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楼主 发表于:2012-4-24 9:23:42 

§纤维和纱线的机械性质zz

  

第六章  纤维和纱线的机械性质(4课时)

主要教学内容:纺织纤维的拉伸性质,纤维的蠕变、松弛、疲劳。

教学重点:掌握纺织纤维的各种力学性质及其测试方法,蠕变、松弛、疲劳的现实意义。

板书形式:书写和画图结合

课时:4课时

具体内容:

**节   纤维和纱线的拉伸性质

一、纤维和纱线的拉伸断裂性能的基本指标

(一)拉伸断裂强力:绝对强力,法定单位 的牛顿,习惯单位是克力和千克。

(二)相对强度

1.    断裂应力:纤维和纱线每平方米或平方毫米截面积抵抗拉断能承受的力。用σ表示,标准单位是N/m2。由于纺织材料的截面形状的不规则的,所以这个指标在生产工艺中应用不多。

2.    比强度:纺织纤维特别是化学纤维的粗细规定用特克斯或纤度(旦)作为单位,因而比强度是指1特粗细时能承受的拉伸力(cN),一般用p0表示,单位是cN/tex或cN/dtex。因此,当单根纤维或纱线的粗细是Ntex特或Nden,强力是P(cN)时,则p01=P/Ntex;p02=P/ Nden

3.    断裂长度:单根纤维或纱线延续很长,握持上端,当自身重量把纤维或纱线拉断时,这个长度就是断裂长度。一般用L来表示。单位是千米。

L=P*Nm/1000=P/ Ntex。

断裂应力σ=L*γ   其中γ为材料的比重(g/cm3)

4. 棉纱线的品质指标:过去在棉纱线强度测定中,习惯用绞纱(100圈、一圈1米)拉断测强度。为了折算成相对强度,采用类似断裂长度的公式。用Q来表示绞纱线的绝对强度,以公斤力为单位,故在式中乘以1000。得到品质指标Dt=(Q/ Ntex)*1000

(三)断裂伸长:断裂伸长度或伸长率(L1-L0)/L0*100%

(四)拉伸变形曲线和有关指标

1.        拉伸应力与伸长率曲线图

2.        B点为屈服点,OB线段斜率较大,此斜率叫拉伸弹性模量E,单位是N/mm2   E=dσ/dε    它代表着纺织纤维和纱线在受拉伸力很小时抵抗变形的能力。

3.        拉伸断裂功:曲线oa下与横坐标所围成的面积,用W来表示(cN.mm)。W=∫pdl

4.        拉伸断裂比功拉伸:拉断单位体积材料所做的功。

二、纤维和纱线的断裂机理

(一)纺织纤维的断裂机理:   *先是大分子的结晶区间的非结晶区中的弯曲的长度较短的分子链伸直——受力拉伸使化学价键长度增长、键角变大。在此过程中,一部分*伸展、*紧张的大分子链或基原纤逐步从结晶区中被抽拔出来,这时有可能有的个别大分子主链被拉断。各个结晶区逐步产生相对移动使结晶区之间沿纤维轴向的距离增大,,非结晶区中的大分子链和基原纤的平行度提高,受力的大分子或基原纤的根数增多。如此,大分子或基原纤在结晶区被抽拔移动越来越多,被拉断的大分子也逐步增多,继续到一定程度,大分子或基原纤间原来比较稳定的横向联系显著破坏,使结晶区中大分子之间或基原纤之间的结合力抵抗不住拉伸力的作用,从而产生明显的相互滑移、大分子抽拔,伸长变形迅速增大(拉伸图上BC段现象)。再继续拉伸,,由于大分子的取向度提高,还能承受一些外力(拉伸图斜率又有所上升),但此时,纤维已经疲劳,再拉伸,部分大分子拉断,部分抽拔,*后在纤维*薄弱环节上断开(达到拉伸图上的a点)。

(二)影响纺织纤维拉伸断裂强度的主要因素

1.        纤维的内部结构:

大分子的聚合度:一般大分子聚合度高,大分子从结晶区中完全抽拔出来就不大容易,大分子之间的横向结合力也更大写,所以,强度愈高。

大分子的取向度:一起受力根数多。

纤维的结晶度:纤维大分子、基原纤排列越规整,缝隙孔洞较小、较少,大分子和基原纤间结合力越强,纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量就都较高,但脆性可能有所增加。

2.        温湿度:

温度:在纤维回潮率一定的条件下,温度高,大分子热运动能高,大分子的柔曲度提高,分子之间的结合力削弱。因此,一般情况下,温度高,拉伸强度下降,断裂伸长增大,拉伸初始模量下降。

空气相对湿度和纤维回潮率:纤维的回潮率越大,大分子之间的结合力越弱,结晶区越松散,所以,一般情况下,纤维的回潮率大,则纤维的强度低、伸长增大、初始模量下降。但棉纤维有一些特殊性。因为棉纤维的聚合度非常高,大分子链*长,当回潮率提高后,大分子链之间的氢键有所减弱,增强了基原纤之间或大分子之间的滑动能力,反而调整了基原纤和大分子的张力均匀性,从而使受力大分子的根数增多,使纤维强度有所提高。

3.        试验条件

A试样长度:主要是测得的薄弱环节上的机会多或少。

B试样根数:主要是根数越多,由于各根纤维的强度并不均匀,特别是断裂伸长不均匀,试样中各根纤维伸直状态不同,这就使各根纤维不同时断裂。使各根纤维强度之和要大于成束纤维拉伸强度,而且,根数越多,差异越大。测定的束纤维强度与单纤维平均强度有以下关系:

P=n*p*1/k  (cN)

式中P ——束纤维绝对强度  (cN)

 

P——单纤维平均绝对强度(cN)

 

n——束纤维中纤维根数

k——系数,在我G标准条件下,棉纤维在1.412~1.481之间(1/ k=0.675~0.708)

苎麻1.582左右(1/ k=0.632);蚕丝在1.274左右(1/ k=0.785)

C测定时的拉伸速度等

拉伸速度快时,大分子还未来得及滑脱,承受拉力的根数多,所以 强力高。

(三)纱线拉伸断裂机理

1.        纤维的断裂过程

2.        纤维的滑脱

3.        纱线是纤维的集合体,又与纤维不同,由于纱线外层纤维对内层纤维有压力使各层纤维的受力不均匀,纱线外层纤维的螺旋角大,内层纤维螺旋角小,因而纤维张力在纱线轴向的有效分力也是外层小于内层,所以在纱线拉伸过程中*容易断裂的是*外层纤维。

(四)影响纱线拉断的主要因素

1.        纤维的性能

(1)        纤维的长度:纤维长度长,且长度整齐度好,纱线的强度高。特别是长度短于2LC(滑脱长度)的纤维含量对纱线的强度影响很大。如棉纤维中短绒含量每增加1%,强度则下降1%~1.2%。

(2)纤维的强度:

(3)纤维的细度:纤维细——柔软——贴紧抱和好,另外纱线中根数多摩擦大,强力高。

2.        纱线的结构(普通纱线和变形纱线;捻度的大小及捻向)

第二节 纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳

一、纤维和纱线蠕变和松弛

1.        蠕变和松弛的基本概念

蠕变:纤维和纱线在一恒定的外力作用下,其变形量不是恒量而是随着时间不断变化的量。

松弛:在拉伸变形恒定的条件下,内部应力(张力)将随时间的延续继续不断地下降,这种现象叫松弛。

2急弹变形

3缓弹变形

4塑形变形

见书上图。

二、纤维和纱线的疲劳

1.        概念:纤维或纱线在较小拉伸力长时间作用下也会拉断,只是拉伸力较小所需时间长,拉伸力较大所需要的时间短。这就是疲劳现象。原理是拉伸力连续作用在纤维或纱线上,随着蠕变过程,外力不断对其作功,对材料进行缓慢的破坏。当外力所做的功积累到一定程度,材料内部的结合能抵抗不住这一拉伸力时,就呈现出整体破坏。

2.        拉伸、回复都有停顿的重复拉伸图。见书P892

3.        指导意义:生产方面、服用方面。

三、拉伸试验仪器介绍

1.        摆锤式强力仪(机械)

2.        电子强力仪

四、测试类型

1.        单纤维

2.        束纤维

3.        单纱

4.        缕纱

第三节 纤维和纱线的弯曲、扭转和压缩

一、弯曲

1.        抗弯刚度:在一定F的作用下,弯曲变形的挠度的大小称为~。它与材料弯曲时的截面系数、纤维或纱线粗细、材料的弹性模量有关。公式见书P403

2.        相对抗弯刚度:为便于比较粗细不同的材料的性能,把抗弯刚度折合成相同粗细即1特时的抗弯刚度。如羊毛较小;而苎麻、亚麻、涤纶等较大。这一指标影响到织物的挺爽柔软及身骨。

3.        纤维和纱线在弯曲时的破坏:纤维或纱线越细、拉伸伸长率越大时,就越不容易折断。通常情况下,纤维或纱线互相打结或钩接的地方,*容易产生弯断。主要原因、是在钩结和打结处纤维弯曲,当纤维拉伸力尚未达到拉伸断裂强度时,弯曲外边缘拉伸伸长率已超过拉伸断裂伸长率而使纤维受弯折断。因而相对抗弯刚度高和断裂伸长率大的纤维,钩结强度和打结强度都很高。在一般情况下,钩结强度和打结强度*高达到100%,但是对于某些纱线其结构松散、纤维断裂伸长率较大,在钩结和打结后,反而增强了纱线内纤维之间的抱和,减少了滑脱根数,故此时纱线的钩结强度和打结强度也可能大于100%。

4.        重复弯曲:和重复拉伸一样,也有蠕变和松弛。

二、扭转

1.        抗扭刚度

2.        相对抗扭刚度

3.        相对抗扭刚度决定于纤维的结构,并有蠕变和松弛过程,也会产生疲劳。

4.        指导意义:帮助我们正确选择工艺措施。如为了使织造用纬纱、针织用纱迅速减少扭应力,以防止扭结,就可提高温度、增加湿度,以促使扭应力尽快松弛。而且纱线保持适当张力,不容易产生扭结。

5.        纤维和纱线扭转时的破坏:随着扭转变形的增大,纤维和纱线中剪切应力增大,在倾斜螺旋面上相互滑移剪切。在纱线中,它造成纤维相互滑动。在纤维中,它造成结晶区破碎和非结晶区大分子被拉断,沿纵向劈裂,*后断裂。因此表达纤维抗扭强度的一种通用指标是捻断时的捻角,即当纤维或纱线不断扭转到捻断时的捻角α,见图。因此,随着纱线捻度的增大,纤维上捻角也增大,纤维的扭应力增大,脆性增大;纱线在超过临界捻系数之后,强度下降,断裂伸长率减小,脆性也增大。

三、纤维和纱线的压缩

1.        压缩的基本规律:纤维和纱线沿轴向的压缩性能在纺织工艺和产品结构分析中也要用到。随着横向压力的增大,纤维和纱线沿受力方向被压扁,沿垂直方向变宽。压缩弹性模量表示。压缩力与变形的关系仅用厚度的改变是不够确切的,故压缩曲线的变形横坐标一般用容重(比重)。可以方便地折算成截面不变时的厚度,即纤维块体堆砌成一定截面的柱体,在截面不变、质量不变时,容重与厚度成反比。纤维间隙大,容重小,压力稍有增加,纤维间空隙缩小,容重增加*快,而且压力与容重的对应关系并不稳定。随着压力的增加,容重增大,纤维间空隙减小,压缩弹性模量增大,压力与容重之间的对应关系也渐趋稳定。

纤维块体加压过程中,也与拉伸近似,有急弹性、缓弹性和塑性三类。故解除压力后,纤维块体体积逐渐膨胀,但一般不能恢复到原来的体积。压缩后的体积回一定截面时的厚度恢复率表示了纤维块体被压缩后的回弹性能。不同条件下的压缩曲线是不同的。如果恢复时条件改变,则压缩恢复率将明显改变,如涤纶、腈纶等恢复时,如果提高温度,压缩恢复率将有明显的增加。而粘纤在标准条件下,经过15分钟,只能恢复8%,但如果进浸泡在20度的水中,则经过30秒钟即可恢复100%。

2.        纤维和纱线在压缩中的破坏

纤维和纱线在一般压缩条件下不会造成明显的破坏,但在强压缩条件下会造成破坏。过程是:*先产生压痕,再严重时开始出现纵向劈裂(这是和纤维中大分子取向度较高,横向拉伸强度明显低于纵向拉伸强度有关的)。当压力很大时,这些劈裂伸展,会碎裂成巨原纤或原纤。因此,原棉打包密度不可超过0.8克/立方厘米,各G均在0.40~0.65之间。而且打包越紧,纺纱厂使用前拆包松懈、恢复疲劳所需要的时间也越长,,,,,,恢复时的条件也需要考虑。否则原棉开松效果差,纤维损伤也会加剧,对产品质量不利。其他纤维也是这样。

第四节  纤维和纱线的摩擦与抱和

一.纤维和纱线摩擦和抱和指标

1.        摩擦:材料互相间在法向压力作用下互相接触,当接触面相互滑动时产生的切向阻力,与法向压力成正比,这个比值叫切向阻抗系数。

μ=F/N   式中:μ——切向阻抗系数

N——接触面间的法向压力

F——接触面相互滑动时的切向阻力。也叫摩擦力。

2.抱和:近代摩擦理论研究发现,一般材料的切向阻力并不与法向压力成稳定正比关系。而且,大多数材料,即使在法向压力等于零的条件下,只要相互滑动,就会有切向阻力,只是有的材料此值很小。特别是纺织材料,由于纤维细软,又多卷曲和转曲并有较好的弹性,当法向压力为零时,切向阻力常是一不可忽略的数值。因而把法向压力等于零时的切向阻力叫做“抱和力”,而把法向压力引起的切向阻力叫做“摩擦力”。即F=F1+F2   F1——抱和力;F2——摩擦力。

二、纤维间的抱和力及其影响因素

在纤维层、纤维块中,纤维并不是完全平行伸直状态,而是相互纠缠、粘贴,就使得纤维集合体不易分开,这是抱和力的*明显的作用。

抱和长度:近年来研究纺纱半成品结构,对抱和力提出的一个新相对指标,即将纤维条(特数Nt)在不加法向压力条件下拉断,拉断力为F1克力,按断裂长度的概念折合成1特时的抱和力,叫~Lb。

Lb=( F1/Nt)*1000

影响纤维抱和性能的因素有:纤维物质结构、表面结构、表面油剂、纤维长度、卷曲度、排列状态、纤维弹性等。温湿度也有影响,有的人提出与纤维的比热有关。

三、纤维和纱线的磨损

影响因素较为复杂。

1.        纤维的分子结构和微观结构。一般说来,分子主链键能强,分子链柔曲度好,聚合度好,取向度高,结晶度适当,结晶颗粒较细较匀,纤维的玻璃化温度在使用温度附近时,耐磨损性能好。

2.        从纤维性能上看,纤维表面的硬度高,拉身急弹性恢复率好,拉伸断裂比功大,恢复功系数高时,耐磨损性能好。

3.        温湿度、试样的张力、磨料种类、形状、颗粒大小及锐利程度、硬度等都对磨损有影响。

作业:

1.        纱线的断裂机理

2.        蠕变的概念


[帖子*后于:2012-6-11 10:58:12 被 webmaster 编辑过]
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