1、 1 毕业设计 开题报告 纺织工程 小变形条件下复合纱线变形行为和力学性能分析 一、选题的背景、意义 近几年，运用纱线复合成纱技术开发新型风格纺织面料及其功能织物取得了一些突破性进展，被认为是一条新的工艺路线和加工方法。研究该类复合纱线的结构与力学性能，可以在理论与实践上探讨、研究、解决以长丝 /短纤复合纱构造的织物的力学性能、服用性能和风格等方面的诸多问题，并通过本项目的研究，揭示它们之间的因果关系，对于利用物理改性与复合加工技术，设计和生产新型功能性纺织品具有指导意义。 本次课题利用纺织与艺术综合实验室现有仪器与 设备，对纯棉纱、涤纶 /棉复合纱、氨纶 /棉复合纱和涤纶 /氨纶 /棉三组分
2、复合纱在小变形条件下受等应力与等应变循环拉伸应力作用下的力学行为进行分析、评价与表征，比较其在不同变形率及负荷条件下的的弹性回复率、蠕变率、应力松弛率等。由纤维组成的纱线的拉伸力学性能是指在拉伸外力作用下产生轴向伸长变形时其外力与伸长的关系，在线弹性范围内符合胡克定律，一般拉伸力越大其伸长越大。根据经典理论的研究，当外力逐步增大并直至将纱线拉断为止时，它的变形可经历三个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形的平移阶段和塑性变形的增强阶段，直至纱线断 裂为止。纺织纤维或由纱线构成的面料在服用过程中所受到的载荷均不大，一般都低于纤维或纱线的屈服点，在这种小负荷外力作用下，服装面料中的纱线产生变形称之为小变
3、形。由于纤维高聚物材料的粘弹性特征，受外力作用产生的变形既是力的函数也是时间的函数，即外力的时效作用会使纱线（纤维）产生松弛和蠕变现象。因此，在小变形条件下纱线的力学性能不但对织物的手感、硬挺度有影响，对反复穿着条件下服装的保形性也有重要的影响。本项目以纯棉纱、涤纶 /棉复合纱、氨纶 /棉复合纱和涤纶 /氨纶 /棉三组分复合纱四种纱线为对象，研究在小变形条件下的定 伸长和定负荷循环拉伸应力作用下的纱线变形行为与力学性能，为纱线与面料结构设计提供理论依据。 二、相关研究的最新成果及动态 本次毕业论文所要研究的课题是小变形条件下复合纱线变形行为和力学性能分析，研究主要以长丝 /短纤复合纱及纯棉纱等
4、四类纱线为对象，研究其在小变形条件下受等应力与等应变循环拉伸应力作用下的力学行为，分析比较其在不同变形率及负荷条件下的的弹性回复率、蠕变2 率、应力松弛率等， 为纱线与面料结构设计提供理论依据。 我们知道， 包芯纱一般以强力和弹力都较好的合成纤维长丝为芯丝，外包棉、毛、粘胶纤维等短纤 维一起加捻而纺制成的纱。复合纱线中组分性能的差异性及结构与传统短纤维合股线的差异对复合纱线与织物的性能产生极大的影响。包芯纱兼有长丝芯纱和外包短纤维的优良性能。 常见的包芯纱有我们本次研究所采用的涤纶 /棉复合纱、氨纶 /棉复合纱和涤纶 /氨纶 /棉三组分复合纱等。 通过纤维材料在小变形循环应力作用下的变形行为研
5、究，可以对纤维材料的弹性及耐疲劳性能进行评价与表达。在等应变循环应力作用下，当纤维受到某拉伸应力作用时即产生形变；如果保持应变恒定，则随时间的推移纤维的应力逐渐减小；在某一时刻将外力突然去除，纤维迅速回缩而产 生急弹性变形；再经过若干时间后纤维逐渐回缩而产生缓弹性变形；不能恢复的变形一般称为塑性变形。在等应力循环应力作用下，当纤维受到某拉伸应力作用时即产生形变；如果保持拉伸应力恒定，则随时间的推移纤维的应变逐渐增大；在某一时刻将外力突然去除，纤维迅速回缩而产生急弹性变形；再经过若干时间后纤维逐渐回缩而产生缓弹性变形。 前人曾经测试 过一种国产 NiTi合金丝的超弹性性能，并获取力学参数，为进一
6、步开发新型SMA被动阻尼器做准备。实验过程中，合金丝的应力应变分别由合金丝所受载荷和变形计算得出，载荷由固连在夹头上的力传感器 获取，变形由位移传感器量测，实验中采用等位移 (等应变速率 )加载，由计算机自动控制，实验结果由计算机自动采集。实验结果表明：循环次数对 NiTi丝的力学性能影响较大，使用前需先稳定材料性能。也可以充分利用循环初期更优良的阻尼性能(较大的阻尼系数 )，在经历了一次振动激励 (地震、风 )后考虑形状记忆合金阻尼性能的衰减；滞回环的面积 (即耗能 )随着应变幅值的增加呈线性增加，材料的弹性卸载变形模量随应变幅值的增加而减小，材料等效阻尼比随应变幅值的增加而增加，应变幅值是
7、影响 SMA耗能能力最重要的因素。 聚烯烃弹性纤维 XLATM与相同细度的氨纶相比， XLATM纤维在低应力下有较高伸长，同样回复力也很小。为了进一步了解和应用这种新型弹性纤维，有人对 XLATM纤维进行拉伸回复试验。 XLATM纤维的初始模量比氨纶高，随着伸长率增加 (130 )，其拉伸模量比氨纶小且较为平缓。在高伸长率 (450 )下，随着伸长率的增加，纤维的拉伸模量急速增加，与氨纶具有相同趋势。本实验中 XLATM纤维的断裂伸长率为 664，与氨纶的断裂伸长率接近，是弹性表现的重要一面。 XLATM纤维的弹性回复率随定伸长的增加呈非线性下降趋势。低拉伸倍数和高拉伸倍数条件下，下降趋势平缓
8、；在 100到 200定伸长之间，弹性回复率下降幅度很大。 3 人体肘部和膝部对织物的弹性要求达到高弹范围，而其余部位并非很高，中低弹织物 (10一 25 )即可满足穿着要求。市场上采用的氨纶弹性织物，由于弹性过高，反而会对人体产生压迫，使人体产生不舒适的感觉。美国陶氏公司针对人体着装对中低弹织物的需求，近期开发了名为 DOW XLA的新型弹性长丝纤维。 XLA纤维是聚烯烃弹性纤维，采用 DOW的专利技术在低结晶度时生产而成，纤维非结晶区的柔性大分子链节和链段呈特殊的无规则的点状交联网络结构。正是这 种结构赋予了 XLA纤维良好的伸长复原性能，在织物中不会产生额外的残余收缩力。对 XLA弹性纤
9、维拉伸回复性进行试验，结果得出： 拉伸倍数对 XLA纤维的弹性回复率影响较大；拉伸时间对于 XLA长丝的弹性回复率会有一定影响，但测试结果表明拉伸时间在 3min内影响不大。 弹性纤维是指具有高断裂伸长、低模量和高回弹性的合成纤维。含有弹性纤维的衣物，既贴合人体体型，展现优美的天然曲线，增加美感；又不会对人体的活动造成束缚，迎合了人们对舒适性的要求。目前，商业化最成功的弹性纤维是氨纶，以氨纶包芯纱的方式广泛应用于各种织物。在 INSTRON5566 万能材料试验机上测试试样的比应力 -应变曲线、定负荷伸长率、定伸长回复率、应力松弛率等。实验结果表明：氨纶具有软、硬链段依次交替的分子结构，其中软
10、链段在外力作用下发生变形，而硬链段则用以维持大分子稳定的基本形状，在外力去除后，保证大分子可以恢复到原状。 作者以长丝强伸测试仪，对比研究了在相同的条件下 PET， PTT和 PBT3种芳香族聚酯长丝的瞬时拉伸回弹率，系统研究了测定 PTT长丝瞬时拉伸回弹率的条件，并初步分析了芳香族聚酯长丝瞬时拉伸回弹机理。结果表明：综合比较三种聚酯纤维的瞬时拉伸回弹 率， PTT长丝最佳， PBT长丝次之， PET长丝最差；利用长丝强伸测试仪测定 m长丝的瞬时拉伸回弹率时，以 500 mrnmin的拉伸速率、 20的伸长率和 o 5 cN tex的预张力等测定条件为宜； PTT长丝优异的拉伸回弹率，来源于大
11、分子链在晶格中的螺旋状构象排列，这种构象使得 PTT晶格的 c轴长度约为重复单元最大拉伸构象的 76，从而赋予 PTT大分子链具有如同弹簧一样变形的弹性，纤维具有优异的拉伸回弹性能。 以涤纶、氨纶网络丝为芯丝，以羊毛、兔绒混纺粗纱为外包须条，通过环锭细纱机进行长丝短纤复合包芯纱加工而 形成的四组分复合包芯纱可以用作毛衫针织纱，既具有毛纱的毛型感，又可在一定的变形范围内提供良好的弹性和柔软的手感，并具有良好的保形性，作为新型针织用纱可大大改善毛衫的服用性能与护理性能。通过对该四组分复合纱的弹性回复率、拉伸力学性能、毛羽及线密度不匀进行测试，可以得出 : 纺制的四组分复合纱具有芯鞘型长丝 /短纤包
12、芯结构；四组分长丝 /短纤包芯复合纱纤维间抱合力强，纱线弹性好，断裂强度大。 4 以 PTT、 PET纤维及 PTT/PET双组分复合纤维为研究对象，首先利用科视达观察了 PTT/PET双组分复合纤维的外观形态；其次 在大量实验基础上，分析加热介质、时间、温度及张力四个因素对聚酯类纤维热收缩性能的影响；再次测试分析了聚酯类纤维机械性能特征；最后探讨 PTT PET双组分复合纤维与毛混纤织物的性能，对影响织物弹性的各种因素进行分析。 PTT/PET双组分复合纤维具有自卷曲特性，使其在弹性及膨松类织物开发上独具优势，市场前景广阔。 聚对苯二甲酸丙二酯 (PTT)是聚酯家族中一颗引人注目的“新星”，
13、国外称它为继新合纤以后的 “大型纤维”。随着生活水平的提高，人类对服装舒适性的要求越来越高，近两年采用氨纶、 PA66高弹丝等弹性纤维的纺 织品大受欢迎就是例证，因为它们可以给服装面料带来良好的弹性舒适性能。通过对 PTT、 PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯 )、 PA66高弹丝和氨纶包芯纱的弹性进行测试，得到： PTT的 DTY长丝的模量最低、弹性回复率最高，特别在大变形时更能显示其优越性能，另外 PTT纤维的急弹性回复性能最好； PA66高弹丝的模量大于 PTT和 PBT的 DTY长丝，弹性回复率小于 PTT和 PBT的 DTY长丝；氨纶包芯纱在低伸长下主要显示氨纶的低模量特征，在高伸长下则主
14、要显示皮层纤维的高模量特征，未经过高温高湿处理的氨纶包芯纱的弹性回复率比 PTT、 PBT、 PA66纤维都差。 主要从纱线角度与织物角度，研究涤棉包芯纱的“抗皱性”及其织物的抗皱性。首先，主要测试了纱线及织物以下方面的内容：全棉纱线、涤棉混纺纱、涤棉包芯纱共 12种纱线的拉伸性能；涤棉包芯纱和涤棉混纺纱线的定伸长试验及蠕变；测试了纱线干态与湿态条件下，全棉纱线、涤棉混纺纱线及涤棉包芯纱的“折皱回复角”；织物干态与织物湿态下，全棉织物、涤棉混纺织物及涤棉包芯纱织物的“折皱回复角”。其次，论文运用了多种数学分析方法：对纱线力学指标进行了主成分分析，分析得出 4个新的纱线力学指标主成分。 运用配对
15、样本 T检验对每个试验结果进行检验，检验两组数据之间是否具有显著性差异。对纱线力学指标主成分与纱线抗皱之间运用相关性分析。对涤棉包芯纱力学性能及其织物抗皱性的研究摘要影响纱线抗皱性的纱线力学主要指标主成分与纱线的抗皱性运用一元线性回归与多元线性回归分析。最后，得出的主要结论。 通过对于以上文献的分析，我们了解了小变形、力学性能等的概念，以及对各种材料的性能比较和分析等，研究它们在小变形条件下受等应力和等应变循环拉伸应力作用下的力学行为。从而 通过小变形条件下纱线在循环应力作用下的力学行为的研究，分析 比较在不同的伸长和不同的负荷条件下纱线的弹性回复率、应力松弛率和蠕变率等指标。由此我们可以得出
16、，通过纱线结构的设计与复合，可以优化纱线在不同变形率和不同负荷下的弹性回复率，从而构造具有优良保形5 性的纱线及面料。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达到的目标 在室温条件下，我们将对纯棉纱、涤纶 /棉复合纱、涤纶 /氨纶 /棉三组分复合纱和氨纶 /棉复合纱进行以下三个实验： 1、实验采用 YG061FQ/PC 型电子单纱强力仪，对纯棉纱、涤纶 /棉复合纱、涤纶 /氨纶 /棉三组分复合纱和氨纶 /棉复合纱的 断裂强力进行测试，得到四种纱线的断裂强力、断裂伸长和断裂功等指标，以及四种纱线的拉伸力学性能曲线。 2、使用 YG061FQ/PC 型电子单纱强力仪，将纯棉
17、纱、涤纶 /棉复合纱、涤纶 /氨纶 /棉三组分复合纱和氨纶 /棉复合纱四种纱线分别在定伸长为 3%、 5%和 10%的条件下进行反复拉伸试验，从而得到塑性变形率、弹性回复率和应力松弛率等指标。参数设置为隔距 250mm，测试速度250mm/min，松弛时间 10s，预加张力 10 cN，测试次数 5 次。 3、使用 YG061FQ/PC 型电子单纱强力仪，将纯棉纱、涤纶 /棉复合纱、涤纶 /氨纶 /棉三组分复合纱和氨纶 /棉复合纱四种纱线分别在 2cN/tex、 4cN/tex 和 8cN/tex 的等应力条件下进行反复拉伸试验，从而得到塑性变形率、弹性回复率和应力松弛率等指标。参数设置为隔距
18、 250mm，测试速度 250mm/min，松弛时间 10s，预加张力 10 cN，测试次数 5 次。 由以上实验我们将得出四种纱线 在拉伸过程中的力学量特征及拉伸力学性能；小变形条件下受等应变循环应力作用下的松弛率和弹性恢复率等力学量特征的变化规律；小变形条件下受等负荷循环应力作用下的蠕变率和弹性恢复率等力学量特征的变化规律； 并 通过上述实验结果，分析长丝组分对复合纱线力学性能的影响规律，为复合纱线的设计提供理论基础。 本次课题主要分为以下几个阶段：第一步，在教师指导下初步选题；第二步，搜集、阅读和整理相关文献资料，并开始撰写开题报告；第三步，证论与组织（拟写开题报告）；第四步，实验研究与
19、分析；第五步，撰写毕业论文；第六步，毕业论文的修改与定稿。 可以预见，本次课题将会遇到一些难点。比如，做实验需要有必要的仪器、设备、材料、场所等，可是在学校现有的实验条件下，仪器的精确度不高，需要经过多次试验才能得到较为准确的实验结果，所以要求做实 验时耐心认真。对于本次毕业课题，我一定不怕困难，抓紧时间，有序守时，保质保量地完成写作任务。此外，我也会要独立思考，刻苦钻研，不耻下问，争取取得让导师也让自己满意的成绩。 6 希望通过本次课题，我将 了解复合纱线的定义、分类及其结构特点；掌握拉伸过程以及小变形条件下纱线力学性能的测试、变形行为的描述及其表征理论；以棉 /涤纶复合纱、棉 /氨纶复合纱
20、、棉 /涤纶 /氨纶复合纱及棉纱为对象，研究其拉伸过程的力学量特征；研究其在小变形条件下受循环应力作用后的变性行为及其力学性能； 四、论文详细工作进度和安排 1、 2010.10.24-2010.11.5：教师下达论文选题 2、 2010.11.6-2010.11.22：毕业论文选题（确定选题），学生完成选题 3、 2010.11.23-2011.1.10：老师正式下达毕业论文任务书、学生进行参考文献的查阅、完成外文翻译、文献综述、开题报告 4、 2011.2.1-2011.3.29：学生完成毕业论文的准备、初稿撰写 5、 2011.3.30：毕业论文中期检查 6、 2011.3.12-201
21、1.5.2：学生毕业实习 7、 2011.5.4-2011.5.12：毕业论文修改和定稿上交 8、 2011.5.13-2011.5.22：毕业论文评阅 9、 2011.5.23-2011.6.3：毕业论文答辩及成绩评定 10、 2011.6.5-2011.6.10：二次毕业论文答辩 11、 2011.6.7-2011.6.12：校级毕业论文答辩 五、主要参考文献 1于伟东 .纺织材料学 M.北京：中国纺织出版社， 2006（ 5） . 2吴恒立 .对非线性力学的思考 J重庆交通学院学报， 2002（ 12） . 3凌育洪 .彭辉鸿 .张帅 .超弹性 NiTi 丝的力学性能 J.华南理工大学学
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23、性能研究及其产品开发 D.上海：东华大学， 2008， 47-49. 10 王府梅 , 李京歌 , 谢璇妍 . PTT 等弹性纤维的弹性回复性能比较 J. 东华大学学报(自然科学版 ) , 2004,(03) 11高枝贵 . 涤棉包芯纱力学性能及其织物抗皱性的研究 D.上海：东华大学， 2007. 12Jinlian Hu, Jing Lu, Yong Zhu. New developments in elastic fibers J Polymer Reviews, 2008, 48： 275-301. 13HUANG Xin-xin.SHI Mei-wu.YAO Mu.J Journal of Xian Polytechnic University.Comparative study on characteristics of twisting triangular space in ring spinn ing and core spinn ing
