第十章 织物的结构与基本性能(讲习要点Print)

第十章织物的结构与性能概述⏹纺织材料直接和主要的产品是织物，柔性平面薄层状的物质⏹织物的成形：纤维经成网固着；成纱织、编而成⏹织物的轴与维：一维结构、二维结构、三维结构；单轴和多轴⏹一般织物：机织物、针织物、非织造布、编织物等⏹特种织物：三维结构或三维成形织物、层合或混合复合织物、可呼吸织物、电子织物等⏹织物的应用：建筑(architectured and construction)、土工(geotextile)、防护(safety and protective)、运动(sports and recreation)、运输(automotive and transportation)、航空航天(aviation and spaceflight )、医用(medical)、军用(military and defence)、产业(industrial)，以及人类穿着用的重要的高科技纺织品(high-tech textiles)的基础用材。

⏹问题：单一或复合、二维或三维织物的结构均有定性的阐述，对结构与常用性能间的关系也有讨论，但对织物结构、性能、成形及其相互间关系的定量描述还显得比较粗浅，尤其是对复杂结构织物及其定量表征与实际存在较大差距。

章节分配（3~4学时）本章仅对已有的理论和传统织物结构及其常用性能作简要介绍，并较多地限于服用织物结构和性能的描述。

§1. 织物的类型与结构表征§2. 纤维的介电性能§3. 纤维的静电性质§4. 导电高聚物的导电性质第一节织物的类型与结构表征一、织物的结构分类与名称织物的分类方法众多，可以根据加工方法、成形方式、基本性能、选用纤维或纱线、织物组织和结构、厚度和轻重、用途和功能等进行分类。

但作为织物结构、性能和成形的相互关系讨论，则较多地运用直接相关结构特征和成形方式进行分类。

1．A类织物：A类为纱线按一定的排列组合结构形成织物。

2．B类织物：B类结构中，纱线以粘结的方式成形。

3．C类织物：C类织物为非织造布。

4．纤维类和非纤维类片状物D类为胶质物质将纤维粘结在一起，并与微孔共同构成稳定的结构。

E类薄片一般为均匀结构膜，可以是“合金”物质，亦可为多孔结构，一般较多地以涂层和覆膜成形。

二、复合和层合织物各类织物简单层合构成复合织物，以及混合、组合、交叉等方式构成复杂复合织物。

三、常用织物的结构特征常用织物主要是指一般民用的普通机织物、针织物、编织物和非织造布。

纱线相互交织成形（interweaving），如机织物；纱线相互圈结成形(interlooping)，如纬编和经编织物；纱线相互缠绕扭结成形(intertwining or interlacing)，如编结织物；纤维相互粘结或纠缠成形，如毛毡和非织造布；基布表面成圈或簇绒成形(terry-looping or tufting)，如机织、针织起绒织物和地毯。

四、特殊织物的结构这里所指的特殊织物是在成形方式和结构上，为非常规方法直接所得的织物，这类织物主要为多层复合织物，如柔性建筑顶蓬织物；纺织结构材料，如增强编织材料、人造血管与肌腱等；涂层复合织物，如过滤防护材料。

五、织物结构的作用与不均匀性1．织物结构对最终用途的影响2．织物结构的不均匀性织物结构的不均匀性受纤维或纱线形态和弱节的影响。

但多道加工的纤维混合，纱线织物的组合，原先的弱节已被弱化。

实际织物的结构不均匀性主要表现在三方面：➢ 织物组织结构不均匀，普通织物是均匀结构，而复杂织物组织为不均匀结构。

➢ 纤维或纱线的排列的方向性引起的结构不对称性和层合与起绒织物的各层异性。

➢ 构成织物的单元（如纱线或纤维）聚集的缺陷和织物接缝或使用中的结构缺陷。

第二节 织物几何结构与表征一、机织物的几何结构1．Peirce 的几何模型Peirce （1937）对机织物的几何模型作了下述近似描述，假设纱的截面为圆形，不考虑纱的抗弯性，并内应力为零，其几何模型的各几何参数为:θθθsin cos )(D D l a +-= (10- 1))cos 1(sin )(θθθ-+-=D D l h (10- 2)1-=-=al a a l c (10- 3) la l a l -=-=1μ (10- 4)2．非圆形纱线的几何结构参数弹性曲线的曲率半径ρ可以由下式表达 θ==ρsin 82x a Fx m (10- 5)当x = a /2时，达最大值（大于由Peirce 模型）θρsin 4max a = (10- 6)3．紧密织物的几何学紧密织物中纱线的截面肯定发生变形，如用椭圆形截面，无法积分解出，故大多采用“跑道形”截面。

这种假设，在A 、B 之间纱的截面为圆形，仍采用Peirce 的模型。

纱间距a 为 )(22b w h B a -+-= (10- 7) 式中，B =b 1+b 2为经、纬纱的厚度值之和；w 为纱线跑道距截面的宽度值。

由于22)'(a B h -=, a ’=a -(w -b )；且h 1+h 2=B ，可得1)'(1)'(1222221=-+-B a B a (10- 8)4、机织物的厚度与体积分数机织物的厚度，考虑表面毛羽的影响，在几何概念上大致可分为四种厚度，分别为：①含毛羽的厚度T max ，；②织物结构相厚度T s ；③织物为等支持面时的厚度T 0；④织物的压缩变形厚度T ，即织物受压力P 作用时的厚度。

织物中的纤维填充密度取决于纤维所占的体积，平纹织物的体积分数V f 为：)/()/(4)/(242d T d a d l V f θ+ϕπ= (10- 9)式中，为纤维在纱中得堆砌体积分数；T 为织物的厚度，T D =2d ；纱线的织造角θ 为)/arctan(3)/(2arctan 2a d d a -⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θ (10- 10)二、针织物的几何结构1．线圈长度与密度Peirce 将其在机织物几何模型的概念推广到针织物，考虑一个针圈在两个正交的近似圆柱体上。

则其线圈长度l 为d W C l 94.52++= (10- 11)式中，C 是横向圈距；W 是纵向圈距（或圈高）；d 为纱线的直径。

根据针织物的横密P c 和纵密P w 的定义，得C P C 50=； W P W 50= (10- 12) 理论上，圈距的乘积应该是正比于线圈长度的平方，即 CW l ∝2 或 21l P P P W C ∝= (10- 13)式中P 为线圈密度。

Munden 的结果证实了这一关系。

并未充满系数δ 和其他参数d l =δ； WC l k 21=； C l k =2；W l k =3；W C k =4 (10- 14) 2．Munden 的几何模型Munden 给出了针织线圈模型，其假设与Peirce 的弹性模型相同，讨论线圈AB 段的特征。

在A ，B 点作用力间的距离是织物的纵向间距W ，A ，B 点垂直线间的距离相当于纱线的直径d ，由前机织物的推导式(10-3)可知，)1(Crim W l AB += (10- 15)并有 Crim W d 34≈ (10- 16) 其中Crim 为W W l AB )(-很难测量，因线圈有三维空间的弯曲。

3． 针织物的厚度与体积分数e d e d T +=+'=α22 (10- 17)有关针织物的体积分数，有别于覆盖系数，可更为精确地表达织物的填充密度。

三轴方向，X 为长度方向（纵向X =W /2）；Y 是宽度方向（纵向Y =C /2）；Z =T 为织物的厚度；θ 为纱线的取向角。

并假设纱线为圆形，直径为d ，当纱线挤压时，则有d Z d X d C d Y d W d X 2 ; cos 1tan ;cos sin 12max 2 ; 22≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+≥=≥=θθθθ或 若纤维在纱中堆砌的体积分数为，针织物的体积分数可被导出⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++++⋅=)/2(tan 1)/()/2(tan 1cos 2)/()/()/(1822Y d d Y X d d X d Y d X V f θϕπ(10- 18) 针织物的体积分数相对机织物来说较低， V f ≥0.2时，纱线就开始挤压。

三、非织造布几何结构1． 毛毡传统的毛毡，是由羊毛纤维穿插运动而纠缠成毡的结果。

其它纤维采用针刺纠缠的方法，使纤维集合成毡。

用针刺、编缝、粘结的方法，可以生产高质量的织物。

2．针刺纤维毡针刺毡为非均匀相结构，其为针刺点的纠缠结构（竖直和纠缠纤维及其针刺点分布与密度），原纤维网结构（平行纤维）和过渡区结构（纤维倾斜和密度变化）的组合。

针针刺纤维毡的体积分数V f θ 可以导出θηθcos /z f f l V V =； uc p A A /=η (10- 19)式中y x A uc ⋅=为单元体的截面积。

通常针总是刺穿织物，所以1=z l ，则 θηθcos /f f V V = (10- 20)3、粘结纤维网根据纤维粘结方式，可将此类非织造布分为：（a ）纤维自粘结（热熔与熔喷纤维）；（b ）纤维由粉末粘结剂粘结；（c ）纤维热轧熔融粘结；（d ）纤维与浸渍液的粘结。

第三节 织物的基本性能织物的性能涉及多方面的内容，大致归纳起来分为三方面。

织物的基本物理和化学性质，取决于织物的结构与组成； 织物的可加工性，织物的易染整加工性和使用后的易处理与可再生性；织物应用中的功能与作用，如耐用性，防护作用和易护理或易使用性。

尤其是服用织物的舒湿性和与人体的协调性；装饰类织物的各种稳定性和不易污染与霉变；产业用织物的功能的有效性、耐各种老化和应用场合的适应性，极其重要。

本节仅对织物的一些基本物理性能和与服用材料相关的易加工性和使用性能作基本介绍。

一．织物的基本力学性能织物的力学性质涵盖多方面，如纤维和纱线的力学性质，有静态和动态力学性质，以表征织物的基本力学特征；有在低负荷下的织物力学行为，以模拟实际穿着和手感风格；有破坏和耐久试验，以讨论织物各种破坏的形式、条件和耐久性。

这里主要给出小负荷下的织物拉伸、弯曲、剪切、起拱等的描述。

1．织物的拉伸⑴ 织物位伸中的几何结构变化 cc da dh 5.11-= (10- 21) ⑵ 拉伸模量的估计情况A ：情况B ：情况C ：情况D ： 情况E ：⑶ 织物各方向上的模量24221124sin cos sin )21(cos 1E E v G E E ααααα+-+= (10- 22)式中， G 为剪切模量；12v 为织物的波松比；α为位伸方向与经纱方向的夹角。

2．织物的弯曲与起拱⑴ 织物的弯曲 c nB B y F +⋅=11 ； )1)(1(η-+=c n B B yF ⑵ 织物的起拱（Buckling ）两端握持的弹性体起拱的Euler 表达，临界起拱力为：22cr 4l B P Fπ= (10- 23)其弯曲的曲线微分方程为 Py ds d B F-=φ (10- 24) 式中，P 为压缩力；s 为沿弯曲线的距离，其给出了曲率半径φρd ds /=与弯矩M=Py 的关系，由此式经整理可变为φρd ds ==)cos (cos 2/αφ--P B F (10- 25)3．织物的剪切伸长方向上的应变为ε；原长为l 0，则伸长后的长度为l= l 0 (1+ε)。