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第五章 纤维的机械性质
第一节 单纤维的拉伸性质
一、表示纤维拉伸性能的指标
指标有：断裂强力；断裂强度；断裂伸
长率
1. 断裂强力（绝对强力）
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)。

对不同粗细的纤维，强力没有可比性。
2. 相对强度
相对强度是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，相对强度指标
有以下几种:
（1）断裂强度（比强度）
定义：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。
其计算式为：
Ptex=P/Ntex
Pden=P/Nden
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）
定义：指纤维单位截面上能承受的最大拉力。
单位：N/m2（帕）；N/mm2（兆帕）；kgf/mm2。
其计算式为：
σ = P/S
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（LR）
定义：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，该长度为断裂长度。
其计算公式为：
LR=（P/g）*Nm
式中：LR——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。
纤维强度三个指标之间的换算式为：
σ = Υ*Ptex=9*Υ*Pden
Ptex=9*Pden
LR = Ptex= 9*Pden
式中：
σ——纤维的断裂应力（kgf/mm2）；
Υ——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。
3．断裂伸长率 ε
定义：纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断
裂伸长率。
它表示纤维承受拉伸变形的能力。
其计算公式为：
ε =（L-Lo）/ Lo
式中：
Lo——纤维加预张力伸直后的长度（mm）；
L ——纤维断裂时的长度（mm）；
二、 拉伸曲线的基本性质
纺织纤维在拉伸外力作用下产生的应力应变关系称为拉伸性质。
1、 拉伸曲线定义
负荷-伸长曲线：表示纤维在拉伸过程中的负荷和伸长的关系曲线。
应力-应变曲线：表示纤维在拉伸过程中的应力和应变的关系曲线。
一般纤维负荷-伸长曲线
图中：
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。
2.拉伸曲线反映的指标
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
上图所能反映的指标有：
1.断裂强力（或断裂强度）
2.断裂伸长（或断裂伸长率）
3-5见后页
3.初始模量E
定义：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。
其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。
E越大表示纤维在小负荷作用下不易变形，刚性较好，其制品比较挺括；
E越小表示纤维在小负荷作用下容易变形，刚性较差，其制品比较软。
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
4.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。
5．断裂功、断裂比功和功系数
（1）断裂功W
定义：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。
W是强力和伸长的综合指标，用来有效评价纤维的坚牢度与耐用性能。
W大，说明纤维的韧性好，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。

W=
（2）断裂比功Wa
定义：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，它对不同粗细和不同试样长度的纤维材料具有可比性。
（3）功系数We
定义：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。
其计算式为：
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。
各种纤维的功系数大致在0.36-0.65间。
三、常用纺织纤维的拉伸曲线
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）
四．纤维拉伸断裂机理
纤维断裂原因有：
大分子主链的断裂

大分子之间的滑脱
五．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↑
六、纤维拉伸性能的测试
1.摆锤式强力仪（见下图）
2．电子强力仪
第二节 纤维的蠕变、松弛和疲劳
一、纤维的拉伸变形与弹性
1.纤维拉伸变形的组成
纤维变形包括：可回复的弹性变形（急弹性+缓弹性）和不可复的塑性变形
急弹性变形：加（或去除）外力后能迅速变形。
缓弹性变形：加（或去除）外力后需经一定时间
后才能逐渐产生（或消失）的变形。
塑性变形：纤维材料受力时产生变形，去除外力后，
不回复的变形。（绝对值）
纤变形：
l=l急+l缓+l塑（绝对值）
ε=ε急+ε缓+ε塑 （相对值）
三种变形同时产生，所占比例受纤维的性质、加负荷的大小、负荷的作用时间的影响。
2.纤维的弹性
（1）定义：指纤维变形的恢复能力。
（2）常用指标：
a.弹性回复率Re（或称回弹率）
Re =（l急+l缓）/（l急+l缓+l塑）
=（L1-L2）/（L1-L0）
式中： L0——纤维加预加张力使之伸直但不伸长时
的长度（mm）
L1——纤维加负荷伸长的长（mm）
L2——纤维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）纤维的结构：分子链的柔曲性、分子间
力的大小
（2）相对湿度；
（3）测试条件；

纤维的弹性是织物获得好的尺寸稳定性与抗皱性的主要因素。
二、纤维的流变性质（或粘弹性质）
定义：纤维在外力作用下，应力应变随时
间而变化的性质。
包括蠕变和应力松弛
1．蠕变
(1)定义：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。
（2）曲线：
（3）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）
（1）定义：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。
（2）曲线：见上页
（3）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．影响纤维流变性质的因素
①纤维本身的结构：
分子量增加，分子链的极性、交联和结晶增加，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、纤维的疲劳特性
1.定义：纺织材料在较小外力、长时间反复作用
下，塑性变形不断积累，当积累的塑性
变形值达到断裂伸长时，材料最后出现
整体破坏的现象。
疲劳破坏包括：分子滑移、分子断裂、裂缝的产
生与扩散、应力集中。
疲劳形式有：蠕变、重复伸长、重复压缩、重复
弯曲及重复扭曲。
2.指标和测定方法
(1)纤维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.纤维结构和性能与疲劳的关系
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、扭转与压缩特性
一、纤维的弯曲
1.纤维弯曲时受力情况：
外侧——受拉，伸长
内侧——受压，压缩
2.纤维抗弯刚度Rf
定义：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——纤维的弯曲弹性模量（cN/cm2）
ηf——截面性状系数（它等于实际的惯性
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。
常用纤维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
纤维种类 截面形状系数 ηf 密度（g/cm3） 初始模量E （cN/tex） 相对抗弯刚度Rf(.cm2）
长绒棉 0.79 1.51 872.1 3.66
细绒棉 0.70 1.50 353.1 2.46
苎麻 0.80 1.52 2224.6 9.32
亚麻 0.87 1.51 1166.2 4.96
细羊毛 0.88 1.31 220.5 1.18
粗羊毛 0.75 1.29 265.6 1.23
桑蚕丝 0.59 1.32 141.9 2.65
粘胶纤维 0.75 1.52 515.5 2.03
涤纶 0.91 1.38 1107.4 5.82
锦纶6 0.92 1.14 205.8 1.32
锦纶66 0.92 1.14 214.6 1.38
腈纶 0.80 1.17 670.3 3.65
维纶 0.78 1.28 596.8 2.94
玻璃纤维 1.00 2.52 2704.8 8.54
异形纤维比圆形纤维Rf大（同品种相同旦数）
纤维 锦纶 聚酯
丝
截面形状 ○ △ ◇ 三叶形 Y ○ △
△
抗弯刚度 31.8 39.4 34.9 44.0 38.1 112.6 131.5
40.1
2．纤维Rf的测定
用日本风格仪KES；
测定结节强力与钩接强力；
二、纤维的扭转
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。
各种纤维的扭转性能
纤维种类 扭转截面形状系数ηt 相对剪切弹性模量Etl(gf/tex) 相对抗扭刚度Rf(10-4·gf·cm2/tex)
棉 0.71 165 7.9
羊毛 0.98 85 6.7
桑蚕丝 0.84 168 10.2
柞蚕丝 0.35 230 6.0
苎麻 0.77 109 5.6
亚麻 0.94 87 5.8
普通粘胶纤维 0.93 74 4.7
涤纶 0.99 65 4.7
锦纶 0.99 45 4.0
腈纶 0.57 99 5.2
维纶 0.67 75 3.6
玻璃纤维 1.00 1640 64
三、纤维的压缩
纤维集合体的压缩变形以材料层体积或高度的变化来表示。
压缩变形的绝对值 b=V0-Vk （cm3）
压缩变形的相对值 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°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。
一、摩擦机理
糙面学说；分子学说；焊接学说
二．纤维的摩擦、抱合和切向阻力
1.抱合力 F1
定义：纤维间在法向压力为零时，做相对滑动时
产生的切向阻力。（因为纤维具有卷曲、
转曲、鳞片、表面粗糙凹凸不平，且细长
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）
2. 摩擦力F2
定义：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。
切向阻力F=抱合力F1+摩擦力F2
μN= F1+fN
切向阻抗系数μ= F1/N+f
三．纤维摩擦抱合性质的指标与测试
1.抱合力的指标与测定
（1）抱合系数h(cN/cm)
定义：单位长度纤维上的抱合力。
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l（cm）
的比值。
h=F1/ l
2）抱合长度Lh(m)
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，测得它的强力和纤维条的特数

Lh=F1/Ntex
式中： F1——纤维条的强力(gf)
Ntex——纤维条的特数
影响纤维抱合力的因素：
纤维的几何形态（表面结构、纤维长度、卷曲度）；
排列形状；纤维弹性；表面油剂；
温湿度；
纤维卷曲或转曲多，细长而较柔软——抱合力较大
几种纤维的抱合性能
纤维种类 纤维线密度(dtex) 纤维长度(mm) 20°C时的抱合长度(mgf/tex)
羊毛 直径23μm 55 30
涤纶 4.4 70 65
腈纶 3.85 90 47
锦纶 3.3 70 95
2．切向阻抗系数的测定
绞盘法——测定纤维与纤维，纤维与金属、
陶瓷等其它材料间摩擦的切向
阻抗系数。
Y151型摩擦系数测定仪
影响切向阻抗系数的因素
1.纤维表面的性质
* 截面为非圆形的纤维的μ < 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.法向压力的影响
4.导纱面光滑程度的影响
分两种不同情况：
天然纤维，粘纤，异纤——导纱面光滑程度↑，则μ↓
圆形，表面光滑的纤维——导纱面光滑到一定程度后，则μ↑。
5.滑动速度的影响
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。
6.温湿度的影响
温度：
T变化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↑（∵v↑，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
　
1．名词解释：
初始模量 断裂长度 断裂比功 蠕变 应力松弛 疲劳
急弹性变形 缓弹性变形 塑性变形 弯曲刚度 纤维切向阻力
2．从拉伸曲线上可求得哪些指标？说明各指标的含义及其与纤维性质的关系。
3．试述纤维的拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素。

　
4．今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）

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