纺织纤维的断裂机理及主要影响因素

１．纺织纤维的断裂机理　
7 a# [' d  \$ a' o# p1 R纺织纤维在整个拉伸变形过程中的具体情况十分复杂。纤维受力开始时，首先是纤维中各结晶区之间的非结晶区内长度最短的大分子链伸直，即成为接近于与纤维轴线平行而且弯曲最小的大分子（甚至还有基原纤）伸直（这一段一般在拉伸预加张力范围内，在拉伸图中不显示）。其后，这些大分子受力拉伸，使化学价键长度增长、键角增大。在此过程中，一部分最伸展、最紧张的大分子链或基原纤逐步地被从结晶区中抽拔出来。此时，也可能有个别大分子主链被拉断，各结晶区逐步产生相对移动，结晶区之间沿纤维轴向的距离增大，在非结晶区中基原纤和大分子链段的平行度（取向度）提高，结晶区的排列方向也开始顺向纤维轴，而且部分最紧张的大分子由结晶区中抽拔后，非结晶区中大分子的长度差异减小，受力的大分子或基原纤的根数增多。如此，大分子或基原纤在结晶区被
抽拔移动越来越多，被拉断的大分子和拔脱的大分子端头也逐步增加，如图１（ａ）、（ｂ）所示。如此继续进行，大分子或基原纤间原来比较稳定的横向联系受到显著破坏，使结晶区中大分子之间或基原纤之间的结合力抵抗不住拉伸力的作用（如氢键被拉断等）从而明显地相互滑移，大批分子抽拔（对于螺旋结构的大分子则使螺旋链展成曲折链），伸长变形迅速增大，此时出现图2中ｂｃ段的现象。此后纤维中的大部分基原纤和松散的大分子都因抽伸滑移作用而达到基本上沿纤维轴向伸直平行的状态［图1（ｅ）］，结晶区也逐步松散。
1 }) A5 ]2 X7 u6 L* y* @7 U) |3 D这时，由于取向度大大提高，大分子并拢靠近，大分子之间侧向的结合力可能又有所增加，所以大多数纤维拉伸曲线的斜率又开始有所上升，出现第二屈服点。再继续拉伸，结晶区更松散，许多基原纤和大分子由于长距离抽拔，有的头端已从结晶区中拔出而游离，部分大分子被拉断，头端也游离。最后，在整根纤维最薄弱的截面上断开（一部分基原纤和大分子被拉断，其余全部从对应的结晶区中抽拔出来），达到图2拉伸曲线的断裂点（ａ点）。部分大分子聚合度很高，在过断裂点之后，纤维并未断裂脱开，但抗拉伸力已下降，最后断开达到断脱点（图2的ｄ点）。
# {! s! ?' F2 ~+ R" s2 a* T对于某些材料，拉伸区段上出现的细颈不止一个，当一个细颈中由于链状大分子、基原纤、微原纤互相滑动、伸直过程中，取向度明显提高时，此细颈的抵抗力已大于其他细颈处的滑动（及抽拔）阻力，纺织材料并未断裂而继续伸长，但总拉伸力缓慢下降。因而拉伸力在达到最大力之后并未断开。直到数个细颈都被拉伸后才开始断脱（ｒｕｐｔｕｒｅ）即图2中的ｄ点。

图1   纤维拉伸示意图

图2   拉伸应力曲线伸长率曲线图

２．影响纺织纤维拉伸断裂强度的主要因素　
（１）纤维的内部结构：
4 Q, U5 W( T/ C/ J: p& k①大分子的聚合度：一般大分子的聚合度愈高，大分子从结晶区中完全抽拔出来越不易，大分子之间横向结合力也更大些，所以强度越高。黏胶纤维的一个例子，如图1所示。
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黏胶纤维聚合度对纤维强度的影响

, @& E% R3 A/ D0 [②大分子的取向度：纤维中大分子的取向度越高，也就是大分子或基原纤排列得越平行，大分子或基原纤长度方向与纤维轴向越平行，在拉伸中受力的基原纤和大分子的根数就越多，纤维的强度就越高，屈服应力也越高，但当拉伸到纤维断裂时，大分子滑动量减少，伸展量也减少，故断裂伸长率下降。黏胶纤维取向度对拉伸性能的影响，如图2所示。

黏胶纤维取向度对拉伸性能的影响

③纤维的结晶度：纤维大分子、基原纤排列越规整，结晶度越高，缝隙孔洞较小且较少，大分子和基原纤间结合力越强，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量都较高，但脆性可能有所增加。这方面的一个例子，如图3所示。

聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响

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+ a9 T" e& a7 i% d' b1 [# \3 l6 ]（２）温湿度：空气的温湿度影响到纤维的温度和回潮率，影响到纤维内部结构的状态和纤维的拉伸性能。
$ W9 f* c# v& U( B  f8 c' }①温度：在纤维回潮率一定的条件下，温度高，大分子热运动能高，大分子柔性提高，分子间结合力削弱。因此，一般情况下，温度高，拉伸强度下降，断裂伸长率增大，拉伸初始模量下降，如图1所示。
: K' ^0 @4 f6 R/ d②空气相对湿度和纤维回潮率：纤维回潮率越大，大分子之间结合力越弱。所以，一般情况下，纤维的回潮率高，则纤维的强度越低、伸长率增大、初始模量下降，如图2所示。但是，棉麻等纤维有一些特殊性。因为棉纤维的聚合度非常高，大分子链极长，当回潮率提高后，大分子链之间氢键有所削弱，增强了基原纤之间或大分子之间的滑动能力，反而调整了基原纤和大分子的张力均匀性，从而使受力大分子的根数增多，使纤维强度有所提高，如图3所示。

图1   温度对细羊毛拉伸性能的影响

图2   相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响

图3  相对湿度对富强纤维、棉的拉伸性能的影响

纺织材料吸湿的多少，对它的力学性质影响很大，绝大多数纤维随着回潮率的增加而强力下降，其中黏胶纤维尤为突出，但棉麻等天然纤维素纤维的强力则随着回潮率的上升而上升。
$ t/ w1 B7 _) K7 E4 i8 n所有纤维的断裂伸长都是随着回潮率的升高而增大。常见几种纤维在润湿状态下的强伸度变化情况见表１０－１。

常见几种纤维在润湿状态下强伸度的变化情况
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纤维种类	棉	羊毛	黏胶纤维（短）	锦纶（短）	涤纶	维纶	腈纶
湿干强度比（％）	１１０～１３０	７６～９４	４０～６０	８０～９０	１００	８５～９０	９０～９５
湿干断裂伸长率比（％）	１１０～１１１	１１０～１４０	１２５～１５０	１０５～１１０	１００	１１５～１２５	１２５左右

温湿度对纺织加工的影响，主要由纤维吸湿后力学性能变化引起。总的情况是：如回潮率太低，则纤维或纱线的刚性变大而发脆，纤维内摩擦和抱合性能削弱，加工中易于断裂，如回潮率太高则纤维中的杂质难以清除，同时易于相互纠缠成结或缠绕在机器上，影响加工的正常进行。纤维的刚性或弹性还影响到纤维的相互抱合，使纱线的结构和质量受到影响；吸湿性对纤维变形的影响，反映在加工成品如纱线和织物的长度或尺寸上的不稳定。如细纱纺出线密度的设计，必须考虑到络筒、摇纱工序的伸长。整经、浆纱、织造各工序的伸长，对产品质量影响很大；再如本色棉布织机下机的幅宽，每当梅雨季节将缩窄，而冬季干燥季节则要增宽。温湿度对布幅和匹长的影响，还会引起密度和单位面积质量的变化。
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（３）试验条件。
①试样长度：试样长度是指纤维或纱线被夹持在上下夹持器之间的直接参加试验部分的长度。纤维上各处截面积并不完全相同，而且各截面处纤维结构也不一样，因而同一根纤维各处的强度并不相同，测试时总是在最薄弱的截面处被拉断并表现为断裂强度。当纺织材料试样长度缩短时，最薄弱的环节被测到的概率下降，只测得一部分次薄弱环节的断裂强度，从而使测试强度的平均值提高。这一概念称为弱环定理。按弱环定理的推导结果可知，纤维试样截取越短，平均强度越高；纤维各截面强度不匀越厉害，试样长度对测得的强度影响也越大。
* |" q6 k- ]. \9 O+ A②试样根数：同时拉伸纤维的根数越多时，由于各根纤维强度并不均匀，特别是断裂伸长率不均匀，试样中各根纤维伸直状态也不相同，这就会使各根纤维不同时断裂。其中伸长能力最小的纤维达到伸长极限即将断裂时，其他纤维并未承受到最大张力，故各根纤维依次分别被拉断，使几根纤维成束拉断测得的强力比单根测得的平均强力的总和小，而且根数越多，差异越大。如在纤维强度测试仪上测定的束纤维强度与单纤维平均强度有以下关系。
( x. }* c8 V$ E) B0 K6 f" OＰ＝ｎ·ｐ· １/Ｋ
1 D( ?3 o5 d1 I2 v- D' w1 P2 Z" k式中：ｐ———单纤维平均强力，ｃＮ；
7 a. c4 }9 E# S- o# B) RＰ———束纤维平均强力，ｃＮ；
ｎ———纤维束中的纤维根数；
) e: {8 X$ M! G( H% E% x  I: Z2 bＫ———系数，在我国标准条件下，棉纤维在１．４１２～１．４８１ ( １/Ｋ ＝０．６７５～０．７０８)；苎麻纤维在１．５８２左右( １/Ｋ ＝０．６３２)；蚕丝在１．２７４左右( １/Ｋ ＝０．７８５)。
: Z' z% N0 E2 E2 I$ S③其他：试验测定的拉伸速度（或拉伸到断裂经历的时间）以及拉伸过程的类型［例如等速伸长强伸仪（ＣＲＥ）、等速牵引强伸仪（ＣＲＴ）、等加负荷强力仪（ＣＲＬ）、各种不等速型强伸仪等］不同，所测定的强度读数有较明显的差异。