纤维的力学性质

       纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到各种外力的作用，要求纺织纤维具有一定的抵抗外力作用的能力。纤维的强度也是纤维制品其他物理性能得以充分发挥的必要基础，因此，纤维的力学性质是最主要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义。

纤维的拉伸性质

       纺织纤维的长度比直径大1000倍以上，这种细长的柔性物体，轴向拉伸是受力的主要形式，其中，纤维的强伸性质是衡量其力学性能的重要指标。

       当较小的外力作用于纤维时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果。变形的大小正比于外力的大小，即应力-应变关系是线性的（虎克区）。当外力除去，纤维的分子链和横向连接键将回复到原来位置，是完全弹性回复。

       当施加的外力增大时，无定形区中有些横向连接键因受到较大的变形，不能承受施加于它们的力而发生键的断裂。这样，允许卷曲分子链伸直，接着分子链之间进行应力再分配，使其他的横向连接键受力增加而断裂，分子链进一步伸展。在这一阶段，纤维伸长变得较容易，而应力上升很缓慢，应力-应变曲线具有较小的斜率（屈服区）。当外力除去后，变形的回复是不完全的。因为许多横向连接键已经断裂不能回到原来的位置，或者在新的位置上已经重新形成新的横向次价键变成较稳定的结构状态。

       当进一步增加外力时，由于纤维上许多大分子链经过屈服流动后，分子链因充分伸直，进一步拉伸分子链比较困难。这时，拉伸曲线斜率增加（强化区），这时增加的变形主要是纤维大分子链键长和键角的改变所引起，最后直至纤维断裂。

       不同纺织纤维由于内部结构不同，其拉伸曲线有很大差异。天然纤维因品种不同，或生长、饲养条件的差异，化学纤维则由于大分子链结构以及纺丝工艺参数的差别，其拉伸性能也会有很大的差别。 根据纤维拉伸曲线可提取表征纤维拉伸性能的许多重要力学性能指标。

       1、断裂强力和断裂强度：纤维断裂强力表示纤维能承受拉伸负荷的最大能力，单位为牛顿 (N)，或厘牛 (cN)。单根纤维的断裂强力称绝对强力，它与纤维粗细有关，为了相互比较，通常采用断裂强度（或相对强度）来表征。

       2、断裂伸长率：纤维拉伸断裂时产生的伸长占原来长度的百分率。它表示纤维承受最大负荷时的伸长变形能力。

       3、初始模量：它是纤维应力-应变曲线起始一段直线部分的斜率，其物理含义是表示当试样保持初始斜率不变时，拉伸试样至原来长度的两倍时所需的应力值。它表征在小变形条件下，纤维承受外力作用时抵抗变形能力的大小，是衡量纤维刚性的指标。 纺织纤维的初始模量与纺织制品的耐磨、耐疲劳、耐冲击、手感、悬垂性和起拱性能等关系密切。许多纺织品多半是在小变形条件下工作的，因此，初始模量是纤维力学性能中的重要指标。

       4、屈服点：纤维拉伸曲线上“虎克区”和屈服区的转变点称为屈服点，所对应的应力和应变分别称为屈服应力和屈服应变。实验表明当纤维超过屈服点后，将产生较高比例的塑性变形，纤维的力学性质将起较大的变化，所以在纺织加工和纺织品使用过程中，确定和掌握纤维的屈服点很重要

       5、断裂功、断裂比功：纤维的负荷-伸长曲线下的面积，表示拉断这根纤维时，外力对它所作的功，表示材料抵抗外力破坏所具有的能量，叫做“断裂功”（W）。在纤维粗细和试样长度不同时，断裂功不能反映纤维抵抗外力破坏的能力，所以要折算成拉断单位体积或单位纤维重量所需作功的大小，称为“断裂比功”，断裂比功大的纤维材料能承受冲击破坏的能力强。

       影响纤维拉伸性质的因素主要有纤维的内部结构和外部试验条件。

       1、分子的取向度：取向度高，有较多的大分子排列在平行于纤维轴的方向上，因而可以有较多的大分子来承担较大的断裂应力，因此断裂强力高。 麻纤维内部分子绝大部分都和纤维轴平行，强力大；而棉纤维的大分子因呈螺旋形排列，其强力则较麻低；人造纤维的取向度随制造条件而改变，一般在同类纤维纺丝中，牵伸倍数愈大，分子取向度愈高。

       2、大分子聚合度：纤维的强度随纤维大分子聚合度的增加而增加，但当聚合度增加到一定值后，再继续增加时，纤维的强度就不再增加，这是由于纤维的断裂决定于大分子的相对滑移和分子链的断裂两个方面。 在聚合度较小时，纤维的断裂主要是由于大分子的滑移而引起，随着聚合度的增加，大分子间的抱合长度越长，大分子愈不易滑移，所以纤维的断裂强度就愈高。但当断裂强度达到了足以使分子链断裂时，再增加聚合度对纤维的强力就不起作用了。

       3、结晶度：纤维中大分子排列愈规整、缝隙孔洞较少且较小时，分子间结合力愈强，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量也都比较高，但脆性可能增加。

       4、测试试样的长度：试样越长，测得强度越低。纤维愈长，可能出现最薄弱环节的机会越多，所以强力越小，截面积均匀的人造纤维，其强度随试样长度而减低的程度较小。

       5、测试试样的根数：由束纤维试验所得的平均单纤维强力比单纤维试验时的强力为低，并且束纤维根数越多，差异越大。这是由于在束纤维中，各根纤维的强力，特别是断裂伸长率和原始伸长状态不一致，因此在外力的作用下，其中较伸直的、强力低的和断裂伸长率小的纤维必首先断裂，这样，其他纤维所受的力就会较这部分纤维断裂前增大，以至于提前断裂，所以最后由束纤维测得的强力必因这种断裂的不同时性而小于单根纤维测定时的纤维强力之和。

       6、拉伸速度：拉伸速度对纤维强力与变形的影响较大，拉伸速度大（即拉伸至断裂经历的时间短），纤维强力偏高；拉伸速度小，强力低。此外，拉伸过程的类型不同（例如应力等速增加型、拉伸力等速增加型、伸长率等速增加型、拉伸运动等速移动型、各种不等速型等），也会带来试验结果的差异。

       提高纤维强伸性能的途径：纺织纤维是高分子聚合物，制造高强度高模量纤维的方法，除了提高纤维大分子的相对分子质量（或聚合度）外，一般是采用提高分子链的取向度和改善结晶结构的方法。经验表明，适中的结晶度，且结晶颗粒小而均匀分布于无定形结构的纤维基体中的纺织纤维能表现出良好的机械性质。

纤维的回弹性

       纤维的变形恢复能力称为弹性，纤维的变形恢复能力，是指纤维承受负荷后产生变形，负荷除去后，纤维具有恢复原来尺寸和形状的能力。纤维弹性是纺织纤维的一项重要力学性质，全面衡量纤维的弹性应包括纤维的弹性模量、变形的恢复能力和断裂伸长等三方面的内容。纤维的弹性对纺织品的耐磨性、抗折皱性、手感、尺寸稳定性、耐冲击性能和耐疲劳性能等密切相关。纤维弹性回复性能的指标常用弹性回复率来表示。

       从分子水平上说，可回复的弹性变形是拉伸分子内或分子间结合键的作用，不可回复的塑性变形是由于结合键的断裂，在新位置上形成新的结合键。

       具有长链分子的纤维除了键长、键角的变形外，还有分子链的构象变化，机理比较复杂。当拉伸纤维时，分子链上主价键和链间的次价键都产生变形，并伴有部分次价键的断裂，当新的次价键重新形成时发生了能量的损耗和“应变硬化”现象。当外力除去以后，未断裂的次价键以及主链上的主价键有促使纤维回复原状的作用，但它将受到新形成的次价键的阻滞作用，变形的结果是除了产生急弹性形变和部分能回复的缓弹性形变外，还将留下不可回复的塑性形变。因为缓弹性和塑性形变是在外力场作用下通过链段运动达到的，所以纤维的变形及其弹性回复具有时间依赖性。

       纤维变形的时间依赖性，表现为纤维受力后发生的变形或释去外力后恢复的变形，总是随时间的增加而增加，而且不管是发生变形还是恢复变形，最后还总是会留下一部分不能恢复的变形。所以，可以把这种随时间而变化的变形分解为三个部分：

       （1）急弹性变形：来自纤维大分子中键角、键长的变化，瞬时发生，瞬时恢复。

       （2）缓弹性变形：来自外力作用下纤维大分子构象的变化，和基于这一变化的大分子重排。由于这个过程是通过克服分子间和分子内各种远近程次价键来实现的，所以过程缓慢，即使是去除外力，分子链为重新取得卷曲构象，变形恢复也需要很长的时间。如果在外力的作用下，一部分伸展的分子链之间曾形成新的次价力，那么在变形恢复的过程中，尚须切断这部分作用力，这样，变形的恢复时间将会更长。

       （3）塑性变形：来自外力作用下纤维大分子链之间不可逆的相对滑移。如分子间大部分原有氢键的断裂和在新位置上形成的新氢键；或者虽然只有部分氢链断裂，但在新位置上形成的氢键结合力大于要求恢复卷曲的回缩力，它们都能引起大分子间不可恢复的变形。

       三种变形同时发生，只是各自发生的速度不同：急弹性变形发生的速度很快；缓弹性变形则以比较缓慢的速度逐渐发生，并因分子间相互作用条件的不同而变化很大；塑性变形必须克服纤维中大分子之间更多的联系作用才能发生，因此比缓弹性变形更加缓慢。

       纤维三种变形的相对比例，随纤维的种类、加负荷的大小以及负荷作用时间的不同而不同。一般规定：去除负荷后5s（或30s）内能够恢复的变形，作为急弹性变形：去除负荷后2min（0.5h或更长时间）还不能恢复的变形，为塑性变形；在上述两种时间限值之间能够恢复的变形，即作为缓弹性变形。

       由于急弹性和缓弹性变形的相对大小不同，对纤维制品的性能影响是不同的。在低负荷 (或低伸长)时，总伸长中急弹性占主要部分，大部分纤维的急弹性伸长占总伸长的百分比保持不变，在屈服点与断裂点之间，急弹性变形所占的百分比随负荷的增加而减小，大部分纤维都是在屈服点附近，急弹性变形的降低比较大，以后逐渐减慢。塑性变形在屈服点处出现，至断裂负荷时，塑性变形的百分比增加达最大。

       影响纤维弹性回复性能的因素有纤维的结构、测试条件和温度、相对湿度。

       （1）纤维结构的影响：羊毛纤维弹性较好，是由于羊毛大分子链呈螺旋结构，并有二硫键的作用使分子链间组成交联网络，不易产生塑性流动。且羊毛纤维的结晶度低或呈准晶结构，断裂伸长比较大。如果纤维大分子间具有适当的结合点或交联点，结合点间的大分子链又有较大的局部流动性，则其弹性就好。局部流动性主要取决于大分子链的柔曲性，适当的结合点取决于结晶度和极性基团的情况。如涤纶和锦纶纤维的分子链柔曲性较好，具有较好的弹性。纤维素纤维如棉、麻、粘胶的分子链刚性较大，回弹性较差。由硬链段和软链段嵌段共聚而成的聚氨基甲酸酯纤维（氨纶）类似于带有微晶结合点的橡胶，其弹性非常优良。就回弹性而言，玻璃纤维要优于羊毛、涤纶和锦纶，但其中绝大部分为急弹性形变，因其断裂伸长率低 (3％左右)，所以也感觉不到玻璃纤维具有优良的弹性。因此，按日常所说，纤维的回弹性好应包含纤维的弹性回复率高和断裂伸长率大两项内容。

       （2）测试条件的影响：在其他条件相同时，当初始拉伸应力或伸长率较大时，测得的纤维弹性回复率较小。如负荷的停顿时间较长时，纤维的总变形量较大，塑性变形也有充分的时间发展，测得的弹性回复率就较小。去负荷后停顿时间较长时，缓弹性变形恢复得较充分，因而测得的弹性回复率就较大。

       （3）温度和相对湿度的影响：相对湿度和温度对纤维弹性回复半的影响较为复杂。纤维的弹性回复率随着温、湿度的升高或降低的变化规率是不一致的。

纤维的断裂与疲劳破坏

       纤维在其制品(如纱线、绳索、绳网、织带、织物等)中的破坏形式有一次拉断、冲击破坏、反复负荷作用下的动态疲劳破坏和静载荷作用的蠕变破坏 (亦称静态疲劳)等多种形式，破坏机理亦不尽相同。有时，纤维经过一定外力作用后虽然没有断裂，但其力学性质会产生较大改变或变化，这也可以看作是对纤维的一种破坏。

       一定取向度的高聚物的断裂可能存在两种不同的机理，即分子链的断裂和分子链的滑移。

       第一机理的理论强度计算一般是以分子和原子间的最大内聚力和单位面积的键数为依据的。计算最大内聚力的一种近似方法是根据成键原子的键能值。这个键能可近似地看作是克服成键的两个原子相互吸引的力，将其推移到键长的距离所作的功。

        按第二机理，如果高聚物的断裂是由于分子链的滑移所造成的话，那么对线型高聚物必须克服分子链间所有的氢键和范德华力，这比共价键能大好几倍，所以，这一机理是不可能的。

       普通纤维的实际强力都比理论强力要低得多，这是由于纤维聚集态结构不可能是理想的完全伸直取向的结晶结构。归纳起来，主要有以下两个原因：

       ①纤维中分子链间受力不均匀而产生的断裂不同时性。 对具有两相结构的纤维，由于大分子链能连续穿过2个以上的结晶区，纤维呈网络结构，结晶颗粒相当于网络的结点，纤维的强力和伸长主要决定于无定形区。在两结晶区之间（即无定形区中）的分子链分成两类，一类是穿过两结晶部分的“缚结分子”，并且其长度是不均一的，有伸直的，有不同程度卷曲的，分子链的长度形成一个分布；另一类是被结晶区握持的分子链的头端，伸出在无定形区形成 “自由端”。如果略去分子链间的次价键力（假设纤维吸水后）,这样纤维的张力主要是缚结分子的断裂作贡献，随着纤维逐渐伸长，受力分子链数目增多，纤维张力上升；当纤维伸长超过“缚结分子”链长度后，纤维张力下降。 此外，由于分子链有不同程度的取向和应力集中等影响，所以实际纤维强力还需要进一步修正。并且在纤维伸长时分子链“自由端”相互滑移须克服次价键力对纤维强力也作贡献，这就说明了为什么实际纤维强度远低于理想纤维的理论强度的原因。

       ②纤维结构的缺陷、孔洞和裂缝等原因引起的应力集中效应。 日常经验告诉我们，有裂缝的材料极易裂开。应力集中随裂缝尖端处半径的减小和裂缝长度的增加而增大。当裂缝尖端处应力达到和超过材料中分子或原子的最大内聚力时，材料会产生破坏。

       疲劳破坏是指纤维在远低于断裂应力或断裂应变的条件下，经受反复施力而破坏。疲劳的受力形式就是不断的“加载荷”和不断的“去载荷”，即不断接受高变应力（应变）的作用。

       纤维制品在实际使用中很少是被一次拉断，而往往是在长时期的静载荷或动载荷作用下产生破坏的。尽管静载荷或动载荷小于材料一次拉伸的断裂强度，但材料最终将被破坏，或力学性质改变，这种现象称为材料的疲劳。

       在动态交变应力作用下，材料达到疲劳破坏的次数随着交变应力振幅或最大应力值的增加而减少，当最大应力小到一定程度，材料就不会被破坏，这一临界应力称为疲劳极限。疲劳极限的大小，因材料不同而异，还与材料结构有关，很多高聚物材料的疲劳极限是在静态拉伸强度的20％-40％之间。

       高聚物的疲劳破坏过程是由于次价键的断裂和分子链的互相滑移，本质上是粘性流动过程。随着温度、应力振幅和振动频率的增加，疲劳寿命（时间）会降低。对疲劳破坏机理的研究认为，材料疲劳破坏有下述两个原因：

       ①纤维内部存在着结构缺陷，即存在微观裂缝和孔洞，由于应力集中的影响，根据格里菲斯理论，当裂缝长度增长到临界值时，材料就会产生突然断裂。

       ②纤维材料的力学衰减与疲劳性能关系密切。当材料的正切损耗较大时，在疲劳过程中，材料发热量增大，温度升高，使材料性能下降，疲劳寿命缩短。

       由经验和分析表明，纤维的疲劳性质与静态力学性质间有密切关系，当纤维具有较好的回弹性，断裂功和断裂伸长率均较大时，其疲劳性能也较好。疲劳过程中，每次负荷作功越小，纤维寿命越长，因此，要使纺织品经久耐用，除了要求纤维有一定内在质量外，合理使用亦很为重要。

       另外，疲劳破坏过程也可以看作是一个塑性变形逐步累积，最后达到纤维断裂伸长率使纤维最终破坏的过程。如果纤维有较优的弹性回复率，每次负荷产生的伸长与卸去负荷时的伸长回复相等，则纤维的伸长不可能进一步累积达到其断裂伸长而破坏，疲劳寿命即为无穷大，相当于纤维在疲劳极限以下的工作状态。众所周知，外应力或应变超过纤维的屈服点，容易产生塑性变形，回弹性差，所以屈服应力高的材料，疲劳性能较好。有人认为，纤维强力和模量与疲劳寿命没有直接关系。

       当纤维受到多次循环负荷或一次拉伸外力作用产生一定塑性变形后，纤维虽然没有断裂，由于纤维内部分子链的重排产生结构的变化，其力学性能将产生很多变化或损伤。经受多次负荷处理的过程也叫做“机械处理” (Mechanical Conditioning)。纤维经受一次较大（超过屈服点）的拉伸变形后，其力学性能发生了许多变化：屈服点提高，断裂伸长率和断裂功降低，弹性回复率增加，初始模量和断裂强度可以保持不变或者增加，或者减小。

       表征纤维疲劳特性的指标是耐久度或坚牢度，即指纤维能承受 “加负荷、去负荷”反复循环的次数。纤维的坚牢度与纤维的弹性回复率、屈服应力和断裂强度有一定关系。弹性回复率、屈服应力和断裂强度大和剩余变形小的纤维，坚牢度就大；所加负荷小和加负荷时间短的，坚牢度也大；去负荷时间长时坚牢度也大。

纤维的其他力学性质

       1、冲击性能

       在许多场合，纺织制品承受着高速率负荷或应变的作用。当冲击速度很大时，与低速拉伸纤维或纱线的线型结构材料不同，应力应变在试样中不再是均匀分布的。如在纵向高速冲击过程中的某一瞬时，试样中某一点的应变可以很大，然而在试样的另一端却还没有产生变形。当速度达到一定值时，能使材料发生冲击断裂。当飞弹横向冲击纱线时，纱线形成“V”形状，V形段沿着未弯曲纱线在两个横方向沿纱线向外扩展，这种横向运动的横波将以一定速度传递，但总是低于伴随产生的应变的传递。横向冲击速度越大，横波的速度就越小。推广到面型结构（织物或平板）材料，当子弹穿透速度越大横波传递速度越小，破裂的影响面也越小。

       在高速冲击负荷作用下，所得到的材料应力-应变曲线与低速拉伸条件下得到的应力-应变曲线相比较，虽然只是断裂时间上的差别，但由于纺织纤维的粘弹性性能，所得实验结果是完全不同的。随着应变速率增加，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量增加，断裂伸长率随纤维不同而不同，无一定规律。聚乙烯、锦纶和等规聚丙烯纤维在高应变率时出现脆性断裂，而醋酯纤维、粘胶和腈纶纤维则表现出相当的塑性而不脆断。

       2、纤维的弯曲、扭转和压缩性能

       （1）纤维弯曲：纤维在纺织加工或在纺织制品使用过程中都会受到弯曲变形，纤维的弯曲刚度是影响纱线或织物弯曲刚度的重要因素，织物的手感与纤维的弯曲刚度有密切关系。当把纤维的弯曲刚度折合成相同线密度时的弯曲刚度，称为相对弯曲刚度。各种纺织纤维的相对弯曲刚度的差异较大。羊毛和锦纶的较小，苎麻、亚麻、涤纶则较大。织物的挺爽、软糯及其身骨与纤维的相对弯曲刚度有密切关系。相对弯曲刚度大的纤维制成的织物比较挺爽，相对弯曲刚度小的纤维制成的织物柔软贴身，软糯舒适，但容易起球。

       纤维弯曲变形时，中性面以上受拉伸，中性面以下受压缩。当中性面以上最外层部分的伸长率达到纤维断裂伸长率时，纤维开始被弯曲破坏。通常在纤维（或纱线）互相钩接或打结的纺织制品中容易产生这种弯曲破坏。为了反映这方面的性能，许多纤维需进行钩接强度或打结强度试验。纤维的钩接强度和打结强度总是小于纤维拉伸断裂强度的，基本上断裂伸长率最低的纤维，其钩接强度和打结强度也低。

       （2）纤维的扭转：纺织品在加工和使用过程中会产生各种扭转变形，纤维的扭转刚度是表征纤维抵抗扭转变形的能力。由于纤维粗细不同，为了相互比较，常采用相对扭转刚度，它是表示相当于1tex粗细纤维的扭转刚度。

       纤维受扭转变形时，随着扭转变形的增大，纤维中的剪切应力增大，易造成结晶区破碎和非结晶区中大分子链的断裂，当剪应力达到纤维剪切强度时，便发生破坏。常用断裂捻角（纤维被扭转到断裂时的螺旋角）来表示纤维的抗扭破坏能力。