纺织物理第PPT课件

第八章纱线的几何结构 纱线结构是决定纱线的内在性质和外观特征的主要因素。 从构成纱线的纤维来看，有短纤维纱、长丝束纱、短纤混纺纱、长丝混合纱，以及长短、短短、长长复合纱、花式纱、特殊纱。 从加工方式，有环锭纺纱、股线 、花式纱线、转杯纺、静电纺、摩擦纺、自捻纺、喷气纺、涡流纺、平行纺、包芯纺、膨体纱、变形纱等、短/短复合(Sirospun），长/短复合纺（Sirofil），分束纺（solospun），紧密纺（compact）。高等纺织材料学-第八章 纱线的几何结构第1页/共38页一、纱线的加捻及其表征第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式 将纤维束须条、纱、连续长丝束等纤维材料绕其条状轴线的扭转、搓动或缠绕的过程称为加捻。赋予纱线一定的强伸性、稳定外观、纤维间产生正压力，形成切向摩擦阻力、纤维径向转移，纤维间纠缠等。 有Z捻和S捻；有真捻和假捻等。第2页/共38页一、纱线的加捻及其表征第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式1. 捻度与理想螺旋结构第3页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式2. 捻系数与纱线线密度纱线线密度为Nt（tex），纱线的单位长度内的体积为R2，比容为y，第4页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式3. 捻回角 纱线的直径偏小或纤维的直径偏粗的话，即纱线截面中纤维数量有限的话，纱线的有效直径应该是通过外层纤维中心的圆的直径，即dy-df，df为纤维的直径，dy为纱线的直径。第5页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式4. 捻缩及其理论估算通常用收缩率和捻缩率来表达：第6页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式5. 捻幅及股线加捻单位长度纱线加捻时，纱线截面中任意一点相对转动的弧长，称为捻幅p：当pr=0时，此处即为捻心；若捻心在无穷远处，即r股线中纤维强力达到最大利用，即所有纤维的捻幅值相等，即捻心在无穷远处第7页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式二、纱中纤维的排列与密度1. 理想堆砌方式（1）开启式第i层纤维的螺旋半径；第i层纤维的根数第i层纤堆砌的纤维总根数第i层间隙角第i层的间隙距i层纤维堆砌成纱的填充率第8页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式（2）密堆式纱中心道纤维层中线的转角处的半径；第i层纤维的根数第i层纤堆砌的纤维总根数纤维层到中心边的垂直距离i层纤维堆砌成纱的填充率第9页/共38页第一节 纱线的加捻与纤维的排列形式2. 纱线的密度与填充系数单位质量的纱线所具有的体积，为纱线的密度vf。其与捻回角 的关系：填充密度为纤维占纱线空间的比值，用表示三、纱中纤维的实际排列状态第10页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布一、纤维的转移与表征1. 纤维的转移及定义 理想的螺旋线分层的纱结构有2个问题，一是实际中难以做到此种结构；二是即使能做到，所成纱无实用可能。 对第1个问题，纤维在不同的圆环柱体中所经过的螺旋轨迹长度不同，中心的为直线，径向的为螺旋，越往外转移，螺旋半径越大，轨迹越长。故需要各层的纤维以不同速度喂入，极难实现。而以同样速度喂入，保持纤维不同张力的纤维在原位置上成形，也是不可能的。 对第2个问题，理想螺旋的表面纤维没有受到压力，同样根据均匀结构假设，内层纤维也没有受到径向的作用力，纤维很难集聚。对短纤维无实际意义。第11页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布2. 理想的转移方程和轨迹 理想的转移是纤维在纱中有规律地、均匀地从纱表面转移到纱的中心，又从纱的中心转移到表面的过程。在这一转移过程中，纱各层密度一致。纤维一个周期的转移长度为Q，纤维从纱中心转移到某个位置的纤维轨迹长度为q，R为纱的半径，r为转移到某点位置的半径，理想转移的一个周期的方程为：第12页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布3. 纤维在纱中的一般轨迹（1）圆锥形螺旋线（2）圆柱形螺旋线（3）包缠纤维（4）弯钩或折叠纤维第13页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布4. 纤维转移的实验1952年Morton和Yen采用示踪纤维的方法，观察纤维在纱中的转移。 Hearle和Gupta为避免纱直径的变化，采用相对位置r/R表示纤维的位置，将所有峰值和谷值沿Z轴连接起来，可得出纤维螺旋轨迹的包络线。第14页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布5. 转移表征指标（1）转移系数C（2）单位长度的切割数nc第15页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布（3）转移特征数（ ，D，I） 纤维的平均位置：D转移幅度，用均方差表示：I为转移率，用包络线的平均斜率表示第16页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布二、纤维的转移机理（1）一般描述1956年Morton提出纤维发生转移的机理在于纤维的张力作用。 （2）转移的条件 当中间纤维完全松弛并起拱破坏周围纤维的平衡状态时，中间纤维有可能被挤出。采用7根11tex长丝，染成不同颜色，每厘米4个捻度，经过7孔导板，然后在一定张力下加捻成形。第17页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布（3）转移频率 在一次转移发生后，加捻纱的长度基本取决于外层未转移的5根纤维的长度，此时转移到中间的那根外层纤维的张力迅速减少，并趋向于0，然后逐渐松弛起拱；而向外转移的的纱张力迅速增加。 当外层纤维的张力不足以握持中间起拱的纤维时，中间纤维的转移就会再次发生。第18页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布2. 纤维转移的几何机理（1）纤维束加捻的形式 有加捻圆柱状、扁平带状等2种纤维聚集形式，前者在高张力下发生，后者在低张力下发生。第19页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布 对于2中不同形状聚集的纤维束而言，有3中加捻形式，一是圆柱状纤维束加捻；二是扁平带纤维束加捻；三是扁平带纤维束圈捻。第1种各位置纤维的相对位置只是根据年度大小绕原纤维束中心的转动；第2种是绕该扁平带的几何质心轴的转动，但由于突出角不稳定，按照最短路径原理成形；第3种是先形成空心筒卷，随之纤维束按最稳态排列而崩塌形成实心状圆柱体纤维。第20页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布（2）几何转移的理论解释3. 实际纤维束加捻中的转移机理第21页/共38页第二节 纤维在纱中的转移与分布三、纤维在纱截面中的径向分布1. 一般概念 纤维在纱中的转移已得到证实，并有解释，而且认为纤维的张力转移是对称的，即有进也有出；几何转移只与纤维所在位置有关，与纤维性状无关。而早期的研究表明：纤维长度不等时，较长纤维会优先向纱内转移，较短纤维倾向于纱的外层，因为长纤维与较多的纤维接触，在加捻时有被拉入纱内层的趋势，较短纤维则易被挤到纱的外层；纤维粗细不等时，一般粗的纤维会较多地趋向纱的外层，而细的纤维则位于纱的内层，这是因为粗纤维一般较硬挺，空间位阻大，在细纱加捻区中不容易挤入纱中心部分，细软的纤维则相对容易嵌入纱的内层；初始模量较大的纤维会较多地趋向纱的内层，因为加捻时纤维的张力较大，故产生较大的向心压力；抗弯刚度大的纤维容易分布在纱的内层；圆形截面纤维因比表面积小，或体积小，则容易克服阻力挤入纱内层；除此以外，纤维的卷曲性、摩擦系数，纱的细度和捻系数也是影响纤维转移的因素等。第22页/共38页 2. 纤维径向分布表征参数 表达纤维在纱中径向分布的最经典方法是汉密尔顿（J.B.Hamilton）指数和只表达表面纤维含量的Onion指数。 汉密尔顿指数 汉密尔顿指数是以计算纤维在纱截面中的分布矩为基础，求出两种纤维中一种的向外（内）转移分布参数。基本方法如图11-20所示。 a. 根据纱截面切片的显微镜图像，先选定纱心，或先画纱的外轮廓线，通常以圆为纱的边界。然后以半径五等分作外轮廓线的相似形线，若取圆则作5个同心圆，见图。 第二节 纤维在纱中的转移与分布第23页/共38页 b. 分别计数落入各圆环中A、B纤维根数ai、bi，并测量各纤维的实际占有截面积Ai、Bi，下标i表示层。 ； 式中，和分别为A和B纤维的平均截面积。 c. 求A纤维实际面积分布一次矩FMA， d. 设纤维在纱截面中各层按比例均匀分布，计算A纤维的均匀分布一次矩FMU 式中，A为A纤维的总面积 ； ， 即各层中A、B纤维的面积； e. 若FMUFMA，则A纤维优先向内分布，计算A纤维的最大向内分布一次矩FMI。即将所有A纤维的截面积依次填入第一层，多余的填入第二层，直至填完。然后计算FMI；若FMUFMA,则A纤维优先向外分布，计算A纤维的最大向外分布一次矩FMO。即将所有A纤维的截面积依次填入第五层，多余的填第四层，直至填完，然后计算FMO。 iiAa AiiBb BA124522FMAAAA 5124U22AtAtAtAtFMTTTT iAiiitAB第二节 纤维在纱中的转移与分布第24页/共38页 切片、拍摄 画半径等分圆环 点数 A、B 纤维 测纤维截面积 计算 A 纤维FMA、FMI、FMO Hamilton 指数计算 图 汉密尔顿指数计算流程及等分同心圆第二节 纤维在纱中的转移与分布第25页/共38页 f. 计算Hamilton指标M （0） AUUIinFMFMFMFMMAUOUoutFMFMFMFMM 一般-1M1，当M值为负时，表示该组纤维优先向内转移；M值为正值时，则表示该组纤维优先向外转移；当M值为零时，表示纤维按原混合比的均匀分布。M值的绝对值越大，纤维的转移程度越大。第二节 纤维在纱中的转移与分布第26页/共38页 Onion指数 Onion指数用来表征纱表层纤维的混和比。若A、B两种纤维混纺，混和比为p：q，当实测纱表观A、B纤维根数时，A纤维根数为a0，B纤维根数为b0,则在均匀分布时 Onion指数为 如果 =1，则表示A、B纤维在外层均匀分布。当 1时，则A纤维较多地集结在纱的表层，相反，则B纤维较多分布在纱的表层，以此来表征不同纤维在纱表层的分布。 qpba/00pqa00b第二节 纤维在纱中的转移与分布第27页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀一、纱线不匀的构成和影响因素1. 纱线不匀的构成（1）纱线的细度不匀：线密度不匀、外观不匀（2）纱线的加捻不匀：捻度、捻回角、捻幅（3）纱线的强力不匀：绝对强度、相对强度（4）纱线的色泽不匀：长片段颜色差异、段片段颜色差异，色光差异（5）纤维组成的不匀：混合纤维在截面中的混合比例不匀 最基本的是粗细不匀和纤维混合不匀。第28页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀2. 纱线不匀的起因（1）纤维在纱中的随机分布不匀，又称理论不匀（2）工艺和机械因素的附加不匀，可分为周期性不匀，机械配件的偏心或振动；非周期性不匀，如牵伸区距离不当，浮游纤维窜动而成形不匀（3）认为和环境因素的突然变化，如接头、粗细节、飞花附着、杂质等。第29页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀二、纱线理论不匀（1）对于纤维等长、伸直平行排列，粗细形态相同的，假设纱条中全部纤维根数为N，截面平均根数为n，则理论不匀Cn为：（2）考虑到截面根数不匀+纤维粗细不匀，纤维的平均截面积为A，纤维截面积的不匀为CA，则理论不匀Cn为：（3）考虑到截面根数不匀+纤维粗细不匀+长度不匀，A和a分别为纱条和纤维的平均截面积，Ny和Nf分别为纱线和纤维的平均线密度，k为纤维长度的分组数，j为分组序数，pj为各组的纤维频率，qj=1-pj。aj为j组纤维的平均截面积，a为纤维面积的均方差，为纤维长度与细度见的相关系数，则理论不匀Cn为：Pj=1，全部纤维同属于一组长度第30页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀显然，纱线细度愈细，纱条不匀愈高；纤维细度愈细，纱条不匀愈小。但Mardindale公式均未考虑：（1）纤维长度造成的弯钩概率的影响；（2）纤维卷曲及其不匀以及由此产生的结构松紧的影响；（3）纤维本身沿长度方向上的粗细不匀和非圆形截面；（4）纤维集束和混合不匀的影响。第31页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀三、纱条不匀表征中的问题1. 极限不匀与纱条不匀的关系纱条细度不匀CVy，来源于纱条的极限不匀Clim和附加不匀Ce，即2. 纱条的变异-长度曲线 纱条细度不匀率与取样的长短（片段长度）密切相关。片段长度越长，则片段间的不匀率CVB(l)越小，而片段内的不匀率CVI(l)越大，其中l为片段长度。所以不同片段长度间的细度不匀率是没有可比性的。理论上纱条的总不匀CV是不随片段长度的改变而变的，为定值。其与片段间细度不匀（简称外不匀）CVB(l)和片段内不匀（简称内不匀）CVI(l)的的关系为： 当l0时，CVI(l)0，CV= CVB(0)；当l时，CVB()0，CVCVI()。变异系数的平方称为变异，则令CV2=V；CVB(l)2B(l)；CVI(l)2I(l)，可得2I2B2)()(lCVlCVCV第32页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀第33页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀第34页/共38页 3. 不匀波谱图 波谱图是一种以振幅对波长作图得到的曲线，又称波长谱图或波谱曲线。将纱条不匀的实测曲线（如图11-2）用傅里叶级数分解成许多波长不同、振幅不同的正弦曲线，对应所载频率的叠加可得波谱曲线。理论上，纱条的波谱曲线是连续的，但实测波长是分频段累积，故所得波谱图为阶梯状曲线（图11-2）。 假设在理想条件下纺纱，即纤维是等长和等粗细的，纤维沿纱条长度方向完全伸直且随机分布，这样纱条截面内纤维根数分布符合波松分布，即振幅与波长的关系为 （11-29） 式中，为的振幅；为波长；n为纱条截面内纤维的平均根数；L为纤维长度。1(log )sinLSn第三节 纱线几何结构的不匀第35页/共38页第三节 纱线几何结构的不匀第36页/共38页思考问题第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页