試驗參數對氨綸絲彈性指標的影響

周方穎　王鋼

摘要：利用電子單絲強力儀，按照L16（43）正交表設置拉伸速度、拉伸停置時間和松弛停置時間，測試纖度為33.3 dtex、定伸長率為300%的氨綸絲定伸長拉伸彈性。分析氨綸絲彈性回復率和應力松弛率兩項指標發現，拉伸速度影響最為顯著，拉伸停置時間和松弛停置時間的影響效果因指標不同而有差異；試驗時，綜合考慮試驗效果和效率，可以選擇較大的拉伸速度、較長的松弛停置時間和較短的拉伸停置時間。

關鍵詞：彈性回復率；應力松弛率；松弛停置時間；拉伸停置時間；拉伸速度；氨綸絲

中圖分類號：TS151.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）02-0021-04

Abstract：This paper sets stretching speed， stretching time and relaxation time according to L16（43） orthogonal table with electronic monofilament strength tester and tests specified elongation and tensile elasticity of spandex filament with fineness 33.3 dtex and specified elongation 300%. The analysis on elastic recovery rate and stress relaxation rate of spandex filament finds that stretching speed has the most significant influence and impact effect of stretching time and relaxation time is different due to difference in index. During the test， considering test effect and efficiency， high stretching speed， long relaxation time and short stretching time can be selected.

Key words：elastic recovery rate； stress relaxation rate； relaxation time； stretching time； stretching speed； spandex filament

氨綸絲是一種綜合性能優良的新型紡織原料，其超高的伸長率和優良的彈性回復性能顯著提高了服裝的舒適性和耐用性，因此被廣泛地應用于紡織行業[1]。采用專用于氨綸絲性能測試的HD009N電子單絲強力儀測試，可以獲得氨綸絲定伸長拉伸彈性的多項指標，其參數設置大部分參照FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗方法》；但對于另一些對氨綸絲彈性回復性能有貢獻的參數，目前已有的試驗方法中沒有提及，由于它們都是影響氨綸絲彈性性能的重要參數，因此有必要加以分析。

本文分析的試驗參數有拉伸速度、拉伸停置時間、松弛停置時間。采用正交試驗的方式，通過分析主次因素，得出對氨綸絲彈性回復性能影響較大的參數，以便為試驗和生產中的參數設置提供借鑒。

1試驗

1.1材料及儀器

材料：選纖度為33.3 dtex的氨綸絲（江蘇雙良氨綸有限公司）若干，在實驗室條件下平衡24 h。均等地從每個卷裝上以不少于2 m的不等間隔剪取，試樣長約1.25 m，制成試驗樣本。

儀器：HD009N電子單絲強力儀（南通宏大實驗儀器有限公司）。

1.2方案

在HD009N電子單絲強力儀上，對氨綸絲進行定伸長拉伸彈性試驗。按照L16（43）正交表[2]設計試驗參數，參數包括拉伸速度、拉伸停置時間和松弛停置時間的水平值，如表1所示。按表1進行試驗，測試獲得16組氨綸絲的彈性回復率及應力松弛率。

1.3試驗條件

在HD009N電子單絲強力儀上，對氨綸絲進行定伸長條件下的多次循環彈性試驗。上下夾持器隔距為50 mm，預加張力按照（0.01±0.001）cN/tex設置為0.03 cN，定伸長率為300%，重復拉伸次數為6次。

1.4指標定義

為了更好地表征氨綸絲的定伸長拉伸彈性性能，HD009N單絲強力儀采集數據并計算出定伸長負荷、彈性回復率、塑性變形率和應力松弛率4項指標，各指標的計算參照式（1）—（4），式中各變量的物理意義如圖1所示。其中E1表示第一次拉伸達到的預加張力點；E2表示第一次拉伸達到的定伸長點；E3表示最后一次拉伸達到定伸長并松弛一段時間后的終點；E4表示最后一次拉伸結束回到的負荷零點；E5表示循環結束后達到的預加張力點；L0表示氨綸絲的拉伸起點，代入式（3），為上下夾持器設定隔距。計算時，代入公式中各變量所代表坐標點的對應力值或伸長值[3]。

2結果與討論

2.1試驗結果

按照L16（43）正交表的設計進行試驗，得到氨綸絲定伸長拉伸彈性指標結果及數據處理[4]如表2所示。表2中，T1表示彈性回復率指標，T2表示應力松弛率指標；K1、K2、K3、K4分別表示各因素在各水平下對應的彈性回復率和應力松弛率的均值；R表示某因素不同水平K值的極差。

2.2結果分析

a）從表2看出：對彈性回復率而言，松弛停置時間的極差R最大，影響最顯著，拉伸速度次之，拉伸停置時間的影響最小；對應力松弛率而言，拉伸速度影響最為顯著，拉伸停置時間次之，松弛停置時間最小。比較這兩個影響因素的R值可以得出：拉伸速度對兩者的影響較為顯著，因此可以將拉伸速度作為對氨綸絲拉伸性能影響的主要因素。

b）氨綸絲在做拉伸運動時，外力對其做功W1使大分子鏈伸長；當其回復時，大分子鏈重新蜷曲對外界做功W2。由于纖維材料具有的黏彈性的特點[5]，因此W1、W2不等同，由此產生內耗。高聚物內耗與頻率有關，當頻率或者速度較低時，氨綸絲鏈段的運動跟得上外力的變化，內耗很小，氨綸絲的彈性回復率較高；反之，拉伸速度較高時，氨綸絲鏈段的運動跟不上外力的變化，內耗較大，彈性回復率隨之降低[6]。表2的數據證實了這一點。

松弛停置是指氨綸絲所受張力為0時，蠕變回縮的過程，這個過程產生的原因是氨綸絲內部大分子運動的結果。由于氨綸絲是最接近于彈簧的一種紡織材料，它在應力為0時，理想狀態應回復為初始形態；但由于氨綸絲中的軟鏈段并不等同于彈簧，因此在這個過程中，它的回復只能無限接近初始形態，恢復氨綸絲原有的“彈性勢能”，如圖2所示。隨著停置時間的延長，氨綸絲的彈性回復率增加。

拉伸停置是對氨綸絲進行一定的拉伸作用后進行結構調整。氨綸絲被拉伸至定伸長后，在試驗設定的拉伸停置時間段內，內部大分子相互穿插尋找最適合的位置，釋放應力，結構調整產生“亂象”，使相互平行伸直的鏈因相互纏結形成“結點”，阻礙了氨綸絲的回彈，結果使其彈性回復率呈下降趨勢，如圖3所示。

從表2影響因素的極差可以看出，松弛停置時間與拉伸速度幾乎相等，表明松弛停置時間對氨綸絲彈性回復所做的“正功”與拉伸速度所做的“負功”接近相等。因此，試驗中若采用較大的拉伸速度時，也應采用較長的松弛停置時間，以使氨綸絲的彈性性能得到必要的修復。

c）從表2應力松弛率的K值可以看出，拉伸速度越大，氨綸絲的應力松弛率越大。對氨綸絲進行拉伸將會產生伸長，在這樣的伸長中，既包含大分子鏈上鍵長的伸長和鍵角的張開，即急彈性伸長，也包含大分子之間的相對滑移而產生的伸長，即緩彈性伸長。當拉伸速度大時，單位時間內氨綸絲的伸長量增大，需要克服大分子內結合能以及大分子間結合能，因此產生較大的內應力，即圖1中的E2較大[78]。在這個過程中，E3也會隨著拉伸速度的增加而有所增加，但由于纖維黏彈體的特點，其增加幅度小于E2。按式（4）可得：應力松弛率/%=（E2-E3）/E2×100=（1-E3/E2）×100。因此，在其他條件相同的情況下，拉伸速度大的可以獲得較大的應力松弛率。但是，較大的應力松弛率表明，氨綸絲在速度較高的條件下進行拉伸，其形態易發生變化，尺寸穩定性較差[910]。

同樣，拉伸停置對氨綸絲應力松弛的作用可以從圖1中看出。時間越長，E3越小，應力松弛的效果越好。松弛停置發生時氨綸絲張力為0，此時氨綸絲發生蠕變回縮。由于此時張力為0，內部應力改變緩慢，從測試結果看，應力松弛率變化很小。

d）從試驗結果和以上的分析討論可以得出，在HD009N電子單絲強力儀上，對氨綸絲進行定伸長拉伸彈性試驗時，應選擇的測試參數除了本文1.3提到的內容外，還應考慮拉伸速度的設定；而拉伸停置時間和松弛停置時間對于彈性回復率和應力松弛率的影響差別較大，鑒于氨綸絲的彈性回復率指標的重要性，應對松弛停置時間加以控制。

從前面的分析看出，為了獲得較大的彈性回復率，結合表2的試驗結果及試驗效率，拉伸速度建議500 mm/min；同時建議使用氨綸絲進行生產的過程中，為了保證氨綸絲良好的彈性回復性能和較穩定的氨綸絲形態，其卷繞速度應適當降低。松弛停置時間應以長為宜，但從試驗效率看，可以選擇40 s。此外，雖然拉伸停置時間不是主要因素，并且鑒于它對氨綸絲彈性回復率的“負貢獻”，宜選用較短的拉伸停置時間，建議20 s。

3結論

本文利用HD009N電子單絲強力儀，按L16（43）正交表設置拉伸速度、拉伸停置時間和松弛停置時間，測試纖度為33.3 dtex、定伸長率為300%氨綸絲的拉伸彈性，結果表明：

a）結合彈性回復率和應力松弛率兩項指標看，拉伸速度的影響最為顯著；拉伸速度增加，彈性回復率減小，應力松弛率增加。

b）拉伸停置時間和松弛停置時間對氨綸絲的彈性回復率和應力松弛率的貢獻各自不同，但其作用不用忽視，在試驗時應作為參數進行設置。

c）在HD009N上測試氨綸絲的拉伸彈性時，為了獲得較好的彈性回復率和應力松弛率，同時結合試驗效率，建議選擇拉伸速度為500 mm/min，松弛停置時間為40 s，拉伸停置時間為20 s。

d）在使用氨綸絲進行生產時，為了保證其良好的彈性回復性能和穩定的形態尺寸，建議適當降低生產速度，并且設有一定的停置回復時間。

參考文獻：

[1] 劉京奇，李曉慶，李娟.氨綸絲常見斷絲原因分析及解決辦法[J].針織工業，2015，43（5）：31-33.

[2] 何為，薛衛東，唐斌.優化試驗設計方法及數據分析[M].北京：化學工業出版社，2012：1-30.

[3] 周方穎，邢建偉.氨綸絲重復拉伸性能的測試與模型分析[J].絲綢，2013，50（10）：34-39.

[4] 李志西，杜雙奎.試驗優化設計與統計分析[M].北京：科學出版社，2010：152-167.

[5] 何曼君，陳維孝，董西俠.高分子物理[M].修訂版.上海：復旦大學出版社，2000：343-359.

[6] 游革新，曾韜，楊波，等.拉伸速率對氨綸力學性能的影響研究[J].合成纖維，2015，44（9）：6-9.

[7] 姚穆，周錦芳，黃淑珍，等.紡織材料學[M].2版.北京：中國紡織出版社，1990：380-385.

[8] 于偉東，儲才元.紡織物理[M].上海：東華大學出版社，2002：113-125.

[9] 高緒珊，吳大誠.紡織應用物理學[M].北京：中國紡織出版社，2001：346-349.

[10] 周方穎，張一心.堿、雙氧水及熱處理對氨綸絲力學性能的影響[J].絲綢，2014，51（6）：11-15.

（責任編輯：康鋒）