紡織纖維的斷裂機理及主要影響因素

１．紡織纖維的斷裂機理　
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之間的非結晶區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，各結晶區逐步產生相對移動，結晶區之間沿纖維軸向的距離增大，在非結晶區中基原纖和大分子鏈段的平行度（取向度）提高，結晶區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中抽拔后，非結晶區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。如此，大分子或基原纖在結晶區被
抽拔移動越來越多，被拉斷的大分子和拔脫的大分子端頭也逐步增加，如圖１（ａ）、（ｂ）所示。如此繼續進行，大分子或基原纖間原來比較穩定的橫向聯系受到顯著破壞，使結晶區中大分子之間或基原纖之間的結合力抵抗不住拉伸力的作用（如氫鍵被拉斷等）從而明顯地相互滑移，大批分子抽拔（對于螺旋結構的大分子則使螺旋鏈展成曲折鏈），伸長變形迅速增大，此時出現圖2中ｂｃ段的現象。此后纖維中的大部分基原纖和松散的大分子都因抽伸滑移作用而達到基本上沿纖維軸向伸直平行的狀態［圖1（ｅ）］，結晶區也逐步松散。
這時，由于取向度大大提高，大分子并攏靠近，大分子之間側向的結合力可能又有所增加，所以大多數纖維拉伸曲線的斜率又開始有所上升，出現第二屈服點。再繼續拉伸，結晶區更松散，許多基原纖和大分子由于長距離抽拔，有的頭端已從結晶區中拔出而游離，部分大分子被拉斷，頭端也游離。最后，在整根纖維最薄弱的截面上斷開（一部分基原纖和大分子被拉斷，其余全部從對應的結晶區中抽拔出來），達到圖2拉伸曲線的斷裂點（ａ點）。部分大分子聚合度很高，在過斷裂點之后，纖維并未斷裂脫開，但抗拉伸力已下降，最后斷開達到斷脫點（圖2的ｄ點）。
對于某些材料，拉伸區段上出現的細頸不止一個，當一個細頸中由于鏈狀大分子、基原纖、微原纖互相滑動、伸直過程中，取向度明顯提高時，此細頸的抵抗力已大于其他細頸處的滑動（及抽拔）阻力，紡織材料并未斷裂而繼續伸長，但總拉伸力緩慢下降。因而拉伸力在達到最大力之后并未斷開。直到數個細頸都被拉伸后才開始斷脫（ｒｕｐｔｕｒｅ）即圖2中的ｄ點。
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圖1   纖維拉伸示意圖

圖2   拉伸應力曲線伸長率曲線圖

9 g4 p" ~9 E& X; e8 \& U. d２．影響紡織纖維拉伸斷裂強度的主要因素　
（１）纖維的內部結構：
; n, t6 Y1 |+ q" v! V①大分子的聚合度：一般大分子的聚合度愈高，大分子從結晶區中完全抽拔出來越不易，大分子之間橫向結合力也更大些，所以強度越高。黏膠纖維的一個例子，如圖1所示。

黏膠纖維聚合度對纖維強度的影響

②大分子的取向度：纖維中大分子的取向度越高，也就是大分子或基原纖排列得越平行，大分子或基原纖長度方向與纖維軸向越平行，在拉伸中受力的基原纖和大分子的根數就越多，纖維的強度就越高，屈服應力也越高，但當拉伸到纖維斷裂時，大分子滑動量減少，伸展量也減少，故斷裂伸長率下降。黏膠纖維取向度對拉伸性能的影響，如圖2所示。

黏膠纖維取向度對拉伸性能的影響

③纖維的結晶度：纖維大分子、基原纖排列越規整，結晶度越高，縫隙孔洞較小且較少，大分子和基原纖間結合力越強，纖維的斷裂強度、屈服應力和初始模量都較高，但脆性可能有所增加。這方面的一個例子，如圖3所示。

聚丙烯纖維結晶度對拉伸性能的影響

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6 A' G$ ?% N# ^- n9 _6 l) `, N5 Z（２）溫濕度：空氣的溫濕度影響到纖維的溫度和回潮率，影響到纖維內部結構的狀態和纖維的拉伸性能。
①溫度：在纖維回潮率一定的條件下，溫度高，大分子熱運動能高，大分子柔性提高，分子間結合力削弱。因此，一般情況下，溫度高，拉伸強度下降，斷裂伸長率增大，拉伸初始模量下降，如圖1所示。
/ ~1 n, [9 O" F, Q3 H9 h7 S②空氣相對濕度和纖維回潮率：纖維回潮率越大，大分子之間結合力越弱。所以，一般情況下，纖維的回潮率高，則纖維的強度越低、伸長率增大、初始模量下降，如圖2所示。但是，棉麻等纖維有一些特殊性。因為棉纖維的聚合度非常高，大分子鏈極長，當回潮率提高后，大分子鏈之間氫鍵有所削弱，增強了基原纖之間或大分子之間的滑動能力，反而調整了基原纖和大分子的張力均勻性，從而使受力大分子的根數增多，使纖維強度有所提高，如圖3所示。
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圖1   溫度對細羊毛拉伸性能的影響

圖2   相對濕度對細羊毛拉伸性能的影響

圖3  相對濕度對富強纖維、棉的拉伸性能的影響

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紡織材料吸濕的多少，對它的力學性質影響很大，絕大多數纖維隨著回潮率的增加而強力下降，其中黏膠纖維尤為突出，但棉麻等天然纖維素纖維的強力則隨著回潮率的上升而上升。
所有纖維的斷裂伸長都是隨著回潮率的升高而增大。常見幾種纖維在潤濕狀態下的強伸度變化情況見表１０－１。

常見幾種纖維在潤濕狀態下強伸度的變化情況

纖維種類	棉	羊毛	黏膠纖維（短）	錦綸（短）	滌綸	維綸	腈綸
濕干強度比（％）	１１０～１３０	７６～９４	４０～６０	８０～９０	１００	８５～９０	９０～９５
濕干斷裂伸長率比（％）	１１０～１１１	１１０～１４０	１２５～１５０	１０５～１１０	１００	１１５～１２５	１２５左右

溫濕度對紡織加工的影響，主要由纖維吸濕后力學性能變化引起?？偟那闆r是：如回潮率太低，則纖維或紗線的剛性變大而發脆，纖維內摩擦和抱合性能削弱，加工中易于斷裂，如回潮率太高則纖維中的雜質難以清除，同時易于相互糾纏成結或纏繞在機器上，影響加工的正常進行。纖維的剛性或彈性還影響到纖維的相互抱合，使紗線的結構和質量受到影響；吸濕性對纖維變形的影響，反映在加工成品如紗線和織物的長度或尺寸上的不穩定。如細紗紡出線密度的設計，必須考慮到絡筒、搖紗工序的伸長。整經、漿紗、織造各工序的伸長，對產品質量影響很大；再如本色棉布織機下機的幅寬，每當梅雨季節將縮窄，而冬季干燥季節則要增寬。溫濕度對布幅和匹長的影響，還會引起密度和單位面積質量的變化。

（３）試驗條件。
2 V2 ]" S: m6 w$ h# [7 B8 x①試樣長度：試樣長度是指纖維或紗線被夾持在上下夾持器之間的直接參加試驗部分的長度。纖維上各處截面積并不完全相同，而且各截面處纖維結構也不一樣，因而同一根纖維各處的強度并不相同，測試時總是在最薄弱的截面處被拉斷并表現為斷裂強度。當紡織材料試樣長度縮短時，最薄弱的環節被測到的概率下降，只測得一部分次薄弱環節的斷裂強度，從而使測試強度的平均值提高。這一概念稱為弱環定理。按弱環定理的推導結果可知，纖維試樣截取越短，平均強度越高；纖維各截面強度不勻越厲害，試樣長度對測得的強度影響也越大。
②試樣根數：同時拉伸纖維的根數越多時，由于各根纖維強度并不均勻，特別是斷裂伸長率不均勻，試樣中各根纖維伸直狀態也不相同，這就會使各根纖維不同時斷裂。其中伸長能力最小的纖維達到伸長極限即將斷裂時，其他纖維并未承受到最大張力，故各根纖維依次分別被拉斷，使幾根纖維成束拉斷測得的強力比單根測得的平均強力的總和小，而且根數越多，差異越大。如在纖維強度測試儀上測定的束纖維強度與單纖維平均強度有以下關系。
2 b0 ^) x. A7 @" \8 ^( ]( M. dＰ＝ｎ·ｐ· １/Ｋ
( \' i/ K+ j7 v# {  o( E( V1 [式中：ｐ———單纖維平均強力，ｃＮ；
. t. y9 H/ v' c% S4 D0 OＰ———束纖維平均強力，ｃＮ；
ｎ———纖維束中的纖維根數；
7 q% c6 |5 v9 F+ E$ AＫ———系數，在我國標準條件下，棉纖維在１．４１２～１．４８１ ( １/Ｋ ＝０．６７５～０．７０８)；苧麻纖維在１．５８２左右( １/Ｋ ＝０．６３２)；蠶絲在１．２７４左右( １/Ｋ ＝０．７８５)。
③其他：試驗測定的拉伸速度（或拉伸到斷裂經歷的時間）以及拉伸過程的類型［例如等速伸長強伸儀（ＣＲＥ）、等速牽引強伸儀（ＣＲＴ）、等加負荷強力儀（ＣＲＬ）、各種不等速型強伸儀等］不同，所測定的強度讀數有較明顯的差異。