Trong số các chỉ tiêu chất lƣợng của sợi, độ bền kéo đứt và độ giãn đứt của sợi là hai chỉ tiêu chất lƣợng quan trọng nhất.
Nghiên cứu một mẫu sợi chƣa biến dạng và giả thiết kích thƣớc mặt cắt ngang S không đổi theo toàn bộ chiều dài của sợi. Một đầu sợi đƣợc giữ cố định, đầu tự do đặt lực kéo P.
Chiều dài sợi trƣớc khi biến dạng là lovà khi biến dạng là l. Lực kéo có thể đƣợc đo bằng Newton (N), gam lực (gl) hoặc dyn. Chiều dài sợi và độ giãn đo bằng cm.
+ Độ giãn tuyệt đối:
l = l - lo (cm) (1.6) + Độ giãn tƣơng đối:
o o l l l Hoặc tính ra phần trăm: o o l l l ' .100% % 100 . , (1.7) Hình 1.12. Đặc trƣng biến dạng kéo-giãn Một số vật liệu dệt có độ giãn tuyệt đối đến khi đứt lớn hơn chiều dài mẫu thử rất nhiều, nên trong thực tế đánh giá đại lƣợng biến dạng tƣơng đối theo % (,) sẽ thuận lợi hơn. Tuy nhiên, về mặt tính toán cơ học nếu sử dụng đại lƣợng biến dạng tƣơng đối dƣới dạng phần đơn vị không thứ nguyên ( ) sẽ đơn giản hơn.
Trong phần lớn các trƣờng hợp, lực đƣợc thay thế bằng ứng suất , đƣợc xác định nhƣ sau: S P (N/m2,Pa) (1.8) Trong đó: P – Độ bền kéo (N).
S – Diện tích mặt cắt ngang của sợi (m3).
Trong kỹ thuật dệt, ngƣời ta thƣờng quan tâm đến vật liệu dệt trong trạng thái có khối lƣợng hơn là quan tâm đến thể tích. Mặt khác, diện tích tiết diện ngang của xơ sợi không xác định trực tiếp đƣợc, mà phải thông qua khối lƣợng và khối lƣợng riêng của mẫu. Do đó, độ bền tƣơng đối po thƣờng đƣợc sử dụng:
T p
po 1000. (N/tex) (1.9)
Công thức quan hệ giữa ứng suất , độ bền tƣơng đối po và khối lƣợng riêng
nhƣ sau: o p . (1.10) Ao A P o l lo
Ta có: T P N P. . 1000.. (N/m2) (1.11) Trong đó: P - Độ bền kéo (N)
N - Chi số mét của sợi (m/g)
- Khối lƣợng riêng của sợi (g/cm3) T - Độ mảnh của sợi (Tex)
Quá trình kéo giãn của một xơ hoặc một sợi dƣới tác dụng của tải trọng tăng dần đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong kéo - giãn với sự kết thúc tại điểm phá hủy xơ sợi. Đƣờng cong này có thể chuyển thành đƣờng cong ứng suất - biến dạng mà không ảnh hƣởng đến hình dạng của đƣờng cong hoặc điểm đứt. Tại điểm đứt có các dạng đặc trƣng sau:
+ Độ bền đứt: Là khả năng tối đa mà sợi có thể chịu đƣợc khi kéo đứt xơ, sợi bằng một lực dọc theo chiều trục. Ký hiệu Pd.
+ Độ giãn đứt tuyệt đối: lđ + Độ giãn đứt tƣơng đối: đ
+ Ứng lực đứt: đ
+ Độ bền tƣơng đối tại điểm đứt: Pođ.
Khi sợi bị kéo giãn tới trạng thái phá hủy, ứng suất bên trong xơ sợi sẽ tăng nhanh. Trong xơ có những khuyết tật và tại đó sẽ làm cho những vết nứt tăng nhanh, dẫn tới phá vỡ độ xếp chặt các bó phân tử ở trong xơ.
Đồng thời khi kéo giãn sợi sẽ làm đứt những xơ riêng biệt và hiển nhiên sẽ dồn lực kéo căng vào các xơ còn lại, do đó làm tăng nhanh quá trình kéo đứt sợi.
Ngoài ra, trong sợi có những xơ không liên kết chặt chẽ với nhau, tạo ra hiện tƣợng “trƣợt xơ” trong thân sợi khi kéo đứt sợi.
Theo giáo trình Vật liệu dệt của các tác giả Nguyễn Trung Thu [10], Nguyễn Văn Lân [6]: Khi sợi chịu tác dụng của lực, những xơ nằm ở mặt chu vi sợi chịu kéo căng nhiều nhất nên bị đứt trƣớc tiên. Sự đứt lan tỏa dần vào bên trong theo những lớp xơ có lực căng yếu hơn. Điều đó làm vô hiệu hóa tác dụng của sức ép và lực ma
Pđ: Độ bền kéo
l: Độ giãn
Hình 1.13. Các dạng đƣờng cong kéo giãn của xơ và sợi.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả thí nghiệm kéo – giãn [6], [8], [12], [13]:
Biến dạng kéo giãn của vật liệu phụ thuộc vào bản chất và sự sắp xếp của các đại phân tử. Điều này rất khác nhau không những giữa các loại xơ khác nhau mà ngay cả giữa các xơ trong cùng một mẫu thử cũng khác nhau. Ngoài ra, còn phải xét đến quá trình gia công và xử lý cơ học mà sợi nhận đƣợc, hàm ẩm chứa trong sợi, độ ẩm và nhiệt độ của môi trƣờng,…Tất cả các yếu tố này đều ảnh hƣởng trực tiếp đến kết quả thí nghiệm kéo-giãn sợi.
- Kích thƣớc của mẫu thử:
Kích thƣớc của mẫu thử ảnh hƣởng trực tiếp đến kết quả của phép thử: Với hai mẫu giống nhau, lực kéo đứt của sợi sẽ tăng tƣơng ứng với diện tích mặt cắt ngang và độ giãn sẽ tăng tƣơng ứng với chiều dài của sợi.
Với các mẫu thử có chiều dài khác nhau, số điểm yếu trên mẫu có chiều dài lớn sẽ nhiều hơn trên mẫu có chiều dài nhỏ. Sợi sẽ bị phá hủy tại điểm yếu nhất trên thân sợi. Lực kéo đứt của sợi sẽ giảm xuống khi chiều dài mẫu thử tăng lên. Do đó, chiều dài mẫu thử phải theo tiêu chuẩn quy định, thông thƣờng là 500mm đối với sợi.
- Tốc độ kéo-giãn ( thời gian kéo - giãn):
Độ giãn của sợi không những là hàm số của lực tác dụng, mà còn phụ thuộc vào khoảng thời gian chịu lực tác dụng và lực căng ban đầu của sợi. Nếu lực tác dụng không đổi, chiều dài mẫu thử sẽ tăng dần trong khoảng thời gian tác dụng của lực, nếu lực đủ lớn, cuối cùng sẽ dẫn đến phá hủy sợi.
Lực kéo đứt của sợi sẽ rất khác nhau tùy thuộc vào tốc độ kéo giãn của phép thử. Khi tốc độ kéo giãn lớn, thời gian biến dạng ít, sợi đứt khi chƣa kịp phá vỡ nhiều liên kết phân tử. Vì vậy khi tăng tốc độ kéo giãn, độ bền sợi tăng lên còn độ giãn đứt lại giảm xuống.
Các tiêu chuẩn kiểm tra hiện nay quy định thời gian kéo đứt sợi là 20s. tuy nhiên, các thiết bị kéo đứt sợi hiện nay có tốc độ hàm kẹp lên tới 5000m/ph, do đó thời gian kiểm tra có thể rút xuống.
- Nhiệt độ môi trƣờng:
Khi thí nghiệm đƣợc tiến hành trong môi trƣờng có nhiệt độ cao thƣờng dẫn đến trạng thái giảm độ bền và tăng độ giãn của sợi. Ngƣợc lại, khi giảm nhiệt độ làm dao động nhiệt của các phân tử chậm lại, khó phá vỡ liên kết giữa các phân tử, do đó sợi có độ bền tăng lên còn độ giãn lại giảm xuống.
- Độ ẩm môi trƣờng:
Trong quá trình hấp thụ hơi nƣớc của xơ sợi, các phân tử nƣớc thấm dần vào trong làm yếu liên kết giữa các phần tử cấu tạo nên xơ,sợi. Khi độ ẩm tăng, phần lớn các loại sợi bị giảm bền đồng thời tăng độ giãn. Riêng đối với sợi từ xơ thực vật (bông, lanh) lại có độ bền tăng lên khi tăng độ ẩm do cấu tạo của xơ.
- Ngoài ra, kết quả thí nghiệm lực kéo và độ giãn đứt của sợi còn phụ thuộc vào lực căng ban đầu của sợi, lực ép trên hàm kẹp, vật liệu chế tạo kẹp…
Nhìn chung lực căng ban đầu, lực ép trên hàm kẹp đƣợc lựa chọn sao cho không có độ giãn ngoại lệ và cũng không làm tổn thƣơng mẫu thử.
Do có sự ảnh hƣởng của nhiều yếu tố đến kết quả thí nghiệm kéo - giãn của sợi nên các nƣớc trên thế giới đã đƣa ra các tiêu chuẩn quy định cho thí nghiệm kéo đứt sợi.