纤维线密度的降低赋予纤维许多很越常规天然纤维的优越性能。主要可归纳如下:
(1)线密度相同的复丝或纱线, 其单纤维根数愈多, 成纱强力就愈高。
(2)单纤维线密度愈小, 抗弯曲刚度愈低,纱线及织物的手感就愈柔软, 悬垂性好, 具有高级的‘ ‘ 书写效应” 。
(3)单纤维直径愈小, 纤维的比表面积愈大, 吸附性增强,去污力提高, 过滤性能好,毛细效应强。
(4)单纤维直径愈小, 单位面积织物的密度愈高,织物保暖性愈好,且具有防水透气性。
然而, 单纤维线密度的减小也会带来一些麻烦,如染整加工时, 上染速率快、易染花、染料吸收量大,但显色性差、染色牢度也会变差等。
由式(1 -3)知纤维直径:
D = 1.128(pl/p)1/2
又根据纤维比表面积( 即质量面积) 定义:
S= πD.(L/m)
因此:
S = 1. 128π( pl/p) 1/2 . ( L/m) (1 -5)
式中:L/m— —单位质量的纤维具有的长度,记为Lm。
则纤维比表面积与其线密度和直径有如下关系:
S = 1. 128π ( pl/p) 1/2 . Lm (1 -6)
线密度单位取dtex,密度单位取g/cm3,Lm单位取cm/g,换算可得式(1—7):
S = 35. 42 x 10-4 ( { pl} dtex/{P} g . cm-3 ) 1/2 . { Lm } cm . g-1cm2.g-1;
表1-3和图1-2给出了PET纤维、PA6纤维及PP纤维的比表面积、线密度和直径三者之间的关系。
线密度/dtex | L x 10 /cm.g | 直径D/um | 比表面积/cm2.g-1 | ||||
PET纤维 | PA6纤维 | PP纤维 | PET纤维 | PA6纤维 | PP纤维 | ||
4.4 | 22.5 | 20.21 | 22.27 | 24. 90 | 1420 | 1560 | 1752 |
2.2 | 45.0 | 14. 30 | 15.75 | 17.63 | 2008 | 2214 | 2478 |
1.1 | 90.0 | 10.10 | 11.14 | 12. 46 | 2840 | 3130 | 3504 |
6. 6 x 10 -1 | 150 | 7.82 | 8.63 | 9. 65 | 3667 | 4041 | 4523 |
1.1×10-1 | 900 | 3.20 | 3. 52 | 3. 94 | 8981 | 9899 | 11080 |
1.1×10-2 | 9000 | 0.96 | 1. 05 | 1. 18 | 28401 | 31304 | 35038 |
1.1×10-3 | 90000 | 0.32 | 0. 35 | 0. 39 | 89813 | 98995 | 110801 |
1.1×10-4 | 900000 | 0.10 | 0. 11 | 0.12 | 284014 | 313049 | 350384 |
由表1-3及图1-2可以看到, 随着纤维线密度变小, 直径下 降,纤维的比表面积增大;尤其在纤维线密度小于1. 1dtex时,纤维 直径及比表面积变化的幅度加剧。纤维直径及比表面积的变化将 使纤维性能发生很大变化。
三、纤维结构、性能与纤维线密度的关系
1.纤维柔性与纤维线密度的关系 将1根纤维作弯曲变形时, 纤维的轴线在纤维中的相对位置不 变,轴线以上部分(外侧)发生拉伸变形,轴线以下部分(内侧)发生压缩变形, 而且距轴线愈远处受拉伸或受压缩的程度愈大, 如图 1-3所示。
纤维柔性的描述是一个很复杂的问题,定量表示纤维的柔性更加困难。这里, 用工程力学中的弯曲刚度肼来简单地表征纤维的柔性。弯曲刚度肼表示材料抵抗弯曲变形的能力,其值愈大,材料愈难弯曲变形,亦即材料抵抗弯曲变形的能力愈大。肼中的E为材料的弹性模量,反映材料变形的难易程度——显然,E值愈大材料愈难变形,E值愈小材料愈易变形;而且,材料相同的纤维具有相 同的E值,材料不同的纤维具有不同的E值。而肼中的,为材料横截面的一种几何性质,称为轴惯性矩,它反映的是材料形状(包括尺寸大小)对材料弯曲变形的抵抗能力——显然,值愈大材料愈难变形,值愈小材料愈易变形。
对于同一种材料的纤维,因弹性模量层为固定值,所以弯曲刚度肼就只取决于截面轴惯性矩,值的大小。由工程力学知,圆形截面的轴惯性矩I= πD4/64,即圆形截面纤维的轴惯性矩与纤维直径的4次方成正比。这说明纤维直径的微小变化将引起轴惯性矩的急剧变化,从而引起纤维弯曲刚度EI的急剧变化。因此,纤维直径变小,会表现出纤维柔性的很大提高。表1-4是用实例表示的具体数据,可见纤维直径对其截面轴惯性矩的影响之大。
直径D | D | D/2 | D/4 | D/10 | 10 -3D |
轴惯性矩 I | πD4/64 | πD4/( 64 x 16) | πD4/(64 X 256 ) | πD4/( 64 x 104 ) | πD4/( 64 x 1012 ) |
若将长L的圆形纤维一端A固定(如图1-4,例如一块起绒布料的绒毛),于另一端B处施加力F使其弯曲(如同用手去抚摸布料的绒毛),假设纤维弯随的曲率半径为p,则根据工程力学中悬臂 式梁受力弯曲变形的力学分析, 知此时所施加的力F为:
F= El/(pL) =πED4/(64pL) (1-8)
亦即, 使纤维弯曲变形时所需要的力F与其直径的4次方成正比, 与纤维长度成反比。所以, 纤维直径愈细愈易变形, 纤维愈长也愈易变形。故降低纤维的线密度可有效地提高纤维的柔性。
若将1根直径为D的单纤维( 试样1) 与l束单纤维直径为d的n根纤维组成的复丝( 试样2) 作弯曲试验比较, 假设两试样的总截面积相同, 即:
πD2/4=nπd2/4
则: ( EI)试样1=EπD4/64
(EI) 试样2= nEπd4/64( 因为πD2/4=nπd2/4, 所以d=D/n1/2)
= nEπ(Dn -1/2)4/64=EπD4/(64n)
( EI)试样1 /(EI) 试样2=(EπD4/64)/(EπD4/64n) =n (1—9)
由以上结果知,试样曼的弯曲刚度是试样2弯曲刚度的儿倍。 这表明线密度相同的复丝中单纤维的根数愈多(或说单纤维的线密度愈小),纤维的柔性愈大。人造麂皮的所谓“书写效应”就是因其表面绒毛纤细而柔软,当手指抚摸时绒毛沿着抚摸的受力方向倒伏而显现出来的。因此,很细纤维制品会给人以手感舒适、滑爽、产量上乘的良好印象。
纤维截面的轴惯性矩不仅与纤维截面的尺寸有关,还与纤维截面的形状有关。表1一5反映了纤维截面的轴惯性矩与截面形状的关系。
当采用异形孔喷丝板纺制不同截面形状的纤维时,便可得到不同抗弯能力和不同性能的纤维材料。
2,取向度、结晶度与单纤维的线密度的关系
纤维在纺丝成型(特别是熔体纺丝成型)过程中,单纤维的线密度愈小,纤维比表面积愈大,在纺程上纤维与空气间的摩擦阻力 也愈大, 因而纤维的取向度也愈高。与线密度和比表面积间的变化 关系相似,当单纤维的线密度小于1. 1dtex时,取向度急剧增加。纤 维取向度的提高又会诱导结晶的发生, 引起结晶度的提高以及与此相关的其他性能的变化(图1—5、图1-6) 。
3. 传热系数与单纤维的线密度的关系
与线密度和比表面积间的变化关系相似, 当单纤维的线密度小于1. 1dtex时,纤维的传热系数也迅速提高(图1-7)。这也将对很细纤维织物穿着舒适性有所改善。
4.染色性能与单纤维的线密度的关系
单纤维的线密度愈小,纤维直径愈细,比表面积愈大,纤维对染料的吸附速度加快,即上染速率加快;但是,由于纤维表面的反射光增强,使纤维的显色性变差,即在同样染料吸附量的情况下,纤维或织物给人们的感觉是色浅。因此,要使很细纤维的发色性达到常规纤维的水平,就必须增加染料的用量,如采用常压型阳离子染料可染聚酯( ECDP)纺制很细纤维,可得到满意的染色效果。另外由于很细纤维的比表面积大,上染速率快,故染色时容易染花,一般采用低温入浴、慢速升温的染色工艺可以改善染色效果。
很细纤维织物染色时较易出现的问题是染色不均匀——批内及批间差异,易出现色斑,色相偏差,特别是色相的重现性差,而且色牢度差。织物染色过程中也易出现运行不良并导致色痕及褶皱。 很细纤维织物染色时染色设备的选择至关重要,若在张力或压力下加工则手感差,但是在松弛状态下染色又会产生褶皱,因此应当选择合适的染整设备。