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。

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1.2标准测试条件举例环境条件： Temperature: 20±3 ; Relative ℃

humidity (R.H.): 65±5%

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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）。

denden

textex

NPP

NPP

/

/

（ 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）。

SP

（ 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。

mp Ng

PL

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。

texNdgGP

gPgPL

PP

PP

a

dentexp

dentex

dentex

33.11

9/

9

9

1.3.3断裂伸长率 ε

%1000

0

L

LL

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）。

texNL

LPE

（ 2 ）屈服点确定：

（ 3）功Work

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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。

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1.5常见纺织纤维拉伸曲线

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） 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）。

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1.6常见纤维的有关拉伸性质指标

纤维品种

断裂强度（ N/tex）钩接强度（ N/tex）

断裂伸长率（%）

初始模量（ N/tex）

定伸长回弹率（%）（伸长 3%）

干态 湿态 干态 湿态

涤纶

高强低伸型 0.53-0.62 0.53-0.62 0.35-0.44 18- 28 18- 28 6.17-7.94

97

普通型 0.42-0.52 0.42-0.52 0.35-0.44 30- 45 30- 45 4.41- 6.17

锦纶 6 0.38-0.62 0.33-0.53 0.31-0.49 25- 55 27- 58 0.71- 2.65 100

腈纶 0.25-0.40 0.22-0.35 0.16-0.22 25- 50 25- 60 2.65- 5.29 89- 95

维纶 0.44-0.51 0.35-0.43 0.28-0.35 15- 20 17- 23 2.21- 4.41 70- 80

丙纶 0.40-0.62 0.40-0.62 0.35-0.62 30- 60 30- 60 1.76- 4.85 96- 100

氯纶 0.22-0.35 0.22-0.35 0.16-0.22 20- 40 20- 40 1.32- 2.21 70- 85

粘纤 0.18-0.26 0.11-0.16 0.06-0.13 16- 22 21- 29 3.53- 5.29 55- 80

富纤 0.31-0.40 0.25-0.29 0.05-0.06 9- 10 11- 13 7.06- 7.94 60- 85

醋纤 0.11-0.14 0.07-0.09 0.09-0.12 25- 35 35- 50 2.21- 3.53 70- 90

棉 0.18-0.31 0.22-0.40 7- 12 6.00- 8.20 74（伸长 2%）

绵羊毛 0.09-0.15 0.07-0.14 25- 35 25- 50 2.12- 3.00 86- 93

家蚕丝 0.26-0.35 0.19-0.25 15- 25 27- 33 4.4154- 55（伸长

5%）

苎麻 0.49-0.57 0.51-0.68 0.40-0.41 1.5- 2.3 2.0- 2.4 17.64- 22.05 48（伸长 2%）

氨纶 0.04-0.09 0.03-0.09 450- 80095- 99

（伸长 50%）

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

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。

（ 3）形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结 构、不均一性）等。

（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：

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：

仪器拉伸试样的速度在 0.0005—0.5m/min之间。仪器还可以进行卸载过程的试验，并且记录滞后圈。新型的 INSTRON断裂强力仪带有计算处理程序，可以处理测试结果，记录并积累普通的统计量指标（平均数、变异

系数、试验误差等）。

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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。

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

低捻长丝纱和高捻长丝纱的断裂破坏过程有很大的差别。低捻长丝纱断裂时，各根单丝之间的关联很小，他们分别在各自到达自身的断裂伸长值时断裂。但各根单丝之间断裂伸长值的差别不是很大，所以长丝纱中单丝的断裂几乎是同时发生的。而高捻长丝纱却不是这样，长丝纱中各根单丝断裂不是同时发生的，整个断裂破坏过程是在一个较长的伸长区间完成的。它的断裂强力随捻度的增加而下降，它的断裂必早与低丝长丝纱，并在开始断裂以后，它的拉伸曲线出现一个较长的延伸部分，如图

所示：

捻系数： 1－ 8.9  2－ 31.6  3－ 43.3  4－ 66.8  5－ 94.9

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：

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

21 100

100

100L

XL

XL

（ 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。

①因此，计算混纺纱的断裂长度就必须： 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）

棉纤维的强度较高，但其断裂伸长率远比涤纶及锦纶为低，当棉与这类合成纤维混纺时， P1大于 Pε1，故随着混纺纱中棉纤维含量的下降，混纺纱的强度也下降，只但其含量 X<XB是混纺纱的强度才逐渐增大。粘胶纤维与少量的涤纶或锦纶混纺时，混纺纱

的强度也有类似的情况。

②当用伸长小的纤维纺成的细纱断裂负荷 P1＜ Pε1时，则不论伸长率小的纤维的含量 X是大于或是小于临界混纺比 XB，混纺纱的断裂长度都是随着含量的减少而增加。换言之，在这种情况下随着混纺纱中伸长大的纤维含量的增加混纺纱的断裂长度增大，如图

所示。

混纺纱的断裂长度与混纺比之间的关系：（－ P1＜ Pε1）

这种情况在羊毛与任何化学纤维混纺时都会出现。这是因为羊毛的强力最低，而伸长率一般接近于化学纤维，有时略低于化学纤维之故。欲要提高棉与合成纤维混纺纱的强力，其途径是采用强度较高而伸长率较小（ 10%~20%）的高初始模量的合成纤维。由于维伦比较接近这个要求，所以用它与棉混纺时，混纺纱的强力随维纶含量的增加而

稍有提高。

涤纶与棉混纺时，混纺纱的强、伸度与混纺比的关系如图

所示。

用 1.7dtex涤纶与棉以不同混纺比纺成的14.7dtex — 纱的强度 伸长曲线如图所示。

有图中曲线可以看出，混纺纱的强力在涤纶混纺比为 50%~60%范围内时最低。当混入67%的 1.7dtex×38mm涤纶时混纺纱的强力几乎达到纯棉纱的强力。 1.7dtex×38mm涤纶纯纺纱的强力要高于纯棉纱，而3.3dtex×38mm涤纶混纺纱的强力则低于纯棉纱。当涤纶含量在 50%以内时，混纺纱的断裂伸长率基本上无变化，只有当含量超过60% 时，断裂伸长率有很大的增加。

涤纶与粘胶纤维混纺时，例如用3.3dtex×70mm的涤纶与粘胶纤维以不同的混纺比在棉纺设备上纺制 19.6tex纱，涤 /粘混纺纱的干湿态强度与混纺比之间的关系，干湿态断裂伸长率与混纺比之间的关系，如

图所示。

以不同的混纺比纺制 28tex（ 36只）混纺 纱，其干、湿态强伸度特性如图所示。

由图中曲线可知，涤纶与羊毛混纺纱的强度随着涤纶含量的增加而增加，当含量达到60%以上时，混纺纱的湿态强度与干态强度接近。干态时混纺纱的伸长率随涤纶含量的增加而增大，但其湿态下的伸长率，在不同

混纺比下都几乎保持不变。

1.4纱线未破坏的一次拉伸特性 纺织材料研究实践中，有时应用未破坏的一次拉伸特性指标。测定方法有两种：（ 1）将材料拉伸到某一规定深长，并记录所加的负荷，从而计算其应力；（ 2）测定在规定负荷及应力下试样的长度。工艺过程中利用这些指标，可以根据一个参数估算其他参数。例如，纱线在卷绕过程中承受的负荷可以根据伸长变形估算出来，而后者又与卷绕速度有关。这种估算有利于合理选用工艺参数。

几种纱线在恒定负荷作用下以及释负荷以后休息期间变形随时间而变化的特征如图所示。

1－ 25tex   棉纱 2－ 72tex   干纺亚麻纱 3－ 42tex精梳毛纱4－ 88tex普通粘胶长丝 5－ 88tex强力粘胶长丝

为了全面评定纱线的品质，最好既要观察应力在规定条件下的衰减，又要绘制应力随时间而变化的曲线。恒定负荷值可选择断裂负荷的 10%、 25%、 50%或等于断裂负荷。超过断裂负荷的 50%时，达到平衡需要的时间很长，由于试样截面不匀，经常会被拉断。分析恒定负荷（在断裂负荷的10%~50%之间）下变化量的变化表明，随着负荷的增大，各种纱线完整变形的增长不尽相同，例如亚麻纱增长缓慢而粘胶长丝增长迅速。各种相对拉伸变形与负荷的关系是，快速可逆变形与负荷值得变化接近成正比；缓慢可复变形在大多数情况下变化缓慢；塑性变形与纤维和纱线的结构有关。随着负荷的增大，完整变形中急弹性变形的比例减小，剩余

变形的比例增大。

介质作用和温度变化对纱线的完整变形ε（对夹持长度的百分比）和各种变形组分

影响很大。例如：

不同介质中纱线变形组分的变化（ a   ）棉纱 （ b   ）毛纱 （ c）涤纶纱

Ⅰ－空气介质（ 20℃   Ⅱ） －水介质（ 20℃和 700℃）

1.5纱线的多次拉伸循环特性在多次拉伸作用下，不同结构的纱线剩余

变形的特点，如图所示。

1-        结构良好的纱线 2－结构不良的纱线

这种疲劳变形称作剩余循环变形。如果纱线结构不良或者结构良好但拉伸作用产生的变形较大，则可能不经历第二阶段，而立即出现第三阶段，如果作用力非常大则经过若干次拉伸后便被破坏，而不存在结构逐渐瓦解

的衰竭过程。

多次拉伸循环的特性指标，可采用各种方法进行测试。根据纱线承受多次重复作用的方式和所用仪器不同，测试方法可以分类如下：

选择测试方法时，不仅要考虑与材料实际应用状态相似，还要兼顾一些其他条件：如仪器结构简单、工作准确可靠、整个试样始终保留在试验区域等。

例如：有两种不同负荷限度下第一次和最后一次的负荷图

其中：（ a）为负荷限度 P=0.65Pb时的情况，第一次复核周期总周期伸长率为 3.6%，弹性伸长率为 3.1%，不可逆伸长率为 0.5%，毛纱能承受的拉伸循环次数为 38次，不可逆增长率增加到 7.1%；（ b）为负荷限度 P=0.26Pb时的情况，第一次负荷周期总伸长率为 1.8%，弹性伸长为 1.6%，不可逆伸长率为 0.2%，毛纱能承受的拉伸循环次数1111次，不可逆伸长率增加到 8.6%。无论在0.65Pb获 0.26Pb的负荷限度下，它们的总伸长率均为 10.2% 。

纱线被破坏时经历的拉伸循环次数成为纱线的耐久性 np。几种纱线的耐久性与给定的最大循环变形量（%）的关系曲线，如图所

示。

—25tex     棉纱 ×－ ×26tex粗疏毛纱

第二节 纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳

主要性能：纤维的蠕变、松弛和疲劳。1. 纤维和纱线蠕变、松弛的基本概念2. 纤维和纱线的流变性质 :三类变形3. 纤维和纱线的疲劳特性4. 拉伸仪器概述 :摆锤式 ;电子式 .

第三节 纤维和纱线的弯曲、扭转和压缩

纱线的弯曲特性 纱线抗弯曲作用的能力较小，具有非常突出的柔顺性。实际上，纱线极少发生弯曲破

坏。

纱线多次弯曲特性指标及其测定多次弯曲作用通常采用下列三种方法来进行试验：

单面成圈弯曲、无拉伸作用，如图（ a）所示。

多次弯曲变形试验方法（ a   ）无拉伸，单方面圈形弯曲 （ b）双面弯曲，同时

拉伸（ c）双面弯曲，同时拉伸和磨损

 

多次弯曲循环的特性指标通常用耐久性（即双面弯曲达到破坏的循环次数）来表示。几

种纱线双面弯曲的耐久性见表。

纱线种类 线密度（ tex） 耐久性（双面弯曲循环次数）

普梳棉纱干纺亚麻纱精梳毛纱粘胶复丝粘胶短纤维纱锦纶 6复丝

25684213255

3793336

2061011831273

大于 50000

几种纱线多次双面弯曲的耐久性

棉纱和粘胶纤维纱的测试结果表明，试验的拉伸力从断裂负荷的 20%增加到 30%，纱线的耐久性下降 50%。弯曲角度从增加至时，纱线的耐久性下降 30%或者更多。弯曲部分的半径 r 对测量结果也有显著的影响。

纱线的扭转特性 纱线在垂直与其轴线的平面内受到外力矩的作用就产生扭转变形和剪切应力。纱线的合

股加捻就是扭转。

扭转强度特性指标通常以具有初始捻度T0（捻 /10cm）的纱线，再同向加捻到断裂时单位长度附加的捻回数 T来表示。据测试，各种纤维制成的 18tex纱线，具有初始捻度 T0=50~55捻 /10cm，其附加捻回数分别为：棉纱 1842、粘胶短纤维 1691、普通粘胶长丝 1921、强力粘胶长丝 1288捻 /m 。

描述纱线加捻过程中的另一特性指标是扭矩 . 测试纱线扭矩的方法，如图所示

1   －弹性钢丝 2   －指针 3   －固定刻度盘 4   －支架 5－阻尼器6   －小钩 7   －纱线试样 8   －小钩 9   －定位销 10   －垫圈 11－圆盘

12   －柔性轴 13   －计数器 14－转子

测试纱线抗扭刚度的方法，如图所示 :

测定纱线的旋转摆仪1   －纱线试样 2   －夹持器 3   －轻质盘 4   －钩子 5－ π型支架

几种纱线捻度与扭矩的关系曲线如图所 示。

几种纱线捻度与扭转的关系曲线1－ 36tex   棉纱 2－ 100tex   亚麻纱 3－ 110tex精梳毛纱4－ 22tex   粘胶复丝 5－ 29tex   锦纶复丝 6－ 22tex氯纶

纱线的压缩特性 纱现在加工和使用过程中会受到压缩，例如纱线经过压棍；经轴与滚筒之间；纱线在卷

装中；纱线在织物中相互交织时，等等 .

单根纱线的径向压缩特性的测试方法是，在100Pa压力下测定其初始面积。将纱线压在薄片之间，薄片裁成正方形，在对角线方向施加压力，测定其面积。测得数据如图所

示。

纱线横截面变形 ε与负荷 P的关系

其截面积的变形 ε是随着负荷 P（ cN）的增大而增大，开始时增加迅速，之后逐渐平稳。在压缩量相同的情况下，施加在结构紧密的单根纤维上的压力较施加在结构蓬松的纱线上的压力大得多例如施加在羊毛纤维上的压力较毛纱大 8 倍。

及织物内纱线的截面形态，受到纤维原料、织物组织、织物密度等因素的影响，因此在讨论织物结构概念时，应充分考虑考虑纱线在织物内被压扁的实际情况。不同学者提出

的纱线截面形态模型如图所示。

第四节 纤维和纱线的摩擦与抱合静态性能1 摩擦机理2 纤维的摩擦、抱合合切向阻力3 纤维摩擦抱合性质的指标与测试4 切向阻抗系数的测定5 影响切向阻抗系数的因素动态性能1 试验装置图2 测试原理示意图3 碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂机理

静态性能主要有纤维间的摩擦和抱合性能。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。

摩擦机理糙面学说；分子学说；焊接学说

纤维的摩擦、抱合和切向阻力（ 1）抱合力 F1——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——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

切向阻抗系数：

fNFuN 1

fNFu 1

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)——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。

②抱合长度 Lk（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。

式中： F1——纤维条的强力（ N）； Ntex——纤维条的特数（ tex）； g——重力加速度（ 9.8m/s2）。

lFh 1

61 10 texk NgFL

（ 2）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。

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

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。其工作原理如图。根据所加固定张力 The测得的 P，可以按下式计算县委的切向阻抗系数 μ：

所以：

ePT

T

PT

T

PT

T

e

log7331.0log

log

1

该仪器可以调节辊轴的回转速度，以测得各种不同速度下的动摩擦得切向阻力系数 μd。如果使辊轴不回转，开启天平，旋转指针，观察纤维在辊轴上开始滑动时，扭力天平的读数，可以计算静摩擦得切向阻抗系数 μs。

一般是，静态切向阻抗系数大于动态切向阻抗系数。它们的大小和两者差值影响着纤维德手感。 μs大，且与 μd差值也大得纤维，手感硬而涩；反之， μs小，且与 μd差值也小得纤维，手感柔软。如果 μs＞μd，则纤维手感软而滑腻。

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 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）。 ∴ —— ↑与上油量有关 在一定范围内，量 ， μ↓；超过一定量

↑后，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↑。 可采用以 TiO2为主的陶瓷来减少 μ （其表面具有一定的粗糙度）。（ 5）滑动速度与初张力的影响

滑动速度：由静到动， μ↓，而后 v↑→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。 ↑→初张力：张力 μ↓。 ∵ ↑ ↑张力 ，正压力 ，但 F↑< ↑ ∴正压力 ， μ↓。 （ 6 ）温湿度的影响 温度： T → →变化 油剂变化 纤维性能变化 T↑→μ↓；到一定数值时， T↑→μ↑。 湿度： RH%↑，则 μ↑ ∵（ v↑， E↓） →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。

动态性能 由于纤维材料固有的粘弹性本质和 /或不同加载速度条件下的变形和破坏机制的不同，在冲击载荷作用下其力学性能会发生不同程度的应变率效应，即拉伸应力应变本构关系随应变率的不同而不同。

材料在弹道侵彻和碰撞时一般要经受断裂时间在 50-150s，应变率在 500-1500 s-1范围的瞬态冲击。由于加载机制的不同，普通的力学性能试验机无法产生瞬态高应变率的加载载荷。分离式 Hopkinson压杆（ SHPB）装置是有效的产生应变率水平在 103 s-1左右的冲击装置，加上纤维束试样的大长径比和短的试样长度能够基本保证该装置的一维应力波传递和应力应变在试样内是近似均匀的设计原理要求，自从 Kawata和 Harding之后， Hopkinson杆冲击装置是目前普遍采用的纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。 SHPB装置是国际上目前普遍采用的用来测试纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能的测试装置。

试验装置图

利用一维弹性应力波理论的二波或三波公式计算材料的动— —态压缩或拉伸性能：应力 应变曲线、应力 时间曲线、

— —应变 时间曲线和应变率 时间曲线。

测试原理示意图

依据一维应力波理论及试件中应力、应变均匀性假设，可导出应力、应变和应变率方程：

其中： C为弹性波在杆中的波速， l0为试件试验段的原长（即两夹持口纤维长度）， εi(t)、 εr(t)、 εt(t)分别为作用在试件上的入射波、反射波和透射波的应变值， A和 As分别为杆和试样的初始横截面积， E 为杆的模量。

))()()(()(

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))()()((2

)(

0

00

tttl

Ct

dttttl

Ct

tttA

EAt

tri

t

tri

tris

上述三公式称为三波处理公式，又因为在大多数情况下，输入杆和输出杆均采用材料相同、截面积相等的两根杆子，根据均匀假定，则有 εi＋ εr＝εt，所以三波处理公式简化为下式：

上述三公式称为二波处理公式。通过上述公式，根据记录到的应变信号便可得到冲击载荷下的应力－时间、应变－时间、应力－应变及应变率－时间曲

线。

tA

AEt

ttl

C

dtttl

C

ts

tit

t

tit

0

00

例如对碳纤维束在三种不同应变率的拉伸曲线，其应变率分别为： 1500/s， 2000/s， 3000/s，下图

为同一应变率下碳纤维束的应力应变曲线。

碳纤维冲击拉伸下的断口形态及断裂 机理

碳纤维束的力学性能与应变率基本上是不相关的，随着应变率的增大，碳纤维束的初始模量、破坏应力及其失稳应变都变化不大。因此碳纤维束在力学性能上是不敏感材料。

碳纤维束的破坏断口与冲击拉伸实验的应变率密切相关。随着应变率的增大，断面结构逐渐规则，碳纤维颗粒逐渐细化，断面的凹度逐渐增大。其颗粒的变化影响了碳纤维束的破坏应力值。

在力学性能上对应变率不敏感的材料，在其破坏形式上可能对应变率是相关的，材料在应变率不同的冲击拉伸中其破坏过程可能是不同的。

应变率 1500/s时的断口形态 应变率 2000/s时的断口形态

应变率 2000/s 时的断口形态 应变率 3000/s时的断口形态