雙端固定式軸向壓彎法測(cè)量滌綸單纖維抗彎性能

文/周 雪 黃新林 紀(jì) 峰

柔性的紡織纖維材料在各種加工過程中以及其制成品在使用過程中都會(huì)因外力作用產(chǎn)生彎曲變形。纖維的抗彎性能直接或間接地影響纖維制品的性能和品質(zhì)，如服裝的懸垂風(fēng)格及穿著合體舒適性、靠墊的回彈性、不同纖維毛刷的柔軟度和清潔能力等。滌綸是目前世界上產(chǎn)量最大的合成纖維，廣泛應(yīng)用于服裝、家紡及工業(yè)用纖維制品，如毛刷、印刷絲網(wǎng)、過濾材料等，其單絲的抗彎性能嚴(yán)重影響甚至決定了相應(yīng)產(chǎn)品的品質(zhì)，因此，如何精確測(cè)量滌綸單纖維的抗彎性能尤其成為關(guān)注的重點(diǎn)。

當(dāng)前文獻(xiàn)中，評(píng)價(jià)纖維抗彎性能主要用彎曲剛度和纖維抗彎力作為指標(biāo)。測(cè)量彎曲剛度的方法有三點(diǎn)彎曲法、心形法、懸臂梁法和線圈掛重法等。三點(diǎn)彎曲法測(cè)試原理如圖1(a)所示，固定試樣兩端，在試樣中部施加載荷力，彎曲剛度可由試樣長(zhǎng)度、試樣變形程度及載荷力計(jì)算，該方法主要用于測(cè)量硬質(zhì)材料的彎曲剛度，不適合測(cè)試柔性纖維材料的彎曲剛度；心形法測(cè)試原理如圖1(b)所示，將纖維圈呈心形夾持在夾頭中，以心形的面積表示其彎曲剛度，該方法多用于測(cè)量織物材料的抗彎剛度，對(duì)于纖細(xì)柔軟的纖維制樣困難，不適合測(cè)纖維彎曲；懸臂梁法測(cè)試原理如圖1(c)所示，試樣一端固定，因試樣自重或外加載荷而發(fā)生彎曲，通過載荷大小及自由端的撓度計(jì)算彎曲剛度，該方法一般適用于硬挺度大的材料，不適合測(cè)柔軟的纖維材料；線圈掛重法測(cè)試原理如圖1(d)所示，通過外加載荷下線圈的變形來研究試樣的彎曲剛度，該方法一般適用于剛度大的長(zhǎng)絲的測(cè)量。

圖1 彎曲剛度的測(cè)試方法

上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司研制了單端固定式單纖維壓縮彎曲儀，如圖2所示。纖維豎直放置，下端由夾持器固定，上端為自由端。測(cè)試時(shí)，夾持器握持纖維上移，纖維上端刺入測(cè)試盤的微坑中發(fā)生彎曲，傳感器與測(cè)試盤相連，感應(yīng)纖維軸向的張力。但纖維自由端在微坑中仍會(huì)發(fā)生滑移，彎曲發(fā)生時(shí)，纖維對(duì)測(cè)試盤的壓力方向隨纖維所觸微坑方向變化而改變，導(dǎo)致纖維彎曲過程不可控，試驗(yàn)可重復(fù)性較差。東華大學(xué)提出了測(cè)量束纖維的壓縮力來表征纖維柔軟性的方法措施，如圖3所示。將5～25根單纖維構(gòu)成的纖維束彎成環(huán)狀兩端夾持在模具中，對(duì)束纖維中部施加壓力，以試樣的抗壓力表征纖維的柔軟性。但多根纖維同時(shí)測(cè)量，只能得到束纖維的總體抗彎性，無法得到單根纖維的抗彎測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2 單端固定式單纖維彎曲測(cè)試

圖3 束纖維壓縮力測(cè)試

為了研究和表征纖維材料的抗彎性能，獲得準(zhǔn)確、可靠的測(cè)試結(jié)果，本文提出了雙端固定式軸向壓彎試驗(yàn)方法測(cè)量單纖維的抗彎性能，并依據(jù)該方法開發(fā)了單纖維彎曲儀。以纖維材料的最大抗彎力為指標(biāo)，測(cè)量滌綸單纖維的抗彎性能，研究方法的可行性及測(cè)試穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，分析影響滌綸單纖維抗彎性能的主要因素。

1 雙端固定式軸向壓彎法

1.1 試驗(yàn)原理

圖4顯示雙端固定式軸向壓彎法測(cè)量單纖維抗彎性能的試驗(yàn)原理。取50mm～70mm的纖維試樣，纖維豎直放置，上下兩端分別由上、下夾持器所夾持，在下夾持器閉合前，由定重張力夾確保纖維處于伸直但不伸長(zhǎng)的狀態(tài)。裝置中的上夾持器位置固定不動(dòng)，并與測(cè)力傳感器相連，可實(shí)時(shí)獲取纖維軸向的應(yīng)力大小及纖維抗彎力。下夾持器與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可在豎直方向上勻速移動(dòng)。單纖維抗彎測(cè)試中，下夾持器首先以設(shè)定的速度勻速上升，纖維受到軸向壓彎力，隨著下夾持器上升位移逐漸增加，纖維在軸向上被壓縮至發(fā)生彎曲，且彎曲變形逐步增大。

圖4 雙端固定式軸向壓彎法測(cè)試原理

測(cè)試過程中，與上夾持器相連的力傳感器及信號(hào)處理器裝置實(shí)時(shí)測(cè)量纖維軸向的應(yīng)力變化，傳輸至電腦，并繪制纖維抗彎力隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 單纖維抗彎測(cè)試試驗(yàn)曲線

單纖維抗彎試驗(yàn)曲線橫坐標(biāo)為下夾持器上升的時(shí)間（單位:s），也可由速度換算為下夾持器上升的位移量（單位:mm），縱坐標(biāo)為纖維試樣的實(shí)時(shí)抗彎力大小（單位:10cN）。

t

：纖維由上、下夾持器握持，處于伸直不伸長(zhǎng)的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)纖維形態(tài)如圖4(a)所示。

t

：纖維受到逐漸增大的軸向壓力，產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)力并迅速增大，對(duì)應(yīng)纖維形態(tài)如圖4(b)所示。

t

：下夾持器繼續(xù)勻速上升，纖維在

t

時(shí)刻開始發(fā)生彎曲，對(duì)應(yīng)纖維形態(tài)如圖4(c)所示，此階段中，隨著纖維彎曲變形的增加，纖維抗彎力緩慢增大，增幅變緩。

t

：如圖4(d)所示，此時(shí)的纖維抗彎力達(dá)到最大值，此后，隨著纖維彎曲變形繼續(xù)增加，纖維抗彎力緩慢減小。

t

：纖維彎曲變形顯著，如圖4(e)所示。

從單纖維抗彎試驗(yàn)曲線總體趨勢(shì)來看，纖維在受到軸向壓力發(fā)生彎曲后，抗彎力首先逐漸增大，在達(dá)到峰值后再緩慢減小。整個(gè)抗彎測(cè)試過程中，抗彎試驗(yàn)曲線的峰值，即傳感器測(cè)量得到的最大抗彎力(單位：10cN），代表纖維抵抗彎曲變形的能力，因此被用作表征纖維抗彎性能的指標(biāo)。

1.2 測(cè)試儀器

雙端固定式軸向壓彎法單纖維彎曲測(cè)試儀整體設(shè)備如圖6所示。儀器由主機(jī)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)兩部分組成，兩者由多芯電纜相連。在纖維抗彎性能測(cè)試過程中，纖維抗彎力信息傳輸并保存至計(jì)算機(jī)，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示抗彎力曲線變化，測(cè)試結(jié)束后顯示纖維試樣的最大抗彎力值。

圖6 雙端固定式軸向壓彎法抗彎力測(cè)試儀

儀器操作步驟如下：

對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零、校準(zhǔn)，取下校準(zhǔn)砝碼，計(jì)算機(jī)顯示張力數(shù)值歸零；用鑷子將纖維試樣引至上下夾持器6、7鉗口中間部位，纖維下端夾持定重張力夾使其伸直；按下自動(dòng)按鈕9或上夾按鈕5使上夾持器6閉合；稍等試樣穩(wěn)定后再次按下自動(dòng)按鈕9或下夾按鈕8，下夾持器7閉合；取下張力夾，按啟動(dòng)按鈕11，下夾持器7開始以設(shè)定速度上升，傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量纖維試樣的軸向張力變化并傳輸至計(jì)算機(jī)。當(dāng)下夾持器7達(dá)到預(yù)設(shè)的位移量后，下夾持器7停止向上移動(dòng)，上、下夾持器6、7鉗口自動(dòng)打開，下夾持器7返回至初始位置，一次單纖維抗彎試驗(yàn)完成。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

選取線密度不同的7種滌綸長(zhǎng)絲樣品，進(jìn)行抗彎性能測(cè)試，試樣線密度如表1所示。滌綸長(zhǎng)絲線密度的單位為tex，表示1000m長(zhǎng)的纖維在公定回潮率時(shí)的質(zhì)量克數(shù)。

表1 滌綸樣品線密度

2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

隨機(jī)取樣，取不同線密度滌綸長(zhǎng)絲樣品各10m，末端掛上30g砝碼，在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中垂直懸掛24h，消除滌綸長(zhǎng)絲因儲(chǔ)存或運(yùn)輸產(chǎn)生的彎曲，使長(zhǎng)絲伸直。

從上述各類型滌綸長(zhǎng)絲樣品中分別隨機(jī)抽取90根纖維試樣進(jìn)行抗彎性能測(cè)試，試樣長(zhǎng)度為60mm。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。其中，試樣夾持隔距為10mm，試樣夾持隔距是指測(cè)試開始前上下夾持器之間的距離，是滌綸試樣實(shí)際參與試驗(yàn)的長(zhǎng)度。用鑷子將纖維試樣引至夾持器上時(shí)，纖維下端夾持定重張力夾使其伸直但不伸長(zhǎng)，1滌綸試樣選取1.00cN的定重張力夾, 2、3和4滌綸試樣選取1.35cN的定重張力夾, 5、6和7滌綸試樣選取2.00cN的定重張力夾。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

使用雙端固定式單纖維抗彎測(cè)試儀對(duì)上述滌綸試樣進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)測(cè)纖維彎曲過程中的抗彎力變化情況，記錄試樣的最大抗彎力。對(duì)每一種滌綸試樣，計(jì)算各次試驗(yàn)的最大抗彎力的平均值及變異系數(shù)，分析測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，分析滌綸單纖維的線密度對(duì)其抗彎性能的影響效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性

7種不同線密度的滌綸長(zhǎng)絲樣品，每份試樣測(cè)量90次，計(jì)算最大抗彎力的平均值和變異系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 抗彎性能測(cè)試結(jié)果

從表3中的變異系數(shù)大小可看出，除最細(xì)的1.78tex滌綸試樣外，其他試樣的最大抗彎力變異系數(shù)都在20%以內(nèi)。2.67tex及以上線密度的滌綸抗彎測(cè)試變異系數(shù)均小于15%，3.33tex及以上線密度的滌綸抗彎測(cè)試變異系數(shù)均小于10%，16.67tex滌綸的抗彎測(cè)試變異系數(shù)則低至0.3%。

采用雙端固定式軸向壓彎法測(cè)量纖維的抗彎力，纖維兩端同時(shí)受到夾持，測(cè)試中，纖維的彎曲過程可控，確保了測(cè)量過程的可重復(fù)性。結(jié)果表明，該方法能夠獲得穩(wěn)定、可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。同線密度的滌綸纖維間結(jié)構(gòu)差異性小，也令其力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果離散度小。

但對(duì)于低線密度的滌綸纖維，如1試樣，纖維由于生產(chǎn)過程中的拉伸固化等工序更易造成結(jié)構(gòu)不勻甚至弱節(jié)，并在細(xì)小的截面中表現(xiàn)出來，令彎曲性能測(cè)量數(shù)據(jù)離散大。

從表3中同時(shí)可以看到，隨著滌綸纖維線密度的增加，最大抗彎力測(cè)量值也呈增加趨勢(shì)，初步證明，纖維最大抗彎力與線密度有顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3.2 滌綸纖維線密度對(duì)抗彎性能的影響

為了更直觀地反映測(cè)試結(jié)果，對(duì)上述7種滌綸試樣作最大抗彎力柱狀圖，如圖7所示。為使不同粗細(xì)的纖維在抗彎性測(cè)量時(shí)能夠進(jìn)行比較，對(duì)各試樣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的最大抗彎力(單位:10cN/tex)，即最大抗彎力與線密度之比，得到數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 不同線密度滌綸的抗彎性能

從圖7可以看出，當(dāng)線密度較小（≤4.44tex）時(shí)，纖維抗彎力與其線密度數(shù)據(jù)近似為線性關(guān)系，但隨著線密度繼續(xù)增加至4.44tex以上，纖維的抗彎力增幅迅速增大，呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。

為了更加清晰地體現(xiàn)纖維抗彎力與其線密度的關(guān)系，選用冪函數(shù)、一元二次函數(shù)及一元三次函數(shù)對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合過程采用origin軟件實(shí)現(xiàn)，得到擬合程度較好的曲線如圖8所示。對(duì)應(yīng)的擬合方程如表4所示。

圖8 滌綸最大抗彎力-線密度擬合曲線

表4 滌綸最大抗彎力-線密度擬合方程

表4中，

X

表示滌綸線密度（單位：tex），

Y

表示滌綸抵抗彎曲變形時(shí)的最大抗彎力（單位：10cN）；

R

代表相關(guān)系數(shù)，其數(shù)值越接近1，則表示變量

X

對(duì)

Y

值的解釋能力越強(qiáng)，說明曲線擬合效果越好。由圖8和表4可看出，冪函數(shù)擬合方程、二次曲線擬合方程、三次曲線擬合方程的

R

均大于0.999，擬合方程對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果均不錯(cuò)。其中，三次曲線擬合的

R

最大，擬合效果最好，但其方程式中三次項(xiàng)的系數(shù)很小，因此該項(xiàng)式對(duì)

Y

值的影響也很小，可以將其忽略。同時(shí)考慮了方程計(jì)算的方便性和實(shí)用性，可以選擇二次曲線擬合方程作為滌綸纖維最大抗彎力-線密度的經(jīng)驗(yàn)回歸方程。

滌綸最大抗彎力-線密度經(jīng)驗(yàn)回歸方程的意義之一在于，可以通過對(duì)單纖維的線密度測(cè)量，來大致預(yù)測(cè)該纖維的最大抗彎力，為產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）本文介紹了雙端固定式軸向壓彎試驗(yàn)方法測(cè)量單纖維抗彎性能的工作原理，分析了采用此方法獲取的纖維抗彎試驗(yàn)曲線的形態(tài)特征和基本變化趨勢(shì)，提出以最大抗彎力作為表征纖維抗彎性能的重要指標(biāo)。

（2）將雙端固定式軸向壓彎法應(yīng)用于測(cè)量滌綸單纖維的抗彎性能，對(duì)于2.67tex及以上線密度的滌綸纖維，得到的最大抗彎力變異系數(shù)均小于15%，使用雙端固定式軸向壓彎法測(cè)試單纖維的抗彎性能，表明該方法實(shí)施過程合理可行，并且數(shù)據(jù)可靠、測(cè)試結(jié)果可重復(fù)性好。

（3）從滌綸單纖維的抗彎性測(cè)試結(jié)果中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，滌綸單纖維的最大抗彎力與其線密度成顯著的非線性正相關(guān)關(guān)系。采用數(shù)值擬合方法對(duì)滌綸單纖維的最大抗彎力-線密度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，初步建立了滌綸單纖維線密度

X

與最大抗彎力

Y

的一元二次回歸方程，從而可對(duì)普通滌綸絲的抗彎性能進(jìn)行合理有效的預(yù)測(cè)。