紡織纖維在整個拉伸變形過程中的具體情況十分復雜。纖維受力開始時,首先是纖維中各結晶區(qū)之間的非結晶區(qū)內長度最短的大分子鏈伸直,即成為接近于與纖維軸線平行而且彎曲最小的大分子(甚至還有基原纖)伸直(這一段一般在拉伸預加張力范圍內,在拉伸圖中不顯示)。其后,這些大分子受力拉伸,使化學價鍵長度增長、鍵角增大。在此過程中,一部分最伸展、最緊張的大分子鏈或基原纖逐步地被從結晶區(qū)中抽拔出來。此時,也可能有個別大分子主鏈被拉斷,各結晶區(qū)逐步產生相對移動,結晶區(qū)之間沿纖維軸向的距離增大,在非結晶區(qū)中基原纖和大分子鏈段的平行度(取向度)提高,結晶區(qū)的排列方向也開始順向纖維軸,而且部分最緊張的大分子由結晶區(qū)中抽拔后,非結晶區(qū)中大分子的長度差異減小,受力的大分子或基原纖的根數增多。
1.拉伸斷裂機理
纖維開始受力時,其變形主要是纖維大分子鏈本身的拉伸,即鍵長、鍵角的變形。拉伸曲線接近直線,基本符合虎克定律。
當外力進一步增加,無定型區(qū)中大分子鏈克服分子鏈間次價鍵力而進一步伸展和取向,這時一部分大分子鏈伸直,緊張的可能被拉斷,也有可能從不規(guī)則的結晶部分中抽拔出來。次價鍵的斷裂使非結晶區(qū)中的大分子逐漸產生錯位滑移,纖維變形比較顯著,模量相應逐漸減小,纖維進入屈服區(qū)。
當錯位滑移的纖維大分子鏈基本伸直平行時,大分子間距就靠近,分子鏈間可能形成新的次價鍵。這時繼續(xù)拉伸纖維,產生的變形主要又是分子鏈的鍵長、鍵角的改變和次價鍵的破壞,進入強化區(qū),表現為纖維模量再次提高,直至達到纖維大分子主鏈和大多次價鍵的斷裂,致使纖維解體。
纖維拉伸斷裂時的裂縫和斷裂面
纖維斷裂原因有:大分子主鏈的斷裂;大分子之間的滑脫。
纖維伸長原因有:大分子的伸直、伸長(鍵長、鍵角的變化);取向度改善;大分子之間的滑移。
2.影響纖維拉伸性能的因素
①內因
a.大分子結構(大分子的柔曲性、大分子的聚合度):纖維的斷裂取決于大分子的相對滑移和分子鏈的斷裂兩個方面。
大分子的平均聚合度越小,大分子結合力就越小,容易產生滑移,則纖維強度較低而伸度較大;反之,大分子的平均聚合度越大,大分子結合力就越大,不易產生滑移,所以纖維的強度就較高而伸度較小。
b.超分子結構(取向度、結晶度)
取向度越高,大分子排列越平行,在拉伸中受力的大分子根數越多,纖維的強度越大,斷裂伸長率減少。
c.形態(tài)結構
纖維中的裂縫孔洞缺陷、形態(tài)結構、不均一性會導致強度下降。
②外因
a.溫濕度:空氣的溫濕度影響到纖維的溫濕度和回潮率,從而影響纖維的強伸度。
溫度對各種纖維的影響雖然不一致,但都具有一般規(guī)律:在纖維回潮率一定的條件下,溫度高,纖維大分子熱動能高,大分子柔曲性提高,分子間結合力消弱,因此,纖維強度降低,斷裂伸長率增大,拉伸模量下降。
多數纖維隨相對濕度的提高,纖維中所含水分增多,分子間結合力越弱,結晶區(qū)越松散,因此纖維的強度降低,伸長增大、初始模量下降。但天然纖維素棉、麻的斷裂強度和斷裂伸長卻隨相對濕度的提高而上升?;瘜W纖維中,滌綸、丙綸基本不吸濕,它們的強度和伸長率幾乎不受相對濕度的影響。相對濕度對纖維強度與伸長度的影響,視各自吸濕性能的強弱而不同,吸濕能力越大的,影響較顯著,吸濕能力小的,影響不大。
b.測試條件
試樣長度:長度越長,出現弱環(huán)的機會就越大,強力愈低。因為沿纖維長度方向,強度是不均一的,纖維總是在弱處斷裂,試樣愈長,出現弱環(huán)節(jié)的概率越大,越容易發(fā)生斷裂,強力下降——弱環(huán)定理。
試樣根數:根數越多,折算成單纖維強度月低。因為束纖維中的纖維根數愈多,由束纖維強力計算得的平均單纖維強力愈低,而且比單根測量時的平均強力低。
拉伸速度:速度越大,強力越大,初始模量也越大。一般情況下,隨拉伸速度增加,斷裂強力,初始模量,屈服應力均會提高,而斷裂伸長無一定規(guī)律。
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