Stress-Strain Analysis
인장성질(Tensile Properties)
섬유의 역학적 성질 : 섬유물질에 가해지는 외력과 변형과의 관계로부터 유도되는 성질
섬유의 인장성질 : 섬유에 축방향의 힘을 작용시켜 인장시킬 때 변형과의 관계,축방향으로 신장시킬 때 신장과 힘과의 관계로부터 유도되는 성질
섬유의 인장성질의 중요성: 섬유제품 품질의 중요 지수
인장성질의 측정방법
섬유물질을 서서히 신장시키면서 장력을 측정 시료를 신장시키는 방법은 결과에 중요한 영향
(1)일정 가중속도 방법(CRL) : 섬유에 일정 속도
로 증가하는 하중을 측정하는 방법 (2)일정신장 속도방법(CRE) : 섬유 시료를 일정
속도로 신장시키고 이 때 하중을 측정하는 방법
하중-신장 곡선
하중-신장 곡선 : 섬유시료에 일정한 속도로 서서히 하중을 가할 때 섬유의 거동
응력-변형률 곡선
응력-변형율 곡선 : 하중(load)을 응력(stress), 신장(extension)을 변형률(strain)로 고쳐서 만든 곡선
응력
섬유에 작용하는 힘, 하중(load) 단위: gf, lbf, N 또는 dyne
그러나 여러 섬유의 인장하중을 서로 비교할 때와 같이 물리적, 공업적 응용에서는 응력을 사용 응력(stress) 단위: N/㎡ 또는 Pa (dyne/cm2 or kgf/mm2)
응력
선밀도(linear density) 그러나 실제로 섬유의 단면적 측정이 용이하지
않고 측정시간이 오래 걸리므로 단면적 대신 이것에 비례하는 양인 선밀도를 사용 이것을 비응력이라고 한다
비응력(σ) 단위: Nm/kg(또는 Pa m3/kg)이나 실제는 N/tex 또는 mN/tex 가 사용이 편리 (종래에는 gf/den 또는 gf/tex를 사용)
응력
비응력과 응력의 관계
f : 응력, ρ: 섬유밀도, σ: 비응력 강력(strength), 절단하중(breaking load):
시료가 절단되는 순간의 하중
응력
강도, 절단응력(breaking stress)
: 절단시점에서 응력
비강도(tenacity)
: 여러 섬유를 비교해서 절단시점에서 비응력
최대 인장응력 : 하중-신장 곡선에 있어서 최고점이 되는 응력
변형률(Strain)
인장변형률(tensile strain)
섬유시료가 원래 시료의 길이에 비해 인장력에 의하여 늘어난 길이 (단위없음)
신장된 길이
섬유의 원래의 길이
절단변형률(breaking extension)
섬유시료가 원래 시료의 길이에 비해서 절단될 때까지 늘어난 길이
신도(Extension)
변형률X100(%)
탄성계수(elastic modulus)
탄성계수
응력-변형률 곡선에서 임의의 한점에서 기울기를 이 섬유의 그 응력에서의 탄성계수 또는 강경도(stiffness)라 함
초기탄성계수
원점에서 이 곡선에 대한기울기 :tanα
보통 이 값은 다음의
Yield stiffness로 얻음
Yield stiffness
=Yield specific stress
Yield Strain
탄성계수(elastic modulus)
초기탄성계수
단위는 응력 또는 비응력의 단위와 동일
섬유의 길이를 배로 늘이는데 필요한 응력
소변형(small deformation) 신장에 대한 섬유의 저항도
평균탄성계수
응력-변형률 곡선의 원점과 절단점을 이은
직선의 기울기
초기탄성계수(초기탄성률)의 의미
신장의 초기 즉 아주 작은 신장의 범위에서 단위 신장에 필요한 힘
섬유의 유연성과 강직성의 정도
초기탄성률이 큰 것 : 딱딱하고 뻣뻣한 섬유(마, 면)
초기탄성률이 작은 것 : 부드럽고 유연한 섬유(나일론, 양모)
항복점(yield point)
항복점 시료의 변형이 용이해지는 점, 즉 시료가 쉽게
변형되기 시작하는 점 금속과 같은 공업재료에서는 항복점의 위치가 확실하여 구별이 쉬우나 섬유와 같은 고분자 물질에서는 항복점의 위치를 결정하기가 곤란
할 경우가 있다. 항복점을 측정하는 방법 Meredith 작도법 Coplan 작도법
항복점(yield point)
Meredith의 항복점 정의 섬유의 응력-변형률 곡선의 원점과 절단점을
연결한 직선에 평행한 응력-변형률 곡선에의 접선의 접점
항복점(yield point)
Coplan의 항복점 정의 원점에서 곡선에 대한 접선과 기울기가 제일 작
은 접선과의 교점에서 변형률 축에 평행선을 그어 그것이 곡선과 만나는 점
항복점(yield point)
영구변형(permanent deformation) 섬유물질은 항복점까지는 탄성이 있으므로 섬
유를 항복점까지 변형시킨 후 외력을 제거하면 변형이 완전히 회복되지 않고 영구변형이 남게된다.
외력이 항복점이 넘은 경우 영구변형(permanent deformation) 이 생긴
다.
파단일(work of rupture, toughness)
섬유가 인장력에 의하여 끊어질
때까지의 소비되는 에너지
비파단일(specific work of rupture)
or 인성지수(toughness index, T.I)
Tenacity(GPD) X breaking strain
T.I=
2
크림프(crimp)
면, 양모에 크림프가 있고, 많은 합성섬유는 텍스쳐 가공에 의하여 크림프가 부가되어 여러 가지 섬유 공정을 편리하게 해 준다.
* 크림프 제거력: 크림프 제거에 필요한 에너지
크림프가 있는 섬유의 하중-신장 곡선
여러 가지 섬유 응력-변형률 곡선
아마, 저마 > 면 > 나일론, 견 > 비스코스> 아세테이트 > 양모
여러 가지 섬유 응력-변형률 곡선
1) 유연하고 약함 2) 딱딱하고 부서지기 쉬움 3) 딱딱하고 강경함 4) 부드럽고 강인함 5) 딱딱하고 강인함
1) 2) 3) 4) 5)
여러 가지 섬유 응력-변형률 곡선
셀룰로오스섬유
약간 오목하여, 명확한 항복점이 없다.
면은 종류에 따라 곡선의 형태가 다르며, 일반적으로 섬세한 섬유일수록 절단강도가 크고 초기탄성계수도 크다.
아마(亞麻), 저마(苧麻) 등 줄기 섬유는 분자들이 거의 섬유축에 평행하게 배열되어 있으므로 절단 변형률은 작다.
면섬유는 경사각 20~300O이므로 변형률이 줄기섬유보다 크다.
줄기섬유는 변형률도 적고 절단 강도가 크고 탄성계수도 크고 파단(破斷)일은 아주 적다.
재생섬유소와 아세테이트 섬유 : 응력-변형률 곡선은 항복점이 뚜렷하고, 절단점에 가까와
지면 급상승한다.
레이온의 유형, 제조에 따라 다르다.
연신(延伸)섬유는 분자배향이 좋아서 강력은 크고, 절단변형률은 작다.
미연신(未延伸)섬유는 약하고, 신장성이 큰 섬유가 된다.
레이온 중 polynosic 또는 고습윤탄성계수 섬유는 강하고 보통레이온보다 면섬유에 가까운 성질을 가지고 있다.
단백질(蛋白質) 섬유 : 견(絹)은 절단강도와 절단 변형, 파단일 모두 크다.
양모는 굴곡된 분자로 강도는 작고, 절단변형률은 크다.
합성섬유 천연섬유에 비해 절단강도, 절단변형, 파단일 모두 크다. 온도에 따라 변형률은 크고, 응력은 점점 작아진다. 나일론과 PET는 항복변형률과 항복응력이 절단선에 가
깝다. 아크릴은 나일론과 PET보다 절단변형률이 작기 때문에
파단일도 작다. 습식방사에 의해 생기는 구조적 특이성때문, 망상구조와 빈곳이 많아 인장력이나 변형을 지지할 수
없기 때문
온습도의 영향
-온습도 변화에 따라 섬유의 응력과 변형률은 달라진다.
-온도의 영향
온도가 높아지면 절단강도와 탄성계수는 작아지고,
절단변형률은 커진다.
온습도의 영향
-습도의 영향
모든 섬유는 RH가 커지면 신장성이 더 커져서 변형률이 커진다.
천연섬유소(면, 마) 는 주위의 RH가 커져서 섬유수분율이 증가하면 절단강도가 커지고, 그 외의 모든 섬유는 수분률이 증가하면 절단강도는 작아진다.
생각해보기: 면과 비스코스는 다같이 섬유소 섬유인데 RH에 의한 변화가 달라지는 이유는 무엇일까?
탄성회복
영구적인 변형(permanent deformation) 비회복성 변형 또는 소성(plastic)변형
회복되는 변형(recoverable deformation)
탄성 : 섬유가 외부에서 가한 힘에 의해 늘어났다가 힘을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는 것
탄성회복
이상탄성(ideal or perfect elasticity): a
완전탄성(complete elasticity): b
불완전탄성(imperfect elasticity): c
(a) (b) (c)
탄성회복
섬유고분자 물질의 변형 – 탄성, 소성
탄성회복(elastic recovery)
탄성변형
전변형
일회복(work of recovery)
회복시에 한 일
인장시에 한 전 일
Resilience(approximately)
Yield specific stress(GPD) x Yield Strain
2
레질리언스
섬유가 외부 힘에 의해 굴곡, 압축 등의 변형이 생겼다가 그 힘이 사라졌을 때 원상태로 돌아가는 성능
의류소재의 구김과 관계
카펫과 솜의 성능으로 중요
탄성과 관련, 섬유의 굵기, 단면형태, 권축에 따라 다름
탄성회복의 측정
섬유시료의 길이를 10mm 또는 50mm로 하고 가중속도는 가중 후 20초 이내에 평균 절단강력에 도달되도록 조절하고 제중 후의 정지시간은 1분으로 하며 가중단계는 1~7단계에서 순차로 평균절단강력의 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80%가 되도록하여 응력-변형률 곡선을 구하여 탄성회복을 계산
탄성회복의 측정
Meredith 가 고안, CRL 형의 시험기사용 시료의 길이는 단섬유의 경우는 1.5cm, 장섬유는 5cm로 하고 가중단계는 0.027, 0.045, 0.09, 0.135, 0.18, 0.225, 0.27, 0.36, 0.45N/tex로 하고 가중속도는 0.9N/tex/min로 하고 가중시간은 30초, 제중속도는 가중속도와 같이 하고 제중 후 정지시간을 1분으로 하여 평가
여러가지 섬유의 탄성회복
면-변형률이 클수록 탄성회복이 감소 0.3
줄기섬유-면보다 탄성회복이 더 작음
비스코스와 레이온 5%까지는 회복이 나쁘지만 그이상에서는 좋음
양모-탄성회복이 좋음 0.6
나일론-가장 좋음 0.7, PET와 마크릴섬유보다 훨씬 우수
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