂长度（Lp）——是指纤维的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。（3）断裂长度（Lp）——是指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，该长度即为断裂长度。 • 其计算公式为： • 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。
纤维强度的三个指标之间的换算式为： • 式中：γ——纤维的密度（g/cm3）； Ptex——纤维的特数制断裂强度（gf/tex）； Pden——纤维的旦数制断裂强度（gf/d）； g——重力加速度（等于9.8m/s2）； LR——纤维的断裂长度（km）。 可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其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。
1.3.4其他指标 （1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形的能力，载荷－伸长曲线(或应力－应变曲线)起始直线段斜率。 量纲：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa) • 式中：E——初始模量（N/tex）； P——M点的负荷（N）； △L——M点的伸长（mm）； L——试样拉伸测试区段（mm）； Ntex——试样线密度（tex）。
（3）功Work Back
1.4典型拉伸曲线分析 • O'→O：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直； • O→M：（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； • Q→S：（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； • S→A：（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。 • Q：屈服点； • A：断裂点。 Back
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）——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）。 Back
1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素 1.7.1纤维断裂原因：大分子主链的断裂；大分子之间的滑脱。 1.7.2影响纤维拉伸性能的因素 （一）内因： （1）大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）：纤维的断裂取决于大分子的相对滑移和分子链的断裂两个方面。大分子的平均聚合度↓，大分子结合力↓，容易产生滑移，则纤维强度较低而伸度较大；反之，大分子的平均聚合度↑，大分子结合力↓，不易产生滑移，所以纤维的强度就较高而伸度较小。例如：
在不同拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力的影响在不同拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力的影响
开始时，纤维的强度随聚合度增大而增加，但当聚合度增加到一定值时，再继续增大时，纤维的强度就不再增加。因为，此时断裂强度已达到了足以使分子链断裂的程度，再增加聚合度对纤维的强度就不再其作用。
（2）超分子结构（取向度、结晶度） • 例如：（见下页） • 由图可见，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。
（二）外因： • （1）温湿度：空气的温湿度影响到纤维的温湿度和回潮率，从而影响纤维的强伸度。 • 温度对各种纤维的影响虽然不一致，但都具有一般规律：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。
几种常见的应力－应变曲线于相对湿度间的关系：几种常见的应力－应变曲线于相对湿度间的关系：
多数纤维随相对湿度的提 高，纤维中所含水分增多，分子间结合力越弱，结晶区越松散，因此纤维的强度降低，伸长增大、初始模量下降。但天然纤维素棉、麻的断裂强度和断裂伸长却随相 对湿度的提高而上升。化学纤维中，涤纶、丙纶基本不吸湿，它们的强度和伸长率几乎不受相对湿度的影响。相对湿度对纤维强度与伸长度的影响，视各自吸湿性能 的强弱而不同，吸湿能力越大的，影响较显著，吸湿能力小的，影响不大。 • （2）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↑。 Back
1.8纤维拉伸性能的测试 用于测定纤维拉伸断裂性质的仪器称做断裂强力仪。根据断裂强力仪结构特点的不同，主要可分为三种类型：摆锥式强力仪、秤杆式强力仪、电子强力仪。现主要介绍电子强力仪。 例如，INSTRON断裂强力仪如图：
1.9纤维破坏形态 目前对纤维拉伸失效过程的理解已相当成熟。例如：由Hearle and Cross发现的尼龙纤维的破坏形态： 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。
二 纱线的拉伸性质及断裂机理 • 1单根纱线强力试验机 • 试验单根纱线的强力试验机可采用Y361型单纱强力试验机。他有三种型号：Y361－1型，强力范围为10~1000g；Y361－3型，强力范围为120~3000g；Y361－30型，强力范围为0～30×103g，以适应不同单纱强力的需要。 • Y361型单纱强力试验机的结构如图：
1－上导纱钩 2－轧紧扳手 3－上纱夹 4－制动钩 5－升降手柄 6－指针 7－复位拉链 8－下导纱钩 9－下纱夹 10－预加张力片
几种纱线一次拉伸断裂特性指标的典型数据: • 常见几种纱线一次拉伸断裂特性指标的典型数据。 • 纱线和长丝的拉伸曲线：
影响纱线一次拉伸断裂特性指标的因素 • 影响纱线强、伸度的因素主要是组成纱线的纤维性质和纱线结构两个方面。对混纺纱来说，它的强、伸度还与混纺纤维的性质差异和混纺比密切相关。至于温、湿度和强力机测试条件等外因对纱线强、伸度的影响基本上与纤维相同。 • （1）纤维性质 • 前已述及，当纤维长度、较长纤维较细时，成纱中纤维间的摩擦阻力较大，不易滑脱，所以成纱强度较高。当纤维长度整齐度较好，纤维细而均匀时，成纱条干均匀，弱环少而不显著，有利于成纱强力的提高。纤维的强、伸度大时，则成纱的强、伸度也大；纤维强、伸度不匀率小，则成纱强度高。纤维的表面性质对纤维间的摩擦阻力直接有影响，所以对成纱强度关系也很密切。
（2）纱线结构 • 短纤维纱结构对其强、伸度的影响，主要反映在捻度上。纱线捻度对强、伸度的影响已在加捻对纱线性质的影响一节中述及。传统纺纱纱线对断裂伸长率的影响如图所示：
1－精梳毛纱 2－棉纱 3－粗疏毛纱 4－亚麻纱
当纱线条干不匀、结构不匀时会使纱线的强度下降。有捻长丝纱的拉伸断裂特征，随所加捻度的多少而异。当纱线条干不匀、结构不匀时会使纱线的强度下降。有捻长丝纱的拉伸断裂特征，随所加捻度的多少而异。 • 四种有捻长丝纱的拉伸曲线如图所示：
a－粘纤330dtex/100f，捻系数：1－6.3 2－17.8 3－29.5 4－42.2 5－57.5 6－94.3 b－醋纤110dtex/28f，捻系数：1－15.6 2－21.2 3－27.6 4－41.3 5－69.1 6－101.8 c－锦纶924dtex/136f，捻系数：1－3.2 2－8.7 3－14.9 4－28.9 5－37.3 6－54.2 7－61.7 d－涤纶110dtex/48f，捻系数：1－13.6 2－20.5 3－27.6 4－42.5 5－57.9 6－83.0 7－113.9
混纺纱的拉伸性质 • 混纺纱的强度和混纺比有很大关系，而且这个关系比较复杂。它与混纺纤维的性质差异，特别是伸长能力的差异密切相关。 • 混纺纱的强度同混纺纱的强度不同，不完全取决于纤维本身的强度。当用两种纤维进行混纺时，由于两种纤维的强度和伸长率不同，从而影响了混纺纱织物的强度。因此，要生产一种特定强度要求的混纺纱和织物，就必须了解混用纤维的特性、混纺比与成纱强度的关系。 • 为了简化问题的分析，假定只考虑纱的断裂是由于纤维断裂而引起的，混纺纱中纤维的混合是均匀的，并假设混纺在一起的纤维粗细相同。混纺纱的断裂强度按混纺纱所能承受的最大负荷来表示，在此假设下来分析两组分混纺纱的两种典型情况：
（1）当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率接近时，两种纤维的断裂不同时性不明显，基本上是同时断裂的。当两种纤维同时断裂时，混纺纱的断裂长度由下式计算：（1）当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率接近时，两种纤维的断裂不同时性不明显，基本上是同时断裂的。当两种纤维同时断裂时，混纺纱的断裂长度由下式计算： • 式中：L1——由纤维1纯纺时的细纱断裂长度； L2——由纤维2纯纺时的细纱断裂长度； X——混纺纱中纤维1的含量（按重量%计算）。 • 如果纤维1和纤维2，其断裂伸长率ε1=ε2，而断裂强度P1＜P2
（2）当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率差异大时，受拉身后明显的有两个断裂阶段。第一阶段是伸长能力小的纤维先断；第二阶段是伸长能力大的纤维断裂。当两种纤维不同时断裂时，混纺纱的断裂长度则由另外公式计算。（2）当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率差异大时，受拉身后明显的有两个断裂阶段。第一阶段是伸长能力小的纤维先断；第二阶段是伸长能力大的纤维断裂。当两种纤维不同时断裂时，混纺纱的断裂长度则由另外公式计算。
因此，计算混纺纱的断裂长度就必须：①在相同设备与参变数下，纺制同样支数的纯纺纱，用标准是研方法求出每一种纯纺纱的断裂长度（即L1和L2）和断裂伸长率（即ε1和ε2）；②求出由伸长较大的纤维纺成的细纱的负荷—伸长曲线，以确定Pε1；③按公式LBC =LAB的条件，求出临界混纺比XB；④如果伸长率较小的纤维含量小于XB，则可按公式LBC计算混纺纱的断裂长度；如果伸长率较小的纤维含量大于XB，则可按公式LAB计算混纺纱的断裂长度。
有两种不同情况： • ①当用伸长小的纤维纺成的细纱断裂负荷P1＞Pε1时，则随着其含量X在由100%到XB范围内的减少，混纺纱的强度下降，如图所示：
混纺纱的断裂长度与混纺比之间的关系：（－P1＞Pε1）混纺纱的断裂长度与混纺比之间的关系：（－P1＞Pε1）
