化学纤维的主要品质指标及其检测方法.doc
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1、第四节 化学纤维的重要品质指标及其检测方法纤维的品质是指对纤维制品的使用价值有决定意义的许多指标的总体而言。反映纤维品质的重要指标有物理性能指标,涉及纤维的长度、细度、比重、光泽、吸湿性、热性能、电性能等;机械性能指标,涉及断裂强度、断裂伸长、初始模量、回弹性、耐多次变形性等;稳定性能指标,涉及对高温和低温的稳定性、对光大气的稳定性、对化学试剂的稳定性及对微生物作用的稳定性等;加工性能指标涉及纤维的抱合性,起静电性和染色性等;短纤维的附加品质指标涉及纤维长度、卷曲度、纤维疵点等1。一、细度细度是纤维粗细的限度。分直接指标和间接指标两种。直接指标一般用纤维的直径和截面积表达,由于纤维截面积不规则
2、,且不易测量,通常用直接指标表达其粗细的时候并不多,故常采用间接指标表达。间接指标是以纤维质量或长度拟定,即定长或定重时纤维所具有的质量(定长制)或长度(定重制),在化学纤维工业中通常以单位长度的纤维质量,即线密度(Linear density)(旧称纤度)表达,常用的有以下三种表达方法。(一)表达方法1特(tex)或分特(dtex)特或分特是国际单位制(法定计量单位)。1000米长的纤维的重量克数称为特;其十分之一为分特。由于纤维细度较细,用特数表达细度时数值较小,故通常以分特表达纤维的细度。对同一种纤维来讲(即纤维的比重一定期),特数越小,单纤维越细,手感越柔软,光泽柔和且易变形加工2。2
3、旦(denier)9000米长的纤维的重量克数称为旦,对同一种纤维来讲(即纤维的比重一定期),旦数越小,单纤维越细。旦为线密度的非法定计量单位。1旦=9特。3公制支数公制支数简称公支,指单位质量(g)的纤维所具有的长度(m)。对同一种纤维而言,支数越高,表达纤维越细。公制支数为线密度的非法定计量单位。特或分特、旦数和支数的数值可互相换算,关系如下:旦数支数=9000特数支数=1000旦数=9特数分特数=10特数(二)测定方法化学纤维细度的测定方法有直接和间接法两种。直接法用得最广的是中段切取称重法。间接法运用振动仪或气流仪测定纤维的细度3。国际上推荐采用振动法来测量单根化学纤维的线密度。由于振
4、动法是在单根纤维上施加规定张力使其伸直的情况下测量其线密度的,故测量结果比较准确,特别是卷曲较大的纤维以及需要测试单纤维相对强度时,采用振动法更具优越性。在化纤生产中,因原材料、设备运转状态和工艺条件的波动都会使未拉伸丝、拉伸丝的条干不均匀。因此,测定纤维沿长度方向的条干均匀度是衡量纤维质量变化的重要指标,它影响纤维的物理机械性能与染色性能,还影响纤维的纺织加工性能及织物外观4。一般采用乌斯特(Uster)条干均匀度仪进行测定,测定结果以平均差系数U%、均方差系数CV%、极差系数R 表达。二、吸湿性吸湿性(moisture absorption)是纤维的物理性能指标之一,通常把纤维材料从气态环
5、境中吸取水分的能力称为吸湿性。(一)吸湿性指标1回潮率与含水率纤维材料中的水分含量,即吸附水的含量,通常用回潮率(Moisture regain)或含水率(Moisture content)表达。前者是指纤维所含水分的质量与干燥纤维质量的比例,后者是指纤维所含水分质量与纤维实际质量的比例。化纤行业一般用回潮率来表达纤维吸湿性的强弱。2标准状态下的回潮率与公定回潮率各种纤维的实际回潮率随环境温湿度而变,为了比较各种纤维材料的吸湿能力,将其放在统一的标准大气条件下(20、65相对湿度)一定期间后,使它们的回潮率在“吸湿过程”中达成一个稳态值,这时的回潮率为标准状态下的回潮率。在贸易和成本计算中,纤
6、维材料往往并不处在标准状态,为了方便计重和核价的需要,必须对各种纤维材料的回潮率做出人为统一规定,称之为公定回潮率。各种纤维在标准状态下的回潮率和我国所规定的公定回潮率(Fficial regain)如表1-4:表1-4 纤维在20、65相对湿度下的回潮率和我国所规定的公定回潮率纤维标准状态下的回潮率/公定回潮率/纤维标准状态下的回潮率/公定回潮率/蚕丝911.0维纶3.05.05.0棉78.5锦纶3.05.04.5羊毛1616.0腈纶1.22.02.0亚麻71012.0涤纶0.40.50.1苎麻71012.0氯纶00粘胶纤维121413.0丙纶00醋酯纤维677.0乙纶00从表中可见,天然纤
7、维和再生纤维的回潮率较高,合成纤维的回潮率较低。(二)吸湿性的检测方法按照吸湿性的测试特点,大体可分为两类:直接测定法和间接测定法。直接测定法是直接获取纤维中水分重量的测定方法,从而计算出含水率或回潮率。如烘箱法、红外线辐射法、吸湿剂干燥法、真空干燥法等。其中烘箱法应用最广。间接法测定法是运用纤维材料中含水多少与某些物理性质(如电阻、电容、水分子振动吸取性能等)密切相关的原理,通过测量这些性质来推测含水率或回潮率,如电阻测试法、电容测试法。这类方法测量迅速、不损伤纤维、可在线测量,但干扰因素较多,结果的稳定性和准确性受到影响。三、密度纤维的密度(densities),是指单位体积纤维的质(重)
8、量,常用单位为g/cm3 。由于物质组成、大分子排列堆砌以及纤维形态结构不同,各种纤维的密度是不同的,重要化学纤维品种中,丙纶的密度最小,粘胶纤维的密度最大,重要纺织纤维的密度见表2-2。表1-5 重要纺织纤维的密度纤维密度/g/cm3纤维密度/g/cm3粘胶纤维1.501.52氨纶1.54涤纶1.38棉1.32锦纶1.14羊毛1.32腈纶1.141.17蚕丝1.331.45维纶1.261.30麻1.5丙纶0.91测定纤维密度的方法很多,有液体浮力法、比重瓶法、气体容积法、液体温升悬浮法和密度梯度法等。其中密度梯度法精确度较高,也较简朴。四、拉伸性能纤维材料在使用中会受到拉伸、弯曲、压缩、摩擦
9、和扭转作用,产生不同的变形。化学纤维在使用过程中重要受到的外力是张力,纤维的弯曲性能也与其拉伸性能有关,因此拉伸性能是纤维最重要的机械性能。它涉及强力和伸长两个方面,因此又称强伸性能。表达材料拉伸过程受力与变形的关系曲线,称为拉伸曲线。它可以用负荷伸长曲线表达,也可用应力应变曲线(Stress- strain curve)表达。图1-3为几种常见纤维的应力应变曲线。应力应变曲线初始阶段为弹性区域,在这区域中纤维分子链产生弹性形变,互相间没有大的变位。超过这一范围后为延性区域,外力克服分子间引力,使分子链间产生滑移,纤维应力较小的增长会产生较大的延伸,应力去除后发生不可回复的剩余应变,图1-4中
10、所示,(一)断裂强度断裂强度是表征纤维品质的重要指标,提高纤维的断裂强度可改善制品的使用性质。纤维的断裂强度,通常有以下几种表达方法:1断裂强力亦称绝对强力或断裂负荷,简称强力。即纤维材料受外界直接拉伸到断裂时所需的力,单位为牛顿(N),衍生单位有厘牛顿(cN)、毫牛顿(mN)、千牛顿(kN)等。各种强力机上测得的读数都是强力。强力与纤维的粗细有关,所以对不同粗细的纤维,强力没有可比性。2相对强度拉断单位细度纤维所需要的强力称为相对强度,即纤维的断裂强力与线密度之比,用以比较不同粗细的纤维拉伸断裂性质的指标,单位为N/tex。3强度极限纤维单位截面积上能承受的最大强力,单位为帕斯卡(Pa)。4
11、断裂长度以自身重量拉断纤维所具有的长度,单位为千米(km)。纤维的断裂强度通常用强力实验机测定。断裂强度高,纤维在加工过程中不易断头、绕辊,最终制成的纱线和织物的牢度也高;但断裂强度太高,纤维的刚性增长,手感变硬。(二)断裂伸长纤维拉伸时产生的伸长占本来长度的百分率称为伸长率。纤维拉伸至断裂时的伸长率称为断裂伸长率(Elongation at break),它表达纤维承受拉伸变形的能力。断裂伸长率大的纤维手感比较柔软,在纺织加工时,可以缓冲所受到的力,毛丝、断头较少;但断裂伸长率也不宜过大,否则织物容易变形。普通纺织纤维的断裂伸长率在10% 30%范围内比较合适。但对于工业用强力丝,则一般规定
12、断裂强度高、断裂伸长率低,使其产品不易变形。(三)初始模量初始模量(Initial modulus)亦称弹性模量或杨氏(Young s)模量,为纤维受拉伸而当伸长为原长的1%时所受的应力,即应力应变曲线(或称负荷伸长曲线)起始一段直线部分的斜率,单位为 N/tex,如图1-5中直线 OY的斜率。初始模量表达试样在小负荷下变形的难易限度,反映了材料的刚性。纤维的初始模量取决于高聚物的化学结构以及分子间互相作用力的大小。大分子柔性越强,纤维的初始模量就越小,也就容易发生形变。对于由同一种高聚物制得的纤维,若分子间的作用力愈大,取向度或结晶度越高,则纤维的初始模量就越大。在重要的化学纤维品种中,以涤
13、纶的初始模量最大,锦纶则较小,因而涤纶织物挺括,不易起皱;而锦纶则易起皱,保形性差。(四)屈服应力与屈服应变在拉伸曲线上,图线的坡度由较大转向较小时,表达材料对于变形的抵抗能力逐渐减弱,这一转折点称为屈服点(Yield point),如图1-5种的P点。屈服点处所相应的应力和伸长就是它的屈服应力和屈服应变。屈服点是纤维开始明显产生塑性变形的转变点。一般而言,屈服点高的纤维,不易产生塑性变形,拉伸弹性较好,其制品的抗皱性较好。(五)断裂功、断裂比功和功系数断裂功(Work of rupture)是指拉断纤维时外力所作的功,也就是纤维受拉伸到断裂时所吸取的能量。如图1-6可知,断裂功就是曲线下所包
14、含的面积(阴影部分)。目前的电子强力仪已经根据上述积分原理计算出了断裂功。断裂功的大小与试样的粗细和长度有关,所以对不同粗细和长度的纤维,没有可比性。为了能互相比较,常采用断裂比功。断裂比功(Specific work of rupture)是指拉断单位线密度、单位长度纤维材料所需的能量,单位常用N/tex来表达。负荷伸长曲线下面积与断裂强力和断裂伸长乘积之比称为功系数。功系数越大,外力拉伸纤维所做的功越多,表白这种材料抵抗拉伸断裂的能力越强,其制品的使用寿命也就越长。各种纤维的功系数大体在0.360.65之间。断裂功、断裂比功和功系数反映纤维的韧性,可用来表征纤维及其制品耐冲击和耐磨的能力。
15、其他条件不变时,断裂功或断裂比功愈大,纤维的韧性及其制品的耐磨和耐冲击的能力愈好。当断裂强力、断裂伸长相同时,功系数大表达拉断时外力做功大,纤维坚韧。几种常见化学纤维的拉伸指标见表1-6。表1-6? 几种常见化学纤维的拉伸指标纤维品种断裂强度/N/tex钩接强度/N/tex断裂伸长率/%初始模量/N/tex定伸长回弹率/%(伸长3%)干态湿态干态湿态涤纶高强低伸型0.530.620.530.620.350.44182818286.177.9497普通型0.420.520.420.520.350.44304530454.416.17锦纶60.320.620.330.530.310.4925552
16、7580.712.65100腈纶0.250.400.220.350.160.22255025602.655.298995维纶0.440.510.350.430.280.35152017232.214.417080丙纶0.400.620.400.620.350.62306030601.764.8596100氯纶0.220.350.220.350.160.22204020401.322.217085粘胶纤维0.180.260.110.160.060.13162221293.535.295580富强纤维0.310.400.250.290.050.0691011137.067.946085醋酯纤维0.
17、110.140.070.090.090.12253535502.213.537090(六)回弹性材料在外力作用下(拉伸或压缩)产生的形变,在外力除去后,恢复本来状态的能力称为回弹性(Elastic recovery)。纤维在负荷作用下,所发生的形变涉及三部分:普弹形变、高弹形变和塑性形变。这三种形变,不是逐个依次出现而是同时发展的,只是各自的速度不同。因此,当外力撤除后,可回复的普弹形变和松弛时间较短的那一部分高弹形变(急回弹形变)将不久回缩,并留下一部分形变,即剩余形变,其中涉及松弛时间长的高弹形变(缓回弹形变)和不可复的塑性形变。剩余形变值越小,纤维的回弹性越好。表征纤维回弹性的方法一般有
18、两种:1一次负荷回弹性质回弹率和弹性功测定的方法是先施加一定的负荷(或使产生一定的伸长),然后撤去负荷,经松弛一定期间(30s或 60s,视测定仪器和方法而定)后,测定剩余伸长。则回弹率可表达如下式及见图1-7。式中:可回复的弹性伸长;不能回复的塑性伸长或剩余伸长;总伸长。弹性功可表达如下:回弹率又有两种不同的测定方法:一种叫定负荷回弹率,另一种叫定伸长回弹率。2多次循环负荷回弹性质纤维在实际使用中不会只受一次拉伸而断裂,而是经受反复多次薄弱而方向和频率经常变化的负荷作用,因此需要相应的纤维耐多次循环负荷的测定方法,才可以对的地反映使用过程中的性能。在测定负荷延伸性质时,假如在达成断裂负荷以前
19、就停止增长负荷,并逐渐减小,以致完全撤去负荷,这种增长和撤去负荷的过程可以循环反复很多次,就得到多次循环负荷延伸曲线,见图1-8。纤维的回弹性与其制品的尺寸稳定性和折皱性有密切关系。回弹性高的纤维(例如涤纶)制成的服装不易起皱,具有挺括等特性。五、耐疲劳性耐疲劳性通常是指纤维在反复负荷作用下,或在静负荷的长时间作用下引起的损伤或破坏。疲劳破坏的机理从能量学角度,可以认为是外界作用所消耗的功达成了材料内部的结合能(断裂功)使材料发生疲劳;也可以从形变学角度认为是外力作用产生的变形和塑性变形的积累达成了材料的断裂伸长,使材料发生疲劳。疲劳破坏有两种形式。一种是纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下,开
20、始纤维迅速拉长,然后逐步缓行,最后趋于不明显,到达一定期间后,纤维在最薄弱的地方发生断裂,称为静态疲劳。另一种是纤维经受多次加、减负荷的反复作用,塑性变形的逐渐积累,纤维内部逐渐形成裂痕,最后被破坏的现象,叫动态疲劳。可采用单纤维强力仪来测定耐疲劳性。一般说来,回弹性较好的纤维,其耐疲劳性就高,如锦纶的回弹性较好,它的耐疲劳性最佳,在最大应力84.710-3N/tex时的循环次数大于5000次。六、耐磨性所谓磨损,一般指材料由于机械作用从固体表面不断失去少量物质的现象,即两个固体表面接触作相对运动,随着着摩擦引起的减量过程。影响纤维耐磨损性能的因素非常复杂。一方面是纤维的分子结构和微观结构。一
21、般情况下,分子主链键能强,分子链柔曲性好,聚合度好,取向高度、结晶度适当,结晶颗粒较细较匀,纤维的玻璃化温度在使用温度附近时,耐磨损性能较好。从纤维性能方面看,纤维表层硬度高,拉伸急弹性恢复率高,拉伸断裂比功大,恢复功系数高时,耐磨损性能较好。此外,温湿度、试样张力、磨料的种类、形状、硬度等都对耐磨损性能有影响。纤维耐磨性的测定方法有很多,一般以纤维在耐磨实验仪器上所测得的断裂强度的减少或质量的损失限度来表征纤维耐磨性的好坏。七、耐热性和热稳定性纤维及其制品在加工过程中要经受高温的作用(如染整、烘干等),在使用过程中也经常要接触到高温(如洗涤和熨烫),工业和技术用纤维则更要受到高温的长时间作用
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- 化学纤维 主要 品质 指标 及其 检测 方法
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