纖維軸向壓縮性能測試及其刺癢感屬性判斷

毛 寧， 敖利民， 周 琦， 潘洋英， 劉 宇， 夏建武

(嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001)

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纖維軸向壓縮性能測試及其刺癢感屬性判斷

毛 寧， 敖利民， 周 琦， 潘洋英， 劉 宇， 夏建武

(嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001)

為探討纖維材料的軸向壓縮性能及其刺癢感屬性，改進了測試裝置與測試方法，對測試過程中纖維試樣與測試頭接觸條件的轉變及對應壓縮曲線特征進行分析，提出了應用纖維軸向壓縮性能判斷其刺癢感屬性的方法。結果表明：在進行纖維材料軸向壓縮測試時，試樣與測試頭的接觸條件會發生由“點接觸”向“線接觸”的轉變，壓縮性能測試應以“點接觸”的結束為終結點；以纖維軸向壓縮性能為依據判斷其刺癢感屬性時，纖維端與皮膚的接觸條件應為“點接觸”，且應具有不少于0.2 mm的長度，并能承受不少于0.75 mN的軸向載荷。

軸向壓縮； 接觸條件； 彎曲變形； 刺癢感

在單纖維軸向壓縮性能測試技術出現之前，對纖維材料壓縮性能研究以纖維集合體的壓縮性能為主[1]，即將一定量的松散纖維放入一固定橫截面積的圓筒中，在纖維上方可沿筒壁垂直移動的圓蓋上施加壓力，測試纖維塊的變形量和平均密度變化。較早出現的纖維材料軸向壓縮性能測試技術則采用單體包埋纖維的方法，文獻[2-4]將全芳香族共聚酯纖維、高性能纖維及聚乙烯醇纖維等待研究纖維放入甲基丙稀酸β-羥基丙酯溶液的容器中，聚合后制成長度為7～8 mm、直徑為7.5 mm 的圓柱體纖維/樹脂復合棒狀試樣，然后將含有纖維的樹脂塊放在強力機上或用手動裝置進行軸向壓縮實驗。之后用二甲基亞砜溶除包覆纖維的樹脂，用丙酮洗凈并干燥，獲得壓縮后試樣，借助偏光顯徽鏡、掃描電子顯徽鏡及X射線衍射等方法定性研究軸壓縮前后纖維結構的變化及破壞機制。

早期對纖維材料軸向壓縮性能的定量測試是通過對單纖維強力儀的改造實現的，劉宇清等[5]通過對試樣夾持部分的改進，實現了對纖維刷試樣的軸向壓縮測試，并以此為基礎，對裝置進行重新設計，利用組合測量方法，將力的測量與纖維試樣的形態尺寸測量相結合，可以測得單纖維壓縮彎曲過程中的載荷-位移曲線，并可依據纖維試樣的形態尺寸測量結果計算出抗彎剛度和彎曲模量[6]等性能指標。

目前，纖維材料軸向壓縮性能的測試分析主要應用于紡織纖維刺癢感屬性的判斷，即如果纖維軸向壓縮臨界載荷大于某一數值，則該纖維能引起刺癢感，臨界彎曲載荷越大，引起的刺癢感越嚴重。文獻[7-10]對不同線密度的不銹鋼纖維、大麻纖維、兔絨纖維、荻花纖維，文獻[11]對麻、竹類纖維的軸向壓縮性能分別進行了測試，并對這些纖維是否會引起刺癢感及其程度進行了分析。

本文面向纖維軸向壓縮測試裝置及測試操作提出了自己的設計與方法，并針對應用纖維軸向壓縮性能判斷紡織纖維的刺癢感屬性時存在的問題進行了闡釋。

1 測試裝置與方法的改進設計

纖維軸向壓縮性能測試裝置壓縮部分原理如圖1所示。

注：1—測試頭；2—纖維試樣；3—下夾持器。圖1 纖維軸向壓縮測試裝置壓縮部分示意圖Fig.1 Schematic of compression part of fiber axial compression tester

測試頭1與懸臂梁傳感器相連，用于測試壓力值的大小，纖維試樣2夾持在下夾持器3中，隨下夾持器做升降運動。當下夾持器自初始位置開始向上運動，纖維試樣頭端開始接觸測試頭并壓縮，下夾持器上行達到設定壓縮動程后返回初始位置，完成一次壓縮過程。

1.1 纖維試樣的固定與約束

紡織材料性能測試時約束方法的選擇來源于實際或應用狀態的模擬，對纖維軸向壓縮測試而言，模擬的是布面毛羽約束狀態，即纖維一端被織物(紗線)中的其他纖維所握持，另一端呈自由狀態，當毛羽受到壓縮時，如皮膚與織物接觸、擠壓時，由于皮膚在纖維端作用下可能會發生凹陷變形，且皮膚表面有一定的粗糙度，形成了對纖維自由端的約束。

1.1.1 測試頭

現有JQ03A、JQW03C等型號的單纖維彎曲壓縮儀的測試頭為表面經過微孔處理的金屬，微孔孔徑與測試纖維直徑相當，使纖維頭端能在微孔中自由轉動而不滑動，形成鉸鏈約束[12]。鑒于不同纖維直徑的差異較大，甚至同一品種的天然纖維直徑也有較大的離散程度，微孔化測試頭的制備、選用與更換存在一定問題，因此應選擇一種通用性較強的測試頭。采用的方法是將圓形金屬測試頭表面粘貼或包覆一層0.1 mm厚的乳膠薄膜。乳膠薄膜與皮膚性質接近，具有較大的摩擦力，關鍵在于柔軟的乳膠層在接觸纖維端時會發生凹陷變形，形成對纖維端的較牢固握持，實驗觀察發現，包覆乳膠膜的測試頭在纖維壓縮過程中基本不發生頭端的滑脫現象，而且這種凹陷約束在一定范圍內適用于所有直徑的纖維，不會出現不同直徑的纖維約束情況的差異。

1.1.2 下夾持器與纖維試樣夾持

現有單纖維彎曲壓縮儀試樣的握持采用二次握持的方法，即首先用雙面膠帶夾持纖維試樣制成帶有握持柄的“纖維針”，再將其夾持到下夾持器中。通過膠帶紙的彈性緩沖，同時可以較好避免金屬下夾持器對纖維試樣“硬”夾持時可能造成的損傷及應力集中現象。纖維針的制備是一項精細的工作，操作手法的差異、膠帶紙的規格及其與下夾持器有效夾持高度的匹配，會給實際測試操作及結果的穩定性帶來一定困難。為簡化操作，將下夾持器2片夾唇貼附0.1 mm厚乳膠膜，由于乳膠膜的硬度遠小于纖維硬度，可避免夾持纖維試樣時可能造成的試樣損傷及應力集中現象。同時為了安放纖維試樣的方便，下夾持器采用分離式，如圖2所示。下夾持器固裝在金屬(或玻璃)平臺上，而平臺搭放在2根支撐桿上，2根支撐桿安裝在原驅動下夾持器的滑塊上，這樣下夾持器仍然可以隨支撐桿做升降運動，但在安放、更換試樣時，可以將下夾持器平臺取下，方便操作。平臺可以方便地移動以調整纖維試樣與測試頭的相對位置。由于纖維軸向壓縮時力的作用很小，平臺與支撐桿之間有足夠的摩擦力可以避免平臺在測試過程中的移動。

安放試樣時，用鑷子夾持伸直纖維的一端，將其垂直于夾持鉗口線置于夾唇中，旋緊夾唇實現對纖維試樣的夾持，夾唇上的乳膠膜變形，包裹纖維試樣，形成握持。為了避免鑷子夾持對試樣的損傷，用小剪刀將鑷子夾持一段纖維試樣剪下，剩余纖維長度即為試樣長度。

注：1—測試盤(覆乳膠薄膜)；2—下夾持器；3—下夾持器平臺；4—支撐桿；5—纖維試樣。圖2 分離式下夾持器示意圖Fig.2 Schematic of separate lower clamper

1.2 試樣的準備

纖維軸向壓縮性能測試必須保證試樣的伸直狀態，帶有卷曲或彎曲的試樣沒有測試意義，因為測試前不能給出定量化的彎曲特征描述，結果是沒有價值的。彎曲的纖維在其長度足夠短時也能達到基本伸直的狀態，必要時可以縮短試樣的長度來獲得有價值的纖維軸向壓縮性能特征。試樣長度的選擇依據纖維材料的實際應用情況而定。

1.3 試樣實際長度的確定

現有單纖維彎曲壓縮儀采用光學原位組合測量纖維試樣的長度[13]，即用顯微鏡投影的方法測定。實際上纖維試樣的實際長度可由設定參數和壓縮過程輸出曲線圖(數據)計算得到。測試時測試頭與下夾持器之間的夾持距離作為測試參數是可以調整設定的，而單纖維的壓縮彎曲過程可劃分為5個區域——零載荷區、純壓縮區、偏心彎曲區、平衡彎曲區和屈服彎曲區[12]，其中零載荷區即下夾持器向上運動但纖維的上端未與上夾頭表面接觸的階段，對應的橫軸位移長度為空程長度，用上述設定夾持距離減去該空程長度即為纖維試樣的實際長度，算法簡單而精確。鑒于纖維軸向壓縮性能的測試為一端約束，制樣時很難做到試樣長度的精確化，只有每次測試完成后才能通過計算得到試樣的精確長度。因此，如果想要得到同樣長度試樣各測試指標的分布情況實際上是比較困難的，只能通過大量的試樣測試才有可能獲取。

2 纖維軸向壓縮過程與表征

2.1 纖維端與測試頭接觸條件的變化

為了便于操作，夾持器和測試頭之間要保持足夠的距離，以保證纖維試樣夾持好后纖維頭端不能與測試頭相碰，但在夾持試樣后，纖維端與測試頭之間的間隙又不能過大，因為在測試過程中，下夾持器上升和下降時，該間隙為空程，間隙增大，使一次測試時間增長。該距離是可以進行調節的，以與不同長度的纖維試樣相匹配。

圖3 壓縮測試過程中纖維形態及纖維與測試頭接觸條件的變化Fig.3 Changing of fiber shape and contact condition between fiber-end and test-head during compression test

典型的纖維試樣與測試頭的接觸、壓縮過程如圖3所示。纖維試樣為錦綸6纖維，直徑為200 μm，試樣長度為30 mm，自然伸直，壓縮速率為20 mm/min，測試頭面積為10 cm2，壓縮動程為30 mm。實驗開始，下夾持器由初始位置開始上升，此時，纖維端并未與測試頭接觸，如圖3中A所示。隨著下夾持器的上升，纖維端與測試頭不斷接近并開始接觸，如圖3中B所示。下夾持器的繼續上升，纖維試樣逐漸彎曲，如圖3中C所示；此階段觀察到的纖維試樣與測試頭的接觸方式為纖維端點接觸(以下簡稱“點接觸”)。隨著纖維彎曲的加劇，纖維上端部與測試頭的接觸越來越多，并逐漸變為端部一段纖維與測試頭的接觸，即纖維片段與測試頭接觸(以下簡稱“線接觸”)，如圖3中D所示。隨著纖維試樣與測試頭的繼續接近，線接觸纖維片段逐漸加長，纖維端開始翹起，與測試頭接觸的是纖維中上部某一段纖維，如圖3中E所示。夾持器與測試頭接近到一定程度時，如果纖維試樣足夠長，纖維試樣在自身彈性作用下瞬間發生劇烈運動，脫離與測試盤的線接觸，纖維彎曲形態徹底崩潰，如圖3中F所示。由此可見，纖維端的約束條件在壓縮過程中不斷變化，使纖維的整個壓縮過程表現出一定的復雜性。在纖維的初始壓縮階段，當纖維端與測試頭接觸時，乳膠膜在纖維頭端壓力作用下發生凹陷變形，纖維端得以在一段時間內形成類似鉸鏈的約束；在以后的各壓縮階段，約束的情況則變得很復雜了，其中線接觸的情況，即纖維某段與測試盤接觸的情況占據了一定時間。當纖維彎曲形態崩潰時，接觸條件的隨機性較大，隨著測試頭尺寸相對于測試纖維長度的不同而不同。測試頭直徑較大時，以線接觸的形式為主，測試頭直徑較小時，纖維伸直后，部分伸出測試頭范圍之外，纖維的某段與測試頭邊緣相接觸。

2.2 典型軸向壓縮曲線與性能表征

圖4示出典型纖維壓縮過程對應的壓縮曲線。

圖4 典型纖維軸向壓縮曲線Fig.4 Typical fiber axial compression curve

按照纖維的壓縮曲線，可以將纖維的壓縮過程分為以下幾個階段。

空程階段(oa段)：見圖3中A。纖維夾持在夾持器上，隨著下夾持器上行，但未與測試盤接觸，此時壓力值為0，壓縮曲線與橫軸(壓縮位移)重疊。

初彎曲階段(ab段)：見圖3中B。在極小的壓縮動程中，壓力呈線性驟增，并很快達到纖維壓縮曲線的第1個極值點。

纖維彎曲階段(bc段)：見圖3中C。在該階段，纖維保持端點與測試盤接觸，但彎曲程度不斷增大。從曲線圖中可以看出，在該階段，隨著纖維彎曲程度的加劇(壓縮位移的增加)，纖維對測試頭施加的壓力逐漸減小。在該階段，曲線表現出良好的線性，纖維對測試盤施加的作用力呈線性減小。

線接觸彎曲階段(cd段)：見圖3中D、E。該階段，纖維的彎曲變形使部分纖維體與測試頭接觸，纖維與測試頭的接觸方式由點接觸變為線接觸，纖維的有效壓縮長度(即承受壓力的纖維長度)變短，同時纖維彎曲加劇。隨著測試頭與纖維的逐漸接近，施加到測試頭上的壓力基本呈線性增加。

彎曲崩潰階段(de段)：見圖3中F。纖維壓縮到一定程度時，彎曲曲線崩潰，在極短的時間內對測試盤施加的壓力急劇下降，纖維上部在本身彈性作用下伸直，重新調整其平衡。

崩潰后階段：由于纖維彎曲崩潰時一端處于夾持器的約束下，另一端基本處于不可控狀態，其曲線形態變化有較大隨機性。

從纖維軸向壓縮曲線中可以提取系列指標對纖維的軸向壓縮性質進行表征，目前的研究最關注的指標為纖維的臨界彎曲載荷，即圖4中極值點b所對應的壓力值，依據纖維的長度、線密度、直徑等還可以推算出纖維材料的彈性比模量、相對抗彎剛度[13]。

除了與臨界彎曲載荷相關的指標即與壓縮曲線ab段相關的指標之外，與曲線bc段相關的指標提取對于刻畫纖維軸向壓縮性質也是非常重要的。bc段為纖維試樣發生彎曲變形后，隨著彎曲程度的增加彎曲載荷的變化情況，可以采用bc段擬合直線的斜率表示其彎曲模量，用該階段對應的壓縮位移長度與試樣長度之比表征纖維試樣容許彎曲變形的能力。同時，由于纖維材料為黏性-彈性材料，試樣在壓縮過程中會產生塑性變形，壓縮過程的返回曲線也可以用來表征纖維受到壓縮變形后的塑性變形情況。圖5所示為20 mm同類纖維試樣的軸向壓縮曲線，虛線為返回曲線。選擇不同的壓縮動程，可以得到不同壓縮變形情況下的塑性變形情況，可用壓縮功的損耗(壓縮與返回曲線間面積)及對應各壓縮階段指標的變化率對纖維材料的塑性進行表征，將在后續研究中進行系統表述。

圖5 纖維的壓縮曲線與返回曲線Fig.5 Fiber axial compressing curve and return curve

此外，由于纖維材料間結構的巨大差異，不同纖維材料的軸向壓縮曲線有不同的特征，試樣長度的變化也會造成曲線形態的較大變化。如大麻纖維由于具有較大的脆性，在試樣長度較短時，會發生脆折現象[8，14]。在本文研究中，對名義試樣長度為3 mm的苧麻纖維(生物脫膠精干麻)進行軸向壓縮測試時，也發現苧麻纖維的普遍脆折現象，典型軸向壓縮曲線如圖6所示。由于苧麻纖維脆性強，加之試樣長度只有3 mm，容許彎曲變形的能力小，因此在受到軸向壓縮時，達到臨界彎曲載荷即發生脆折，壓縮曲線驟然下探，直至下夾持器繼續上行，彎折處與測試頭接觸，開始剩余試樣長度的壓縮，直至發生2次彎折。圖中虛線為壓縮過程達到設定壓縮動程后的返回曲線，由于纖維發生脆折，不能再對測試頭施加作用力，返回曲線呈垂直下降狀。

圖6 苧麻纖維軸向壓縮曲線Fig.6 Axial compression curve of ramie fiber

2.3 軸向壓縮終結點的確定

如前所述，在測試纖維軸向壓縮性能時，與測試頭接觸的纖維端的接觸(約束)條件會隨著壓縮的進行而發生改變，發生“點接觸”到“線接觸”的轉化。對于纖維材料軸向壓縮性能的測試而言，一旦發生接觸條件的轉變，實際上作用性質即發生了變化，因為接觸條件的轉變，造成了試樣實際上壓縮長度的變化。因此，在討論纖維材料軸向壓縮性質時，針對的是點接觸壓縮階段，即圖4所示壓縮曲線c點之前的壓縮階段，c點之后，隨著壓縮的進行，受壓纖維試樣長度在不斷變化，壓縮、彎曲的作用類型也不相同，與c點之前的壓縮過程不具備同一的討論基礎。

3 纖維的軸向壓縮性能的應用

3.1 纖維刺癢感屬性的判斷

應用纖維軸向壓縮性能判斷由其加工而成的紡織品在貼身穿著時可能引起的刺癢感，目前采用的方法是依據纖維臨界彎曲載荷測試結果，如果纖維材料所能承受的臨界彎曲載荷大于0.75 mN[6]，就可以觸發位于皮膚表層的某類痛覺神經感受器，從而產生刺癢感。鑒于刺癢感“很多細小的針尖輕扎-發癢”的感覺特質[15]及其產生機制，在依據纖維的軸向壓縮性能判斷其刺癢感屬性時，需要理清一些基本概念，以實現表述的準確。

1)刺癢感的感覺特質決定了只有纖維端保持與皮膚的“點接觸”，才能成為刺癢感的刺激源，如果是纖維的一段與皮膚接觸，盡管也能對皮膚形成一定的刺激，但不能觸發刺癢感，因為“線接觸”不具備對皮膚“刺扎”的機械作用特質。

2)纖維端觸發皮膚痛覺感受器的根本原因在于能夠對皮膚施加足夠的力，并因此造成了皮膚的針刺狀凹陷，即使在纖維端作用于皮膚的過程中產生了彎曲，或其本身具有初始的彎曲，但只要它保持與皮膚的“點接觸”，且對皮膚的作用力仍大于0.75 mN，就能成為刺癢感的刺激源。

3)纖維端要成為刺癢感的刺激源，要具有一定長度，這對以纖維軸向壓縮性能為依據判斷其刺癢感屬性尤為重要。雖然以纖維材料的臨界彎曲載荷作為判斷其織物產品是否會引起刺癢感及可能引起刺癢感的強弱程度的做法比較普遍，但尚無以纖維長度的測試結果作為判斷依據。為此，本文提出推論如下：其一，觸發刺癢感的痛覺神經感受器位于皮膚的表層，即表皮層或真皮層的淺層[16-17]，而皮膚表皮層的平均厚度一般為0.2 mm[18]，要使皮膚產生足夠的凹陷，觸發位于表皮層的痛覺神經感受器，纖維端應具有不小于0.2 mm的長度；其二，M. Matsudaira等采用改進的音頻提取法(Modified Audio Pick-up)對精紡毛織物刺癢感的客觀評價研究結果表明，長度大于0.2 mm的毛羽其平均接觸作用力與刺癢感主觀評價結果具有良好的相關性[19]。因此，可將0.2 mm長度作為布面纖維端是否能觸發痛覺感受器的臨界長度。在以纖維軸向壓縮臨界彎曲載荷判斷其刺癢感屬性時，可對0.2 mm的纖維試樣進行壓縮測試，如果試樣制備困難，也可采用較長試樣進行測試，再依據臨界彎曲載荷與試樣長度的關系[13]，推算其0.2 mm長時具有的臨界彎曲載荷，并依此做出判斷。

4)痛覺神經的反應總量對于刺癢感的觸發是必不可少的，即刺癢感具有面的屬性。一方面，如果與皮膚的接觸面積小于5 cm2，即使有刺扎的織物也不會引起皮膚的刺癢感，盡管此時一些痛覺感受器已被觸發；另一方面，織物產生的刺癢感的程度決定于織物表面高承載纖維頭端的密度[17]。以纖維軸向壓縮性質判斷的只是在其他條件完全相同的情況下，是否會產生刺癢感及可能產生的刺癢感的相對強弱，具體織物的刺癢感受到諸多因素的影響，只能具體進行主觀的或客觀的評價，即依據纖維軸向壓縮性能判斷的只是該纖維是否具有產生刺癢感的可能性。

3.2 應用展望

綜上所述，纖維材料的軸向壓縮可以測試其臨界彎曲載荷及彎曲變形后的模量、彈性和塑性，對于毯類等起絨織物的起絨效果、絨面質量及其受到軸向壓縮作用后的耐久性也可以進行定量分析。鑒于起絨織物表面纖維的壓縮屬于有一定密度的、有序排列的纖維集合體的壓縮，纖維之間還存在一定相互作用，但單根纖維的性能也會對集合體的性能產生較大的影響，是纖維原料選擇、織物參數設計的重要依據，仍需要進一步的研究。

4 結 論

1)在進行纖維軸向壓縮性能測試時，纖維端的約束條件在壓縮過程中是不斷變化的，與測試頭接觸的纖維端的接觸(約束)條件隨著壓縮的進行而發生改變，發生“點接觸”到“線接觸”的轉化；在討論纖維材料軸向壓縮性質時，針對的應是“點接觸”壓縮階段；纖維試樣發生彎曲變形后的性能特征可用相應壓縮曲線的擬合直線斜率表示其彎曲模量，用該階段對應的壓縮位移長度與試樣長度之比表征纖維試樣容許彎曲變形的能力；不同壓縮變形情況下的塑性變形情況，可用壓縮功的損耗及對應各壓縮階段指標的變化率進行表征。

2)在以纖維軸向壓縮性能為依據判斷其刺癢感屬性時，只有纖維端保持與皮膚的“點接觸”，才能成為刺癢感的刺激源；即使在纖維端作用于皮膚的過程中產生了彎曲，或其本身具有初始的彎曲，但只要它保持與皮膚的“點接觸”，且對皮膚的作用力仍大于0.75 mN，它就能成為刺癢感的刺激源；纖維端要成為刺癢感的刺激源，要具有一定長度，可將0.2 mm長度作為布面纖維端是否能觸發痛覺感受器的臨界長度；在以纖維軸向壓縮臨界彎曲載荷判斷其刺癢感屬性時，可對0.2 mm長纖維試樣進行壓縮測試，或采用較長試樣進行測試，再依據臨界彎曲載荷與試樣長度的關系，推算其0.2 mm長時具有的臨界彎曲載荷，并依此做出判斷。

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Test of axial compression performance of fiber and determination of prickle property thereof

MAO Ning, AO Limin, ZHOU Qi, PAN Yangying, LIU Yu, XIA Jianwu

(CollegeofMaterialandTextileEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang314001,China)

To investigate fiber axial compressing performance and its prickle property, the test equipment and test method were modified. The changes of contact conditions between the fiber sample and the test-head and the corresponding changes in the compression curves during the test were analyzed, and the methods to determine fiber prickle properties applying fiber axial compressing performance were elaborated.The results showed that the contact condition of the fiber sample and the test-head might change from ″point contact″ to ″line contact″ when testing the axial compression bending deformation of fiber samples. Therefore, the axial compressing performance test should be determinated with the finish of the ″point contact″ stage. When the prickle properties of fibers were determine according to their axial compressing performances, the contact condition between the fiber-end and the skin should be ″point contact″, and the length of the fiber-end should be more than 0.2 mm, and can withstand an axial load no less than 0.75 mN.

axial compression; contact condition; bending deformation; prickle

10.13475/j.fzxb.20140202707

2014-02-21

2014-06-02

浙江省大學生科技創新活動計劃項目(2013R417022)

毛寧(1993—)，男，本科生。研究方向為紡織纖維性能測試。敖利民，通信作者，E-mail：aolimin@126.com。

TS 102.1

A