纤维的力学性质 (2)

纤维的力学性质
第一节 纤维的拉伸性质
纺织加工和纺织品使用过程，要求纤维具一定抵抗外力的能力。
• 纤维的力学性质是最主要的性质。 • 纺织纤维一般是长径比>1000的细
长柔性体，轴向拉伸是其受力的主 要形式，强伸性质是衡量其力学性 质的重要指标。
一、拉伸曲线及拉伸性能指标
1、纤维的拉伸曲线
A：线性区； B：屈服区；负荷上升缓慢，伸长变形
4. 三阶导数法：分别做应力-应变曲线的三阶导数曲线，其和应变轴的交 点，即为屈服伸长率，进而得到屈服点。
• 断裂功指标 a． 断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，即负荷-伸长曲线下
的面积，表示材料抵抗外力破坏所具有的能量 。 b．断裂比功：是指拉断单位体积纤维或单位重量纤维所需作的功。实际应
增加较快
C：强化区；负荷上升较快，伸长变形 增加较慢
线密度0.3tex，密度1.5g/cm3，长20cm
应力/MPa 比应力/N t·ex-1 负荷/N
600 0.4 0.12
B
300 0.2 0.06
A
0
0
0
2
0
0.1
0
10
C
4 伸长/cm 0.2 应变 20 伸长率/%
• 纤维拉伸曲线不同区域的变形机理：
1.强力高、伸长率小
• 这类纤维取向度、结晶度和聚合度都比较高，大分子属刚性分子链。取向 度高：绝大多数大分子沿纤维轴向排列，几乎没有伸直变形的过程，大分 子之间可能产生的滑移量减少，故表现为纤维强力高、伸长小；结晶度高： 分子间以较强键连接的部分占较大比例，缝隙空洞少，故能提高强力、屈 服应力和初始模量，而伸长率减少；聚合度在一定范围内增大会增加分子 间结合力而强度增加，并因此使伸长率变形减少。
用中，断裂比功用拉断单位线密度，1cm长纤维所需的功（N·cm）表 示，即断裂比功=断裂功/(线密度×夹持长度)，其中断裂比功单位： N/tex；断裂功单位： N·cm；线密度单位：tex；夹持长度单位：cm
几个术语：
1. 材料的“软-soft”和“硬-hard”，或“柔-flexible”和“刚-stiff”用于区 分模量（modulus）的低或高；
2.强力不高、伸长率很大 • 这类纤维的大分子柔曲性高，结晶度和取向度较差，虽然聚合度不一定低，
但因大分子间不能形成良好的排列，过长的分子链反而增加了自身的卷曲。 大分子空间结构改变的过程比较长，分子间滑脱的比例较大，故伸长率很 大，表现为模量较少，屈服点低和强力不高。 3.强力与伸长率介于二者之间 • 结晶度和取向度等介于前二者之间。如：锦纶因分子链的柔曲性较大，故 初始模量小，而刚性分子链的涤纶因初始模量大，故在拉伸图上，涤纶的 曲线在锦纶之上。
• B区域的变形源于，当施加外力增大时，无定形区中部分横向连接键因变形 较大而不能承受施加的外力而断裂，分子链进一步伸展。该阶段伸长变得 容易，应力上升缓慢，应力-应变曲线斜率较小，纤维呈现屈服现象。由于 断裂后的横向连接键不能回到原始位置，或在新位置建立新的横向次价键， 故外力去除后变形的回复不完全。
b ptex 103 或 b pden 9103
Lb
p t ex g3
e．断裂伸长率（应变）：纤维拉伸至断裂时的伸长率(或应变)称为断裂伸长率
b(%)(或断裂应变b)
b (%)
lb l0 l0
100
f.初始模量：纤维拉伸曲线的起始直线部分应力与应变比值，即 - 曲线在
• 拉伸曲线可采用负荷-伸长、应力-应变等表示，仅坐标变化。
• A区域的变形源于分子链键长（包括横向次价键）和键角的改变。当较小的 外力作用时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结 分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果。变形的大小和外力 正比，应力-应变为线性关系，符合虎克定律（Hooke’s Law，σ=Eε），外 力去除分子链和横向连接键将回复到原来的位置，即完全弹性回复，且变 形速率和回复时间很短，约10-13s，即变形对时间的依赖可以忽略。
起始段的斜率。当纤维拉伸曲线起始部分非直线时，初始模量常取伸长 率1%（或0.5%）的应力值，按定义初始模量=应力/应变，即割线模量。
g.屈服应力与屈服伸长率：在纤维的拉伸曲线上伸长变形突然变得较容易时 的转折点称为屈服点。对应的应力和伸长率(或应变)称屈服应力和屈服 伸长率(或应变)。实践表明，纤维屈服点后，将产生比例较大的塑性变 形，力学性质将发生很大变化，故屈服点是材料的重要特征。
2、拉伸性能指标
a. 断裂强力（绝对强力）P：纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）； 厘牛（cN）；克力（gf）。
b. 断裂强度（相对强度pt ）：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。
c. 断裂应力（σb ）：纤维单位截面上能承受的最大拉力。单位N/mm2（MPa）。 d. 断裂长度（Lb ）：纤维的自身重量与其断裂强力相等时具有的长度。单位km。 • 三类相对强度的相互关系（g为重力加速度；γ为密度g/cm3）：
常用的屈服点确定方法（p74，图3-3）：
1. 角平分线法：用屈服点前后两个区域的近似直线部分的切线交点，做两 切线的角平分线，并与应力-应变曲线的交点为屈服点。
2. 考泊兰(Coplan)法： 用屈服点前后两个区域的近似直线部分的切线交点， 做平行于应变轴的直线，与应力-应变曲线的交点为屈服点。
3. 曼列叠斯(Meredith)法 ：用和原点和断裂点连线的平行线与应力-应变曲 线的切点，作为屈服点，分别对应屈服应力和屈服应变。
• C区域的变形源于，当进一步增加外力时，由于纤维中许多大分子链经过屈 服流动后，分子链因充分伸直，进一步拉伸比较困难，这时主要是纤维大 分子链键长和键角的改变而引起，直至发生断裂。
常用纺织纤维的拉伸曲线
比应力
亚麻 苎麻
棉
涤纶
锦纶 锦纶 蚕丝
腈纶
粘胶 醋酯
羊毛
醋酯 应变
以纤维的断裂强力和断裂伸长率的对比关系来分，拉伸曲线可分为三类： 1. 强力高、伸长率很小的拉伸曲线，如棉、麻等天然纤维。 2. 强力不高、伸长率很大的拉伸曲线，如羊毛、醋酯等。 3. 强力与伸长率介于一、二类之间的拉伸曲线，如蚕丝、锦纶、涤纶等。