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1、第一章 纤维的弱节结构特征,1弱节的定义与内涵,纤维弱节的概念，由Peirce最早提出，但只是指在力学性质上较弱部位。 而这种力学性质上的弱点，必然与该部位的结构状态有关，故又称其为“结构弱节”或“形态弱节”。 纤维的结构弱节是指纤维内部结构中和外观形态上存在着明显的结构不均匀性和缺陷。 形态弱节则是指纤维明显的几何细颈部位，纤维生长或加工过程中的缺陷，以及纤维受自然和人为作用的损伤处。,弱节分类：,一是纤维的内部结构弱节，一般采用电子显微术和微区电子衍射和X射线衍射技术分析，但弱节区域太小太少，寻找与观察都极为困难。 二是形态细节或细颈，即纤维生长的较细部位，这类特征大都采用纤维轮廓测量法来
2、表征。 三是自然侵蚀和人为损伤的形态结构缺陷，采用SEM观察。,2纤维弱节的特征（以羊毛纤维为例）,(1) 纤维的细节： 实际观察结果如SEM照片所示，细节的主要特征是纤维均匀、逐渐地由粗变细，再由细变粗的形态。其变细的速度不同，如图 (a)(b)所示的其间差别。一般逐渐变细、变粗是羊毛形态的正常观象，其很难构成羊毛真正意义上的弱节。对图 (c)所示的快速变细的形态，有可能构成纤维的弱节。,(2) 天然生长的形态缺陷： 羊毛纤维天然生长中的缺陷如图所示，如图 (a)所示的纤维表面风蚀部位；图 (b) 的鳞片鼓胀和受损点；图 (c)纤维局部畸形变化。,(3) 人为加工中的损伤： 人为的机械作用，
3、对纤维形成损伤，其损伤形式主要如图所示。图中(a)为纤维受大曲率的弯曲和挤压作用结果；(b)为平压的压扁结果；(c)为锐器损伤的变形等的损伤。纤维的机械作用损伤，会造成纤维形态的剧烈畸变和纤维强伸性的衰减。,(4) 内部结构缺陷：纤维内部的结构缺陷是一个很难确切发现和表征的结构部位，尤其是微区结构弱节，即导致纤维破坏的应力集中点，或裂纹与缺陷。通常的内部结构弱节是以定性的方式来描述，即纤维两相结构中的无序低密和无缚结分子的部位；或纤维微细组织结构中，组织块间的间隙和孔洞；以及晶格结构中的缺陷与错位。故较多的研究与表征是针对纤维的断裂面特征。如图涤纶纤维（a）纤维表面的裂纹或缺陷引起的“V”字漏
4、斗形加平面断口，以及图（b）纤维结构的缺陷引起的多阶梯加滑移面的断裂端。,3. 纤维弱节结构的表征,（1）纤维弱节的力学特征 纤维在外力作用下会伸长并最终断裂，这种断裂不是发生在纤维的最细部位，就是断裂在结构缺陷处。总之，纤维的断裂总是发生在纤维的最弱部位。 纤维力学行为可分为均匀结构相的力学行为，称为“正常拉伸断裂”；和缺陷结构的力学行为，称“结构弱节拉伸断裂”。,传统讨论中有意识、或无意识地较多地关注纤维的正常断裂过程和指标，其原因是： 人们很少真正地测量纤维的应力，而是纤维的受力值与纤维平均直径的相对比值； 纤维弱节的几何尺寸对整个纤维来说太小、太隐蔽，而纤维的断裂，却实实在在地是由于这
5、些极小部分的作用而致； 纤维弱节的最主要表现为纤维的力学性能的退化。 因此在理论和实践上，最方便和最直接的方式是以纤维的力学行为来表征其弱节的特征和弱节量。,右图为羊毛不同断裂行为的拉伸曲线 。 显然，纤维弱节断裂应力和应变低于图中的临界应力和临界应变。这一曲线特征和临界应力、应变值，可用于纤维弱节和非弱节（正常）断裂的判断。,（2）纤维弱节断裂的判定准则与方法,纤维弱节断裂的判断准则，即为上面提到的纤维的临界应力，或临界比强度 (cN/tex)和临界应变。 由纤维的实际断裂应力（或比强度T）和断裂应变，以及其拉伸曲线的特征，便可判断纤维是弱节断裂，还是正常断裂，并可计算纤维弱节断裂的概率。,
6、由于实测中可以测得纤维沿其长度方向上的粗细轮廓图。由此可以分出纤维断裂的部位，最细点处断裂和非最细点处断裂。根据其实际断裂部位的粗细值可以换算得纤维的截面面积或线密度值，求出纤维的实际断裂应力（或比强度T）和断裂应变值，从而给出纤维弱节的特征和比例的综合评价。,第二章 纤维的浸润性质,一概述,纤维的浸润，或称纤维的润湿，是指纤维与液体发生接触时的相互作用过程，其包括两类现象。 一是纤维与液体的平衡浸润，即当液体与纤维表面接触后，其状态基本上不发生变化而保持稳态的浸润，故又称作静态浸润。 二为纤维的非平衡浸润，即液体与纤维接触后，整个浸润过程中的液固界面在不断地扩展，固、液、气交汇点在不断移动，
7、此又称为铺展浸润，或动态浸润。,对于平衡态浸润，可以由Young-Dupr方程直接描述 式中， 为表面张力，为单位长度上的作用力；下标S，L，V分别表示固、液、气态；为接触角，如图所示。一般常用接触角或cos 来表示材料的浸润性，即：,对于非平衡浸润，即铺展过程，其在理论上已转化为氢键或化学键作用的吸附过程，故Young-Dupr方程在理论表征和描述上就不适合了。 但实用测量中一般采取扩展速度的动态测量方法来描述其特征。,浸润对于单一纤维，或单一表面，可以用上述现象和说法来解释，但面对纤维集合体或多表面靠近，或多孔材料时，即便是原平衡态的浸润，也会变为非平衡态特征的浸润，即气、液、固交汇点A，
8、会发生长时间的移动，称为芯吸(wicking)。 因此，浸润过程对纤维集合体和多孔材料来说，浸润过程不仅依赖其平衡态的特征参数和表面性质，而且取决于多孔材料的几何特征。,二纤维的平衡浸润性,1接触角 接触角，是指气液切面与固液界面间，含液体的夹角。 接触角的大小，可以将浸润分为几种情况： 当0时，为完全浸润，或称铺展； 090时，为可浸润，或称正浸润 90时，为零浸润； 90180时，为不可浸润，或称负浸润； 180时，为完全不可浸润，即液滴为随遇稳态。, 前、后浸润性：当一物体被第一次浸润时，称为前浸润；当浸润后液体退出时，称为后浸润，其浸润接触角，前进角和后退角，是不同的，前后。A点前进或
9、有前进趋势；B点为后退或有后辙趋势。 前进、后退角的差值，反映纤维浸润的滞后性。, 粗糙表面浸润：当液滴作用于粗糙表面时的宏观接触角会发生跳跃性变化，其变化的原因如图所示。 实际A、B液滴为同一液体，固体物质也为均质材料，只是表面起伏，导致表观接触角，而微观点的各接触角。根据液体在粗糙表面的可浸润面积的增大，粗糙系数r为粗糙表面积（实际的）和光滑表面积（表观的）之比,r恒大于等于1。 如果纤维为可浸润时， ，则粗糙表面的接触角值小于真正的接触角值。即越粗糙越易浸润。反之， 时， 成立，即越粗糙越难浸润。所以微观粗糙表面的粗糙度（粗糙系数）对润湿性有较大作用。, 不同组分的表面浸润：即液滴对表层
10、结构或组成不同区域的同时浸润，但表面仍为光滑的表面。 如图，在宏观尺寸较大时接触角值也会产生跳动。当不同组份的区域趋向于微观化时，A、B两组份所形成的与的差异和跳动将趋向一个稳态值。,若已知A，B组份的面积分数 fA或fB，因为 fA + fB =1，则根据线性迭加方法，可求得为多组份混合表面的接触角值 ：,2粘着功W,描述固体与液体相互作用的基本力学参数。其反映单位面积上的总的吸附能，是固液相互物理化学作用的综合值。 粘着功可以对两个浸润性不同的体系作出更为明确的描述，因为其仅仅表示固体与液体之间的纯的粘着作用。 粘着功可以用一般的热力学量定义，并由Dupr方程表达 同样地，一种液体，或一种
11、固体，与其本身的相应结合，用内聚功来表示（WLL或WSS），其值由式可得，为其表面张力的两倍，即：,三纤维的铺展浸润,当接触角为零时的浸润，为非平衡态的浸润，此时的Young-Dupr方 程描述的浸润现象已不存在。 而在时，液体在固体表面仍以某种速度扩散铺展开来。而整个铺展过程，将是液体表面积的迅速增大，即克服液体内聚能的过程，因此铺展的必要条件是式： 恒成立。 铺展浸润的特征是液滴在固体表面上的展开成膜，原有的固气界面消失，而留下固液界面和气液界面。 基于铺展浸润的特点和必要条件，可以引出一些参数来表征纤维的铺展浸润性。,1铺层系数P,铺展系数为固液的粘着功与液体内聚功的差异，即 铺展系数又
12、可称为“铺展压”或“铺展张力”，其反映在此压力或张力的作用下，液体分子不只是克服自身的内聚能作用，而展开增加表面积，而是液体分子在固体表面的快速扩散。 当P0时，粘着功正好克服液体的内聚能而使液体展开，只要时间足够，液体总能铺展开来，也就是说这种铺展速度VS接近于零。,2铺展速度VS,当液体与固体接触时，即使无外力作用，但在表面吸附功对液体的内聚能的作用下，满足前述铺展压时，就会产生气、液、固三相交界线的快速移动，如用一运动长丝束观察这种浸润的过程，就可发现其中的不同，如图所示。,四纤维集合体的浸润,单纤维的浸润性已经明确，纤维集合体的浸润性在理论上应取决于单纤维的浸润性和纤维集合体的结构尺寸
13、。通常在单纤维状态下的平衡态浸润，在纤维集合体状态下就会发生变化，产生毛细吸水的现象，或称芯吸。 芯吸作用除了单纤维的浸润作用外，还有孔隙形状因子的影响。假如纤维和液体都固定，而只是孔隙尺寸的变化，芯吸的程度就不同。典型的毛细管压力p方程为： r为毛细管等效半径，即为形状参数。当r增大，纤维间隙增大，芯吸压力p下降，浸润作用减弱；当r变小时，即纤维间空隙变小，芯吸压力上升，毛细浸润作用加强。,当纤维空隙为竖直排列时，浸润和重力作用会使液体的吸芯达到某一高度；而成稳态； 空隙为水平放置时，毛细作用会使液体不断的扩展，如同铺展作用，而成非平衡态。、 当纤维的空隙大小不同，则又会产生毛细压差，而形成
14、扩展的选择性，或称方向性。因此，纤维集合体的浸润性不仅具有平衡态和非平衡态浸润的特征，还有方向性和选择性，故其表征有其特有的参数。,芯吸高度h,依据纤维集合体空隙为竖直放置的芯吸作用，并根据纤维正浸润和负浸润的条件，可将芯吸模型分为二种，拒水左和导水右。, 对于拒水模型,根据力学平衡原则：液体表面张力作用水柱高度的重力作用得： 式中：为液体表面张力；d为孔隙等数直径；为液体的密度；h为液柱高度；g为重力加速度值。 由此可得拒水高度的公式 显然h越高，拒水性越好。而通过选择纤维材料，即改变拒水性能；同样，减小空隙系数同样可以达到拒水。, 对导水模型,此处导水指导液态水，根据上述方法参照图模型同理
15、可得，纤维表面张力引起的向上作用力与水柱重力形成的向下重力平衡。 要获得导水材料，选择接触角 小的，毛细管直径小的纤维集合体，将有助于材料的导水。,第三章 纺织纤维的粘弹性力学性质,纤维的粘弹性力学现象及其分子解释,由长链分子聚集起来的纤维，在变形时除了分子链主价键的变形(键长和键角的改变)外，还有次价键逐步断裂而分子链的逐步伸展、纤维结构重排的过程，这一过程使纤维的变形具有时间效应或时间依赖性(time dependent)。 所以，纺织纤维的力学性能兼具有弹性固体和粘性流体的变形特征，它是一种粘弹性体。 纤维粘弹性力学性能典型地表现在纤维具有显著的应力松弛、蠕变和在周期性交变应力作用下，纤
16、维应力与应变不同相的现象。,1蠕 变,纤维在一定负荷作用下，变形随时间而逐渐增加的现象，称为蠕变。 对线形高聚物，形变随外力作用时间的增长而无限增加，直至试样断裂，但形变的变化率逐渐趋于一定值(粘性流动)。 结晶性高聚物(纤维)的蠕变现象相似于交联高聚物。,对纤维变形机理的研究认为：形变3是纤维大分子链键长、键角改变引起的，称为急弹性变形。 形变4与纤维大分子链之间的次价键不断破坏与重建有关。当外力去除后，缓弹性变形或第一蠕变。变形5则称为不可回复的塑性变形或称为次级蠕变。 必须注意，在纤维蠕变过程中，三部分变形是同时产生的。其中1和5是时间的函数。,理想的非晶态高聚物在一定温度和很宽时间范围内柔量随时间的变化情况，它只有一个松弛转变区，由图可知，短时间实验观察到的是玻璃态。很长时间观察到的是高弹态，两者的柔量与时间无关。两者之间的时间范围内是粘弹态，柔量介于两者之间。,2应力松弛,应力松弛是指在一定变形条件下
