纺织物理第学习.pptx

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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。第二节 纤维在纱中的转移与分布第24页/共38页图 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）一般-1M1，当M值为负时，表示该组纤维

13、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。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

14、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

15、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：P

16、j=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

17、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

18、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。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