第七章 纤维的表面性质

• WSS=2γSV • WLL=2γLV
• 粘着功由两部分组成，一是液体本身性能γLV，另一 是液体与固体的相互作用γLVcosθ。
3.平衡浸润性的测量
（1）. 接触角θ测量 采用显微镜直接观测角度值，主要有插入转 动法；悬滴法仅适于θ≤900的测量，悬滴法 的计算为： H D
tan 2 L
如令真实接触面积为A，则变形点处的屈服应力： Py=N/A，即A=N/Py 式中Py为材料固有的屈服应力值，所以A正比于N， 正压力越大，接触面积越大。 当A、B两物体相对滑移时，焊接点必须被剪切力分开， 故两物质间的摩擦力为:
式中τmin为两种摩擦物中较弱材料的被剪切破 坏的剪应力。
由于τmin/Py为常数，与摩擦物质的本质特征有关，符合 Amontons定律。即µ min/Py =τ
第七章
纤维的表面性质
纤维的表面性质
表面摩擦、磨损及变形 表面光学特性，如色泽特征 表面传导特性，如对热、湿、声、电的传递 表面能及表面吸附与粘结
一、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 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℃，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。
得
N Td
F dT
dT T d
若F=μN，代入式(6-15)，得 得典型的欧拉原理：
T1 ＝e T0
式子T1和T0分别为紧边张力和松边张力；θ为纤维的包围角。
二、纤维的浸润性质
纤维的浸润，或称纤维的润湿，是指纤维与液 体发生接触时的相互作用过程。这一过程有可 以达到平衡不变的液体形状的浸润，称为平衡 态浸润，又称静态浸润；但也有液体形态一直 在变化铺展的浸润，称为非平衡态浸润，或称 铺展浸润，又称动态浸润。
粗糙表面浸润
当液滴作用于粗糙表面时，表观接触角会发生跳跃性变 化，其变化的原因如图所示。实际A、B液滴为同一液体， 固体物质也为均质材料，只是表面起伏，引起表观接触 角θA≠θB≠θ，θA’=θA’’= θB’= θB’’=θ为真正的接触角。
设粗糙系数为r，则
B滴 B A A A滴
cosr r cos
纤维间的摩擦面积不仅与上述压 力下的变形有关，也取决于摩擦 体系的几何形态。 如将直径为1cm的有机玻璃进行 正交放置摩擦试验，摩擦体系如 图。 试验得到接触变形处的圆接面的 直径d与正压力N的关系：
N ∝ d2.7
纤维而言，纤维接触变形的唯一 参数为d/D。
（2）绞盘法测量的理论
将纤维两端用相同重量m的张力夹夹住，悬挂于一可以 转动的圆辊上，该辊可以是金属辊，但大多为纤维包覆 辊，称“纤维辊”。然后，在一张力夹下向上施力F，如 图 (a)所示。当F力值等于或略大于被测纤维包压在纤维 辊上的静摩擦力时，该悬挂体失去平衡而滑移，得静摩 擦力FS。若此时使纤维辊产生逆时针旋转，并调节F力值 达悬挂体的平衡，则F力值为该转速下的动摩擦力FD。
5. 摩擦理论 （1）焊接理论
“焊接”：指纤维在正压 力作用下，某些凸起点在 接触压力的作用下，发生 紧密接触和变形，形成良 好的粘结作用力。 在摩擦过程中，这种接触 点的“熔接”（即使两物 体间滑移），必须以克服 焊接点的剪切变形阻力为 前提，即焊接点的破坏。 接触仅发生在焊接点，焊 接点的面积取决于接触压 力（正压力）。
B’
A’ B’ A
B
B
A’
B’
r为粗糙表面积（实际表面积）和平整表面积 （表观的）之比，所以r恒大于等于1。 可浸润：θ<π /2，越粗糙越易浸润；
π /2 <θ<π ，越粗糙越难浸润。
不同表面组份表面浸润
在不同组份区域尺寸较大时，接触角值也会产 生跳动。当不同组份的区域趋向于微观化时， A、B两组份所形成的θA与θB的差异趋向一个稳 态值θAB。
羊毛与 锦纶
顺鳞片方向
逆鳞片方向
0.26
0.43
0.21
0.35
纤维的摩擦因数与滑移 速度间的关系
纤维的摩擦因数随v的增 大为下凹状，v>vc时， μd> μs 常态的滑移速度都在v<vc 时测量，故μs > μd，即 这种情况下会发生“粘－ 滑”现象，随着μs –μd的 减小，粘-滑现象逐渐减 小，当μs≤μd时，粘-滑现 象消失。
已知A、B组份的面积分数为fA和fB，则
cosm f A cos A f B cosB
多孔材料或纤维集合体：
B B A B
A A B A
cos fa f f cos f fV (1 cos f )Vf 1
不同液体的浸润:不能简单加以解释。
2. 粘着功
指固体对液体的吸附能
总摩擦力：
F F0 Fad Fr Fp
• F0为正压力等于零时的摩擦力，即纤维的抱合 力； Fad为两材料相互粘结接触产生的摩擦力； Fr为形态粗糙程度产生的锁结作用阻力；Fp为 较软物质由于变形，剪切而被刨刮、耕犁破坏 而产生的阻力，简称为耕犁力。 • Fad、Fr和Fp均是接触面积A、粗糙度r、相对滑 移速度v的函数。当高速运动时，会形成软化点 和膜，Fad、Fp作用增大，Fr消失。
焊接理论在纤维材料上的应 用
典型的变形与应力间的关系见图。 OA-刚硬的弹性体曲线；OB-柔性 弹性体曲线；OC-粘弹体曲线； OD-塑性变形材料的曲线；虚线为 不同外界温度变化时的等温线。 OA与OB呈线性，正压力与接触面 积线性相关。OD中的D1D4为塑性 流变区，接触面积与正压力无关； OC的后阶段，即温度较高时，亦 趋于流变，接触面积与正压力无 关。
v 纤维
L F 纤维


Gf Fb
液体
（二）、纤维的铺展浸润
对于铺展过程，即非平衡浸润，在理论上已转化 为氢键或化学键作用的吸附过程，故YoungDupré方程已不再适用。 液体在固体表面仍以某种速度vS扩展，克服液体 内聚能WLL，使液体表面积扩大。因此铺展的必要 条件是，WSL≥WLL恒成立。 特征是液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固 －气界面消失，而留下二层固－液界面和气－液 界面。
S
大多测试段
D
流体润滑 边界润滑 O v
相对速度与摩擦因数的关系
3.纤维表面状态和外观形 态影响 纤维表面状态
纤维表面的粗糙程度
• 表面粗糙度r， 摩擦因数随 着r的提高而减少。 分纤维表面吸水而软化， 均会使μ上升。
纤维间的摩擦形式
用于摩擦接触面积不变时的描述，a为常 数，与接触面积有关 用于正压力不变时的描述，b为常数，与 正压力有关
2.静、动摩擦和滑移速度
纤维间相对低速滑移时，会发生时而保持不 动（粘），纤维产生变形或同向移动；时而 又相对快速滑移（滑），这种现象称为粘－ 滑（stick－slip）现象。 两者差别大时，给人一种粗糙、涩板、带嘎 吱声的感觉，如脱胶差的丝纤维 如果给纤维添加整理剂时，则会感到柔软、 滑糯，如优质的羊毛。
• 界面摩擦：纤维固体间的接触摩擦，随v增大而 减小。 • 润滑摩擦：纤维间流体状膜的剪切粘滞力的摩擦， 包括纤维本身的软化和表面油剂等，随v增大而 增大。
纤维外观形态
纤维的截面形状
• 在无张力的情况下，圆形截面纤维的扭曲趋势不明显，相 互间的接触概率较高，有效作用也强，故摩擦作用强。而 非圆形纤维易于产生螺旋状的转曲，故会影响纤维的相互 靠近，相互间接触概率低，摩擦作用弱。典型例子是经丝 光处理后的圆形棉纤维间的摩擦力高于未丝光的转曲棉纤 维。
1.纤维摩擦参数及其相互关系 F、N、S间的关系
各种经验方程来描述：
F 0 N S F A B lg N N F aN bN c
较为接近实际情况的简化形式： F aN n
• n介于2/3-1之间
上式还可讨论接触面积的作用：
F bs1 n F aN n F bs1 n
（一）、纤维的平衡浸润
1.接触角 著名的Young-Dupré方程。
• 所谓平衡是指气、液、固三相交汇点b不发生移动，该点的受力达 到平衡
SV SL LV cos
LV
θ SL 液体 a x
式中，γ为表面张力，即单位长度上的作 用力；下标S，L，V分别表示固、液、气 态；θ为接触角。
表6-3 纤维的动、静摩擦系数（μS，μD）
纤维 粘胶与粘胶 锦纶与锦纶 顺鳞片方向 逆鳞片方向 同纤维方向 顺鳞片方向 逆鳞片方向
μS
0.35 0.47 0.13 0.61 0.21 0.11 0.39
μD
0.26 0.40 0.11 0.38 0.15 0.09 0.35
羊毛与 羊毛
羊毛与 粘胶
纤维 转动 纤维
纤维 液滴

液体

D
H (b)
(a)
L
对浸润前进后退角的测量，可采用插入法的缓慢插入 测θa；缓慢拔出测θb。也可采取注入法测得前进角θa和 后退角θb。
注入 吸出
a
b
（2）. 浸润力的测量 竖直拔出法
F FP Gf Fb
式中，F为纤维拔出力；FP为浸润 力；Gf为纤维的重力；Fb为纤维浸 润段的浮力，
dS T T0 m T1 m T0
R
T1
d
T+dT
F (a)绞盘法机构
(b)绞盘法原理
绞盘法中纤维的受力分析见图 (b)，
T cos d T dT cos d F 0 2 2 d d T sin T dT sin N 0 2 2