玻璃纖維紗線的力學性能測試研究

朱進忠，陳建偉

(河南工程學院 紡織工程系，河南 鄭州 450007)

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料,具有不燃、耐高溫、抗拉強度高、電絕緣好、化學穩定性好等優良特性,已被廣泛地應用在交通運輸、石油化工、電子電器、航空航天、建筑、環保、機械、核能、兵器等領域[1-2].為了充分發揮玻璃纖維的優良特性，許多專家學者做了大量研究.有學者做了玻璃纖維摩擦性能方面的研究[3]，有的做了玻璃纖維紗線力學性能損傷的研究[4-5]，有的做了玻璃纖維紗線強力與捻度、捻系數關系的研究[6-7]，還有的從彎曲拉伸與直拉中探討玻璃纖維紗線的編織性能與工藝性能[8-9]，但很少有研究玻璃纖維紗線加捻對斷裂伸長率的影響及測試拉伸速度、有效長度對玻璃纖維紗線力學性能測試結果影響的.本研究做了這方面的相關研究，并給出了有關分析結論.

1 測試條件對力學性能測試結果的影響

1.1 實驗方法

實驗材料是35 tex×2雙股玻璃纖維紗線，主要實驗儀器是HD026N型電子強力儀.

不同拉伸速度實驗：在有效長度為300 mm的條件下，測試4組不同拉伸速度紗樣的強伸度與斷裂功，每組紗樣取3次的平均值，繪出與拉伸速度的回歸關系圖，拉伸速度分別取200 mm/min、300 mm/min、400 mm/min和500 mm/min.

不同有效長度實驗：在拉伸速度為200 mm/min條件下，測試4組不同有效長度紗樣的強伸度與斷裂功，每組紗樣取3次的平均值，繪出與有效長度的回歸關系圖，有效長度分別取200 mm、300 mm、400 mm和500 mm.

1.2 實驗結果與分析

1.2.1 拉伸速度的影響

玻璃纖維紗線不同拉伸速度的測試結果如表1所示.

表1 不同拉伸速度的測試結果Tab.1 Tensile test results of different speeds

紗樣的強伸度、斷裂功與拉伸速度的關系如圖1～圖3所示.應用origin8.0數學分析軟件對數據進行擬合，得到紗樣的回歸曲線見圖1～圖3.其中，斷裂強度對拉伸速度的回歸方程為：

y= 0.023 4x+0.32，

(1)

相關系數的平方R2=0.75，根據顯著水平α= 0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(1)相關性顯著.

圖1 斷裂強度-拉伸速度關系Fig.1 Breaking strength-tensile rate

圖2 斷裂伸長率-拉伸速度關系Fig.2 Elongation at break-tensile rate

圖3 斷裂功-拉伸速度關系Fig.3 Broken power-tensile rate

斷裂伸長率對拉伸速度的回歸方程為：

y=0.006 5x+2.67，

(2)

相關系數的平方R2=0.983 1，根據顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(2)相關性顯著.

斷裂功對拉伸速度的回歸方程為：

y=0.000 2x+0.045，

(3)

相關系數的平方R2=0.882 4，根據顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(3)相關性顯著.

可以看出，測試拉伸速度對玻璃纖維紗線的強伸度和斷裂功的影響比較顯著，隨著測試拉伸速度的增加，強伸度和斷裂功均有增大的趨勢且幾乎呈線性相關.這個現象產生的原因主要有二：①玻璃纖維雖不是高分子材料，但也可以看成具有近乎高分子材料的蠕變松弛現象，會產生力學性能時間效應；②玻璃纖維經加捻而成紗線，在外力的作用下紗線中的玻璃纖維會產生摩擦作用.紗樣受拉時，紗線結構要產生變化，紗線中的玻璃纖維就要克服加捻引起的摩擦作用.在克服這一摩擦作用時會產生時間效應，即受拉時間長了，摩擦作用被克服而表現為拉伸力小；受拉時間短了，摩擦作用未被克服而表現為拉伸力大，這樣就會出現隨著測試拉伸速度的增加紗線受拉時間變短而強力增大的現象.

由于拉伸速度對玻璃纖維紗線強伸度和斷裂功測試的影響比較大，所以在測試玻璃纖維紗線力學性能時應考慮消除拉伸速度所產生的影響，即采用國家標準統一規定的拉伸速度.

1.2.2 有效長度的影響

不同有效長度的玻璃纖維紗線測試結果如表2所示.

表2 不同有效長度的紗線測試結果Tab.2 Effective length of the test results of different yarns

紗樣的強伸度、斷裂功與有效長度的關系如圖4～圖6所示.應用origin8.0數學分析軟件對數據進行擬合，得到紗樣的回歸曲線見圖4～圖6.其中，斷裂強度對有效長度的回歸方程為：

y= -0.005 8x+ 0.339 3，

(4)

相關系數的平方R2= 0.821 2，根據顯著水平α= 0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(4)相關性顯著.用F檢驗法對回歸方程的顯著性進行檢驗,回歸方程顯著.

圖4 斷裂強度-有效長度關系Fig.4 Breaking strength-effective length

圖5 斷裂伸長率-有效長度關系Fig.5 Elongation at break-effective length

圖6 斷裂功-有效長度關系Fig.6 Broken power-effective length

斷裂伸長率對有效長度的回歸方程為：

y= -0.001 5x+2.655，

(5)

相關系數的平方R2=0.785 2，根據顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(5)相關性顯著.

斷裂功對有效長度的回歸方程為：

y=0.000 09x+0.051，

(6)

相關系數的平方R2=0.852 6，根據顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(6)相關性顯著.

可以看出，測試有效長度對玻璃纖維紗線的強伸度和斷裂功測試的影響也比較顯著，隨著測試有效長度的增加，強伸度和斷裂功均有降低的趨勢且幾乎呈線性相關.這個現象產生的原因可做如下解釋，即紗線受力時，斷裂總發生在強力最弱處，紗線強力是最弱處所能承受的外力.測試有效長度越長，紗線強力不勻的地方越多，紗線強力最弱處被測到的機會越多，紗線強力就越小.同樣，因為有效長度對玻璃纖維紗線力學性能測試的影響比較顯著，在測試玻璃纖維紗線的力學性能時，應考慮有效長度的影響，以免對實驗數據的準確性造成干擾.

2 玻璃纖維紗線強伸度與捻度的關系

2.1 實驗方法

實驗材料是35 tex×2玻璃纖維紗線，主要的實驗儀器是Y331LN型捻度儀、HD026N型電子強力儀和FA2004型電子天平.

依照國家標準[10-12]，先測出玻璃纖維紗線的捻度，再對其進行捻度追加，分別自制出10組不同捻度的紗樣.然后，在同等條件下，分別測試每組紗樣的線密度和強伸度，測試有效長度為200 mm.

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 強度與捻度的關系

35 tex×2玻璃纖維紗線測試的結果如表3所示.從表3中可以看出，追加捻度后的試樣不但強力和伸長發生了變化，線密度也發生了變化，所以計算紗線強度時要考慮線密度的變化.

表3 35 tex×2紗線強伸度測試結果Tab.3 35 tex×2 yarn strength and elongation tests

圖7 35 tex×2紗線強度-捻度關系Fig.7 35 tex×2 yarn strength-twist

紗線強度與捻度關系所圖7所示.應用origin8.0數學分析軟件對數據進行擬合，得到玻璃纖維紗線強度對捻度的回歸方程，進行了相關顯著性檢驗，結果如表4所示.

從圖7可以看出，紗線的強度隨著捻度的增加而增加，當增加到一定值時，強度又隨著捻度的增加而降低.這主要是由于加捻后纖維的傾斜使其所能承受的軸向分力有所減少,而且加捻過程中使紗線中的纖維產生預應力，致使紗線受力時纖維再承受外力的能力降低.當捻度增加到一定程度時，紗線強力達到最大值，此后捻度增加但紗線強力反而降低，其強度最大時的捻度就是臨界捻度.按回歸方程計算出臨界捻度及相應臨界捻系數、最大強度與相應最大強力，如表4所示.

表4 回歸結果分析Tab.4 Regression analysis

為了進行比較，將文獻[7]中的50 tex×3玻璃纖維紗線與22 tex×3玻璃纖維紗線重新測試后的結果分析也一并放入表4中，其紗線強度-捻度關系如圖8與圖9所示.可以看出，3種玻璃纖維紗線的臨界捻度、臨界捻系數、最大強度與最大強力各不相同，原因是3種玻璃纖維紗線的線密度及構成不同，即隨著線密度及紗線構成的不同，玻璃纖維紗線的臨界值各不相同，在設計生產中應引起注意.

圖8 50 tex×3紗線強度-捻度關系Fig.8 50 tex×3 yarn strength-twist diagram

圖9 22 tex×3紗線強度-捻度關系Fig.9 22 tex×3 yarn strength-twist diagram

2.2.2 斷裂伸長率與捻度的關系

圖10 35 tex×2斷裂伸長率-捻度關系Fig.10 35 tex×2 elongation at break-twist diagram

35 tex×2玻璃纖維紗線的斷裂伸長率與捻度的關系如圖10所示.應用origin8.0數學分析軟件對數據進行擬合，得到35 tex×2玻璃纖維紗線斷裂伸長率對捻度的回歸方程為：

y= 0.010 4x+ 3.225，

(7)

相關系數的平方R2=0.895 7，根據顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關系數臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程相關性顯著.

由圖10可以看出，35 tex×2玻璃纖維紗線的斷裂伸長率也隨著捻度的增加而幾乎呈線性增加.這是因為玻璃纖維紗線拉伸斷裂時所產生的伸長是由兩部分組成的，一是紗線中的單絲因受外力作用產生的伸長；二是紗線的捻回角和直徑變小而產生的伸長.在拉伸斷裂的過程中，隨著捻系數的增加，由捻回角變小和直徑變小而產生的伸長增加了.

3 結論

對玻璃纖維紗線的力學性能進行了研究，重點分析了拉伸速度和有效長度對玻璃纖維紗線力學性能測試的影響以及捻度對玻璃纖維紗線強伸度的影響.通過實驗并進行理論分析之后，得出以下結論：

(1)在測試玻璃纖維紗線的力學性能時，拉伸速度和有效長度對強伸度、斷裂功等測試結果有顯著的影響，應采用國家標準統一規定的測試拉伸速度和有效長度，以免對實驗數據的準確性造成干擾.

(2)玻璃纖維紗線的強度隨著捻度的增加而加大，有臨界值.隨著紗線線密度及構成的不同，玻璃纖維紗線的臨界捻度、臨界捻系數、最大強度與最大強力等臨界值各不相同，在設計生產中應引起注意.

(3)玻璃纖維紗線的斷裂伸長率隨著捻度的增加而幾乎呈線性增加.

參考文獻：

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