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纤维的拉伸断裂的机理及影响因素
发布日期:2021-12-24
 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。
 
 
    1.拉伸断裂机理
 
    纤维开始受力时,其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸,即键长、键角的变形。拉伸曲线接近直线,基本符合虎克定律。
 
    当外力进一步增加,无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向,这时一部分大分子链伸直,紧张的可能被拉断,也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移,纤维变形比较显著,模量相应逐渐减小,纤维进入屈服区。
 
    当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时,大分子间距就靠近,分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸纤维,产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏,进入强化区,表现为纤维模量再次提高,直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂,致使纤维解体。
 
    纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面
 
    纤维断裂原因有:大分子主链的断裂;大分子之间的滑脱。
 
    纤维伸长原因有:大分子的伸直、伸长(键长、键角的变化);取向度改善;大分子之间的滑移。
 
 
    2.影响纤维拉伸性能的因素
 
    ①内因
 
    a.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越小,大分子结合力就越小,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越大,大分子结合力就越大,不易产生滑移,所以纤维的强度就较高而伸度较小。
 
    b.超分子结构(取向度、结晶度)
 
    取向度越高,大分子排列越平行,在拉伸中受力的大分子根数越多,纤维的强度越大,断裂伸长率减少。
 
    c.形态结构
 
    纤维中的裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性会导致强度下降。
 
    ②外因
 
    a.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。
 
    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。
 
    b.测试条件
 
    试样长度:长度越长,出现弱环的机会就越大,强力愈低。因为沿纤维长度方向,强度是不均一的,纤维总是在最薄弱处断裂,试样愈长,出现最薄弱环节的概率越大,越容易发生断裂,强力下降——弱环定理。
 
    试样根数:根数越多,折算成单纤维强度月低。因为束纤维中的纤维根数愈多,由束纤维强力计算得的平均单纤维强力愈低,而且比单根测量时的平均强力低。
 
    拉伸速度:速度越大,强力越大,初始模量也越大。一般情况下,随拉伸速度增加,断裂强力,初始模量,屈服应力均会提高,而断裂伸长无一定规律。