單纖維柔軟性的新型測試方法與優化

徐曉霞， 危惠敏， 付少舉， 張佩華

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

單纖維柔軟性的新型測試方法與優化

徐曉霞1,2， 危惠敏1,2， 付少舉1,2， 張佩華1,2

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

針對目前測量單纖維柔軟性的方法中公式復雜、測量誤差大和測量范圍受限等問題，設計了一種新型的單纖維柔軟性測試方法。詳細描述了所設計的模具并闡述了制樣方法，測試了不同彎曲剛度的聚乳酸和聚丙烯單纖維的壓縮力，以表征單纖維的柔軟性能；探討了不同的制樣根數及壓腳直徑對該測試方法精準性的影響程度，并對測試參數進行了優化。結果表明：本文方法可通過壓縮力的大小有效地表征單纖維的柔軟性，具有測試方法簡單、適用范圍廣的優點；同時根據單纖維柔軟性測試參數得出，壓腳直徑為10 mm，制樣根數為10時，可更好地減少試驗誤差。

單纖維； 柔軟性； 壓縮力； 測試方法

纖維柔軟度一般用抗彎剛度的倒數來表示，抗彎剛度越小，則纖維柔軟度越好[1]。目前用于衡量纖維或紗線柔軟性的指標主要有初始模量[2]、彎曲剛度[3]、纖維集合體的壓縮性能[4]，初始模量測試中材料需要充分平衡，此方法主要用于理論研究和實驗室測試；彎曲剛度的測試方法包括三點彎曲法[5-6]、懸臂梁法[7]、圈狀環掛重法[8]以及單纖維軸向壓縮彎曲法[9]，采用的公式復雜，誤差大，使測量范圍受限[10-11]；纖維集合體壓縮性是將一定量的松散纖維放入固定橫截面積的圓筒，利用壓縮儀等對纖維進行壓縮[12]，該方法綜合了纖維直徑、抗彎剛度以及表面摩擦性能的影響[13]。

采用初始模量或彎曲剛度的測試方法來表征單纖維柔軟性時，存在如下問題：纖維的初始模量一般通過具有一定量程的單紗或單纖強力儀間接獲得[3]，高強高模的單纖維測試時強力值會超過量程范圍，且柔軟性相當的單纖維得到的初始模量的數值差異不大；選用彎曲剛度測試時，不能達到簡單、柔性、定量化的測試要求，試驗誤差大。此外受儀器制作困難或試驗誤差大等條件限制，難以實施；纖維集合體壓縮性測試方法主要應用于絕大多數羊毛類材料[13]。目前沒有專門針對單纖維柔軟性的測試方法。

為研究和表征單纖維柔軟性能，本文研究參考FZ/T 01054.4—1999《織物風格試驗方法 彎曲性能試驗方法》，自主設計了一種模具以及制樣方法，提出了利用壓縮儀測試多根單纖維壓縮力來表征單纖維柔軟性的技術措施。采用的壓縮儀是人體生物管道壓縮彈性測試儀，研究了不同壓腳直徑與制樣根數下試樣的圧縮力，探討了此方法的可行性，并優化了用壓縮力表征單纖維柔軟性的測試參數。

1 單纖維柔軟性測試原理與方法

1.1測試原理

圖1示出單纖維壓縮力測試原理。

將5～25根單纖維對彎成豎向瓣狀環夾持在自制的模具中，放置在測試平臺上，利用壓縮儀的壓腳對拱起的試樣進行壓縮，隨著變形的增大，單纖維的彎曲應力與應變逐漸增大，并待試樣受壓至一定位移后使其回復，根據試樣在壓縮過程中的應力與應變曲線，得出單纖維壓縮至設定的最大位移時的壓縮力。壓縮力越大，表明單纖維剛度越大，反之柔軟。

1.2測試方法

1.2.1試樣的制備

圖2示出試樣的制備示意圖。先將單纖維卷繞在紗管上形成一定的圈數，且保持每圈的單纖維緊密排列(見圖2(a))，然后將膠帶固定在卷繞后的單纖維表面(見圖2(b))，用小刀從膠帶的中間劃開，使多根單纖維被固定在膠帶的兩端平行排列(見圖2(c))，將被固定好的單纖維的兩端彎曲成拱形(見圖2(d))，擰開模具左右兩側的旋鈕，將成拱形的單纖維兩端夾入模具的左右兩側后擰緊旋鈕，形成具有一定高度的拱狀(見圖2(e))。

圖2 試樣制備示意圖Fig.2 Sketches of sample preparation. (a) Winding filaments; (b) Fixing filaments; (c) Spreading filaments; (d) Bending filaments; (e) Clamping filaments

1.2.2測試方法與指標

選擇LLD-06D型人體內生物管道壓縮彈性測試儀(山東萊州電子儀器有限公司)，采用如圖1所示的定距離徑向壓縮法測試單纖維的壓縮性能。

2 材料的選擇與結果分析

2.1測試用材料的選擇

材料采用上海天清生物材料有限公司提供的3種聚乳酸(PLA)單纖維(編號為S1～S3)以及東華大學纖維材料改性國家重點實驗室提供的聚丙烯(PP)單纖維(編號為S5～S7)和PLA單纖維(S4)，其基本性能如表1所示。

表1 單纖維的基本性能Tab.1 Basic properties of PLA monofilament

由表1中初始模量的數值可知，同一條件下生產的S1、S2、S33種單纖維彎曲剛度大小順序為S1>S2>S3,PP單纖維的彎曲剛度大小順序為S7>S6>S5。

2.2試驗結果與分析

選擇S1、S2和S33種單纖維，制樣根數為10，壓腳直徑選擇5、10、15、20、25 mm，3種PLA單纖維所受的壓縮力與壓腳直徑的關系如圖3所示。

圖3 不同壓腳直徑下3種材料的壓縮力Fig.3 Compressive strength of three materials under different diameters of presser foot

由圖3中可知，在不同壓腳直徑下，3種材料的壓縮力關系均為S1>S2>S3。測試結果與材料初始模量的大小相匹配，證明此方法表征單纖維柔軟性具有可行性。同時，利用不同壓腳直徑所測的壓縮力差異較小且具有相同的變化趨勢，由此證明壓腳直徑并不影響這種測試方法的準確性。為使測試方法更加精確，壓腳直徑具有最優化的參數，在后續優化試驗中詳細討論。

3 單纖維柔軟性測試參數優選分析

3.1壓腳直徑與制樣根數的優選

分別選取5、10、15、20、25 mm 5種壓腳直徑對制樣根數為5、10、15、20、25的PLA單纖維(S1)進行徑向壓縮測試，以探索最優的壓腳直徑以及制樣根數，每種試樣壓縮3次，測試結果取平均值。為減少試驗過程中的制樣誤差以及壓腳與材料接觸不勻等產生的誤差，對PLA單纖維(S4)進行了同樣的試驗。壓腳直徑以及制樣根數不同對試樣壓縮性能的影響如圖4、5所示。

圖4 壓腳直徑以及制樣根數對S1壓縮性能的影響Fig.4 Influence of diameter of presser foot and number of sample preparation on compressive properties of S1

圖5 壓腳直徑以及制樣根數對S4壓縮性能的影響Fig.5 Influence of diameter of presser foot and number of sample preparation on compressive properties of S4

理論上，在同一壓腳直徑下，纖維束的總壓縮力是單根纖維壓縮力的總和，壓縮力應隨制樣根數呈線性增加。根據數理統計，可用R2來表征多參數的線性擬合度。R2越接近于1，線性擬合度越好[14]。從圖4、5可看出，壓腳直徑為5 mm時，2種材料的擬合度均最差(R2最小)，并且在每種制樣根數下測得的壓縮力均偏小。其原因是壓腳面積太小，以致多根單纖維形成的拱形寬度與壓腳直徑相當，在壓縮過程中部分單纖維被擠出，未參與到后續壓縮過程中，導致壓縮力比實際值偏低。如圖4中5 mm壓腳直徑下，25根單纖維測得的壓縮力甚至與20根單纖維的相當，由此說明，壓腳過小或者制樣根數過多，這種測試方法都存在誤差。圖4中，S1的壓縮力在10、25 mm的壓腳下擬合度最高；圖5中，S4的壓縮力在10 mm的壓腳下擬合度最高。但是，在25 mm壓腳下，制樣根數為20、25時，壓縮力數值明顯高于其余壓腳直徑，且從誤差結果來看，在10 mm壓腳下，多次測量結果的偏差更小，數據重現性更好，因此壓腳直徑優選10 mm。

圖4、5顯示，在各個壓腳直徑下，制樣根數越多，誤差越大，數據重現性越差。原因是根數越多的樣品被夾持在模具后使每根單纖維形成的拱形不易保持在同一高度，測量誤差大，因此選擇較小的制樣根數可避免此類誤差。但是，當制樣根數小于10時，整體的壓縮力值比較小，對于測量儀器的精度要求比較高。特別當被測單纖維的柔軟性非常好時，較少的制樣根數導致試樣的壓縮力不能被儀器檢測出來，因此，選擇10根制樣比較合理。

綜合以上分析，為同時減少制樣根數過多使壓腳與材料不能充分接觸以及制樣根數過少由試樣自身的選擇帶來誤差等，最終的優化結果為：壓腳直徑10 mm，制樣根數10。

3.2優化測試結果分析

為進一步驗證優化結果可行性，采用S5、S6、S7在所得優化條件下進行壓縮性測試，試樣被反復壓縮10次后取平均值。材料的壓縮力測試結果如表2所示。

表2 3種PP單纖維的優化測試結果Tab.2 Optimized test results of three kinds of PP filaments

由表2中的數據可知，材料的壓縮力大小順序為S7>S6>S5，即彎曲剛度大小順序為S7>S6>S5，符合實際情況，且每種PP在經過10次壓縮后，得到的數值之間的CV值也較小，即10根試樣在10 mm的壓腳下可被充分接觸并壓縮，測試結果誤差小。

4 結 論

本文探討利用壓縮力表征單纖維柔軟性的方法，通過壓縮儀測試單纖維的最大壓縮力值，試驗結果顯示可行。

為減少試驗過程中制樣以及壓腳與材料接觸不勻等產生的誤差，對壓腳直徑和制樣根數2個參數進行優選，優化結果為：壓腳直徑10 mm，制樣根數10，在此條件下能更好地減少試驗誤差。

在優選的試驗參數下，測試了3種PP單纖維的壓縮性能，結果表明此測試條件下不僅有效地表明單纖維柔軟性的大小，同時單纖維經過多次壓縮后得到的數值之間的差異小。

FZXB

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Noveltestmethodandoptimizationforcharacterizingflexibilityofmonofilaments

XU Xiaoxia1,2, WEI Huimin1,2, FU Shaoju1,2, ZHANG Peihua1,2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to solve the problems of complex measurement methods and formula, too large measurement error and limited range for measuring the flexibility of monofilament, a novel method was designed. The self-designed mold and the unique way of preparing samples were described in detail, and several polylactic acid and polypropylene filaments with different flexibilities were chosen to test the compressive strength. The method for preparing samples was described, and the influence parameters of different sample numbers and diameters of presser foot were discussed, and the feasibility of the method using the compressive strength to characterize the filaments flexibility was proved. The results show that the method by testing the compressive strength of monofilaments can characterize the flexibility effectively, simply and widely. By optimization of the test parameters, it′s more advantageous to reduce the test error when the optimal parameters of the number of sample preparation and the diameter of presser foot are 10 and 10 mm, respectively.

monofilament; flexibility; compressive strength; test method

10.13475/j.fzxb.20170304805

TS 101.4

A

2017-03-01

2017-07-26

高等學校學科創新引智計劃資助項目(B07024)

徐曉霞(1992—)，女，碩士生。主要研究方向為埋植線的改性及表征。張佩華，通信作者，E-mail：phzh@dhu.edu.cn。