亚麻纤维的优异力学性能探析

纤维的力学性能与纤维的超分子结构是密切相关的。同样都是纤维素纤维，由于亚麻的取向度和结晶度比棉高得多，因此两者的许多力学性能存在着一定差别。

亚麻纤维的力学性能主要包括强力、断裂延伸度、弹性等。这些力学性能的好坏在一定程度上影响着亚麻织物的服用性能以及染整加工。

1.强度　纤维强度是指纤维所能承受的最大负荷，即绝对强度。由于亚麻纤维的取向度和结晶度比棉、黏胶纤维等纤维素纤维的高，其强度应当很大。但纤维的强力与许多因素有关，如纤维的粗细、长短等，因此严格来说，纤维强度是没有可比性的。

通常所说的强度是指织物的断裂强度或撕破强度。断裂强度是指织物刚开始被拉伸断裂时的强度。撕破强度指的是织物切口处耐拉伸的能力。不同纤维或者即使是同一结构的纤维，如棉、黏胶纤维以及亚麻纤维，由于它们的超分子结构不同，断裂机理也不同，其断裂强度也不同。由于纤维素大分子的聚合度比较高，分子直线性和平面性很强，分子之间作用力也比较大，再加上纤维内部的取向度和结晶度都比较高，因此纤维受到拉伸时，由于单纯分子链的断裂或分子链之间的相对滑移而导致纤维的断裂并不是纤维断裂的主要原因。亚麻纤维的断裂机理应当与棉纤维的断裂机理相似，是由于亚麻纤维内部存在着许多缺陷、裂口、弱点，拉伸时，不可能均匀受力，而是首先在纤维的这些弱点处产生应力和应变能的集中，裂口逐渐扩大，分子链被拉断，而导致纤维的断裂。而黏胶纤维的断裂则是由于分子链段滑移而引起的。虽然棉和亚麻纤维的断裂机理相同，但由于亚麻纤维的取向度和结晶度比较高，内部的缺陷和弱点少，结构比较完整，因此亚麻纤维的断裂强度要比棉纤维高，耐用性持久。

可见，亚麻纤维的断裂强度比较高，而且从亚麻纤维的断裂机理不难看出，在潮湿的情况下，由于水分子对亚麻纤维的增塑作用，会在一定程度上改善亚麻纤维内部的原始缺陷，使原来存在于纤维内部的不均匀的内应力减小或消除，从而提高亚麻的断裂强度，因此亚麻的湿强比干强大。

2.应力—应变曲线与纤维的断裂伸长　织物在染整加工和使用过程中，经常受到外力作用，一根纤维受到拉力时，就会伸长，纤维大分子中的分子链或基本结构单元就会沿着外力的方向重排，在纤维内部就会产生应力，把规定尺寸的试样用夹具夹住，并以一定的速度均匀拉长，直至试样被拉断时为止，把整个过程中应力与应变之间的关系曲线，叫应力—应变曲线。

处于完全玻璃态或完全结晶态的物质受力后，由于分子之间的距离很小，排列得比较整齐，分子之间的作用力很大，不可能发生旧的分子之间作用力的破坏，在新的位置上也不可能形成新的作用力，也就是说不可能产生永久性的形变，当外力去除后，形变会瞬间恢复，人们称之为虎克弹性形变。它的应力与应变之比是一个常数，叫弹性模量，它不但反应了材料抵抗形变的能力，也反应了纤维从形变中回复原状的一种能力。上述曲线的开始部分为直线，它的斜率即为弹性模量，表明了材料的刚性。

高分子物之所以在外力的作用下被拉伸，一方面是由于分子链的主价键或结构单元交链发生了形变，但范围很小；另一方面是由于分子链或结构单元取向的原因。在纤维素纤维中，亚麻纤维的取向度最高，原纤与纤维轴之间的夹角小于10°，所以亚麻织物的断裂延伸度最小。棉纤维中，原纤与纤维轴之间的夹角大多为20°～35°，所以断裂延伸度也稍高。

从上述纤维断裂和拉长的机理可以看出，不同纤维的取向度和结晶度不同，纤维的应力—应变曲线也不同。因取向度不同而产生的差别更大。一些纤维的应力—应变曲线如图2-2所示。

图2-2　一些纤维的应力—应变曲线

从图2-2可以看出，亚麻与棉纤维的应力—应变曲线都近似一条直线。亚麻的断裂强度和弹性模量特别高，断裂伸长和断裂功较小，显得硬脆，相比之下，棉纤维韧性较大，断裂强度和弹性模量较小。(www.xing528.com)

3.弹性　弹性是纺织纤维一项重要的力学性能，弹性是纤维从形变中回复原状的一种能力。弹性直接影响纤维的服用性能，弹性高的纤维所组成的织物外观比较挺括，穿着时不易起皱。由于弹性受外界环境因素影响较大，这里介绍的弹性是在20℃、相对湿度65%条件下的性能。

纤维素纤维受到小于断裂强度的外力作用时，就会产生形变，外力去除后，纤维形变可发生不同程度的回复，弹性大的纤维发生回复的程度比较大。纤维弹性形变的大小，通常用回复度表示：

据有关资料介绍，纤维受到由低到高负荷的作用，即2.3g／tex、4.5g／tex、9.0g／tex、13.5g／tex、18.0g／tex、22.5g／tex、27.0g／tex、36.0g／tex、45.0g／tex的负荷的作用，增加负荷的速度为每分钟90.0g／tex，当负荷增加到规定值时，保持该负荷作用0.5min，然后以同样的速度去除负荷，并放松1min，度量纤维长度的变化。接着再增加负荷，重复进行。在上述情况下所测得的不同纤维的形变回复度与应力及形变的关系如图2-3和图2-4所示。

图2-3　一些纤维形变回复度与应力之间的关系

图2-4　一些纤维形变回复度与形变的关系

从图2-3和图2-4中可以看出，在形变回复度相同的情况下，麻类纤维的弹性最差。在应力相同的情况下，麻类纤维的弹性较高。

从纤维素纤维的分子结构来看，主链上具有糖环，糖环上又具有羟基，分子间可以形成大量的氢键，内旋转较困难，在一般的情况下，其处于玻璃态，不能产生明显的弹性形变。而麻纤维由于具有较高的取向度和结晶度，具有较大的弹性模量，能够忍受较大的应力作用而不发生较大程度的形变，放松后能立即回复原状，具有较好的弹性。但只有当应力在屈服应力以下时，才表现出上面的弹性性能。

但当应力在屈服应力以上时，对于纤维的结晶区来说，分子与分子之间排列得比较整齐，分子之间的氢键以及其他作用力很大，一般可以共同承担外力，不会引起分子链段或基本结构单元之间的相对位移，分子之间的作用力不会被破坏，只发生较小程度的形变，一旦外力去除后，会依靠原来未被破坏的分子之间的作用力使纤维立即回复成原来的状态；而对于纤维的无定形区来说，分子排列得比较混乱，分子之间的距离较大，分子之间的氢键以及其他作用力较弱，受到外力的作用时，共同承担外力的能力较差，而是沿着外力的方向依次受力，使大分子与邻近大分子之间的作用力被破坏，导致分子链段或基本结构单元之间发生位移，运动到新的位置上，在新的位置上产生一定稳定性的新的分子间作用力。当外力去除后，一部分形变依靠原来分子之间部分未被破坏的作用力得到回复，而另一部分形变由于新位置上分子之间作用力的阻滞作用而不能回复，导致织物产生一定的折皱。由于亚麻织物的刚性比较大，在超负荷外力的作用下，会产生不能回复的形变，即产生永久性的折皱，这是亚麻织物容易起皱的主要原因。

亚麻织物折皱的形成严重影响了其服用性，目前有关亚麻织物防皱整理的研究的兴趣与热情与日俱增。