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第七章 纤维的表面性质
纤维的表面性能取决于其表面和表层的结构特征。
表面是物质最直观、有效和最复杂而又有特征的部位。
物质表面为视觉、触觉直达部位,处于非对称和非平衡态。
物质表面或界面的作用:是物质相互结合、共存、分离、传递的关键层面,如:
复合材料的增强体纤维,如何与基质发生相互粘结;
与人体接触的纺织品,纤维如何提供应有的舒适感;
纤维装饰材料的色光特征;
纤维功能材料的吸附、传递、耐磨蚀、能量转换等性质。
纤维表面结构包括:表面宏、微观形态,表层结构等。
纤维的表面性质包括:
表面摩擦,磨损和变形;
表面光学特性,如色泽特征;
表面传导特性,如对热、湿、声、电的传递;
表面能及表面吸附与粘结。
表面性能还涉及实用中的表面改性方法,表面分析方法等。
纤维表面是一门科学,本章讨论三个内容:
纤维的摩擦性质
纤维表面浸润性
纤维表面粘结性
第一节 纤维的摩擦性质
指纤维与纤维,或纤维与其它物质表面接触并发生相对运动时的行为。
影响纺、织加工性能和成品的手感的风格。
导致纤维的磨损与变形,产生质量转移、生热和静电现象。
一.纤维摩擦参数及其相互关系
摩擦力F,正压力或法向负荷N,摩擦系数,摩擦时接触面积S,摩擦时的相对运动速度v,摩擦面的粗糙度,以及表面形状和表层附着物等,其间存在一定的定性和定量关系。
1.F、N、S间的关系
经典的Amontons定律: 不适用于纤维摩擦的表征。
典型的经验方程有:
(7. 1)
(7. 2)
(7. 3)
式中均为常数。
较为实际和处理方便的是式(7.3)的简化形式:
(7. 4)
显然上式的摩擦系数非常数,是正压力N的函数。
图7-1 纤维摩擦系数随正压力的变化(D为纤维直径)
式(7.4)的n值一般介于2/3~1之间,见表7- 1。
表7- 1 单根纤维垂直交叉摩擦时的n值
纤维 醋酯纤维 锦纶 粘胶丝 涤纶 羊毛 醋酯纤维 0.94 0.89 0.90 0.86 0.92 锦纶 0.86 0.81 粘胶丝 0.89 0.88 0.91 0.86 0.87 涤纶 0.88 羊毛 0.88 0.86 0.92 0.86 0.92 根据式(7-4),可以讨论接触面积的作用,设正压力N作用于面积上,则有:,如果同样的正压力作用于面积上,,可以认为这时的总摩擦力应等于当正压力为N/k作用于面积上的各分摩擦力f的总和,即:
(7. 5)
所以 (7. 6)
这样,可以用两种模式来代替传统的摩擦定律式。
①,用于摩擦接触面积不变时的描述;
②,用于正压力为常数时表达。
其中a,b为常数,a与接触面积有关,b与正压力有关。n=1时,即得传统的摩擦定律式。
Viswanathan通过实验发现,在许多纤维中,参数a与n值有关,a值随n值的增加而减少。由于a的单位为,故使用不同单位时,a与n值的关系不同。
2.静、动摩擦和滑移速度
通常纤维的静摩擦力FS 比动摩擦力Fd 要高(表7-2)。动、静摩擦系数间的差异,使人对纤维及其制品的手感不同。两者差别较大时,给人粗糙,涩板的感觉,因为摩擦中发生“粘-滑”现象(stick-slip)。如果对纤维添加整理剂,则会感到柔软、滑糯,如优质的羊绒。其原因是与的差异较小。
纤维的摩擦系数与滑移速度如图7-2所示,纤维摩擦系数随v的增大为下凹状,在速度vc下, μd会大于静摩擦系数μs,常态滑移速度都小于vc,故μs μd,正是由于μs μd,摩擦过程会发生“粘-滑”现象。随着μs ( μd值的减小,粘-滑现象逐渐减小。当μs ≤ μd时,粘-滑现象消失。
表7-2 纤维的动、静摩擦系数(,)
纤 维 静摩擦系数 动摩擦系数 粘胶与粘胶 0.35 0.26 锦纶与锦纶 0.47 0.40 顺鳞片方向
羊毛与羊毛 逆鳞片方向
纤维同一方向 0.13
0.61
0.21 0.11
0.38
0.15 羊毛与粘胶 顺鳞片方向 0.11 0.09 逆鳞片方向 0.39 0.35 羊毛与锦纶 顺鳞片方向 0.26 0.21 逆鳞片方向 0.43 0.35 图7-2 相对速度与动摩擦系数的关系
3.摩擦系数与纤维表面状态的关系
纤维与摩擦有关的表面状态主要有三:
纤维表面的粗糙程度r
差微摩擦效应:鳞片的顺、逆摩擦差异
纤维间的摩擦形式,即界面摩擦和润滑摩擦
图7-3 摩擦系数随回潮率而变化的曲线
一般而言,纤维的摩擦系数为0.1~0.8,其典型的摩擦系数值,所得列于表7-4中。
4.纤维外观形态与摩擦作用
纤维的外观形态主要指纤维的截面形状和纤维
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