1、 1 毕业设计文献综述 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、前言部分 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
2、。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。 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形。据现状分析，目前对于小变形的研究还局限于钢筋、混凝土和薄板等金属材料。对于服装面料方面的小变形，至今还未有人研究。而对于服装面料小变形的研究， 也是一项极其重要的任务。所以，本次研究的课题具有非常重要的意义。 二、主题部分 根据经典理论 1研究，外力的时效作用会使纱线（纤维）产生松弛和蠕变现象。纤
3、维在拉伸变形恒定条件下，应力随时间的延长而逐渐减小的现象，称为应力松弛。纤维在一恒定拉伸外力作用下，变形随受力时间的延长而逐渐增加的现象，称为蠕变。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。 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。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。 2 通过纤维材料在小变形循环应力作用下的变形行为研究，可
4、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。 材料在单向拉伸时的力学行为具有“麻雀虽小，肝胆俱全”的性质，用它提问题比较简单明了
5、 2。以下是提出的有关问题及思考： 1. 材料 (标准试件 )单向拉伸的拉力 -伸长图可以直接量度和描绘，客观存在，是材料的本性 (本构关系 )。 2. 材料单向拉伸的应力 -应变图是人为定义的，即应力 -应变关系有人为性，它不是材料的本性。材料的本构关系指本性，客观存在。本构方程要满足许多基本原理，如： Noll三项原则 (即物质客观性原理、确定性或遗传性原理及局部作用原理 )，物质对称性原理，减退记忆原理，相容性原理 (含质量守恒、动量守恒、动量矩方程、局部能量守恒、熵产率原理、热力学第一和第二定律等 )，量纲一致性原理等等。不宜将本构关系等同于应力 -应变关系。 3.小变形时各种定义结果
6、一样，故具有客观性。大变形时各种定义结果不同，具有人为性。大变形问题很难准确研究，尤其在用微分代增量后，在数学上就有误差。 4.用了应 力 -应变关系就限定了应力和应变的定义，此关系是实验的 (如 Hooks Law)，不能随意更动所用的应力 -应变定义。由此可以看出，在对于非线性力学的思考中，有关于小变形、有限变形以及大变形的定义及关系有着深入的思考，值得我们去认真阅读及深入思考。 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，为进一步开发新型SMA被动阻尼器做准备 3。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，
7、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3
8、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 4。 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；在 100到 200定伸长之间，弹性 回复率下降幅度很大。 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
9、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 5。 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
10、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 6。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
11、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 7。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 mrn min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
12、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。 4 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 8。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。 以 PTT、 PET纤维及
13、 PTT/PET双组分复合纤维为研究对象 9，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”，国外称它为继新合纤以后的 “大型纤维” 10。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
14、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、 PA
15、66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 11。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 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
16、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，5 得出的主要结论。 三、总结部分 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，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
17、率，从而构造具有优良保形性的纱线及面料。 四、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.华南理工大学学报 (自然科学版 ). 4陈熙婷，王妮，俞建勇 ,聚烯烃 弹性纤维 XLATM， 的结构及其弹性表征 J合成纤维 SFC，2009， No.9. 5张晶 .顾平 .孔庆伟 .XLA 弹力纤维拉伸回复性的试验 J.丝绸 2008(04). 6肖海英 .肖红 .施楣梧 .王府梅 .三种弹性纤维的力学性能及应用特点
18、J.合成纤维 SFC， 2008. 7陈克权 .马嘉萍 .杨 菲 .PTT 长丝瞬时拉伸回弹性能研究 J.合成纤维工业， 2003（ 2） . 8薛元 .李翔 .汤成坦 .四组分长丝 /短纤包芯复合纱的成纱工艺、结构及其性能 J.纺织学报，2009， 30(12). 9刘晶 .聚酯类纤维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 fiberJ.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 spinning and core spinning.
