純大豆蛋白纖維紗及豆/氨包芯紗蠕變性能研究

靳需嶺，李營建

(1.河南省服裝研究所有限公司，河南 鄭州 450007；2．河南工程學院 紡織工程系，河南 鄭州 450007)

氨綸包芯紗是在氨綸彈性纖維外包覆各種短纖維制成的一種復合紗線[1].紗芯氨綸長絲可提供優良的彈性，外包短纖維則提供良好的手感、外觀和服用的舒適性，其力學性能兼具彈性固體和黏性流體的變形特征，是一種性能明顯的黏彈體材料.在紡紗過程中，采用不同工藝參數紡制的氨綸包芯紗的黏彈性有明顯的區別.本研究在測試大豆蛋白纖維純紗和不同氨綸絲預牽伸倍數大豆/氨綸包芯紗蠕變的基礎上，選擇四元素力學模型，建立了在定負荷作用下蠕變時應變隨時間變化的關系式.利用DPS數據處理系統，得出了不同工藝條件下蠕變的擬合方程，并進一步求解力學模型在不同工藝條件下的特征參數，深入研究了影響氨綸包芯紗蠕變性能的因素.

1 蠕變試驗

紗線在恒定拉伸力的作用下變形隨時間而變化的現象，就是“蠕變”[2].通過蠕變試驗，結合四元素模型應力、應變與時間關系的描述，了解不同預牽伸倍數對氨綸包芯紗蠕變性能的影響.

1.1 紗線品種和規格

14.6 tex大豆蛋白纖維紗，14.6 tex(44 dtex)大豆蛋白纖維氨綸包芯紗，氨綸絲分別采用3.0倍、3.25倍和3.5倍的預牽伸倍數[3].

1.2 試驗裝置及方法

蠕變試驗采用如下測試方法：握持紗線的一端，另一端引出通過滑輪懸掛一定重量的重錘或砝碼，用米尺測量隨時間變化的伸長量，再換算成伸長率.每種紗樣取50個試樣，試樣的原長為50 cm，拉伸定重選50 cN[4].

由于氨綸包芯紗有較大的彈性，自然狀態下易卷曲，故在量取初始長度和撤去拉伸力讓紗線回彈時，需掛上4 cN重的砝碼，使紗線伸直.

1.3 試驗結果及分析

測試數據見表1.

表1 不同預牽伸倍數時的成紗蠕變性能 Tab.1 The draft up the different when yarn creep properties

蠕變試驗結果表明：

(1)大豆蛋白纖維純紗和大豆/氨包芯紗均是黏彈性材料，在定負荷作用下，其伸長由急彈性形變、緩彈性形變與塑性形變3部分組成;

(2)由于氨綸絲的存在，包芯紗的蠕變現象比純紗明顯，其在各個階段的伸長率均明顯高于純紗；

(3)采用不同的預牽伸倍數時氨綸絲產生的應力不同，故對氨綸包芯紗的蠕變性能有影響.試驗數據顯示，隨著預牽伸倍數的增加，在同等負荷下氨綸包芯紗的伸長率逐步增加，即適當增加預牽伸倍數可提高成紗彈性，但預牽伸倍數過大將導致大分子在結晶區中被抽拔滑動，其塑性變形會隨之增加.

2 紗線黏彈體的基本模型

圖1 四元素模型Fig.1 Four-element model

為深入研究和理解黏彈性的本質，引入了多元素力學模型，可以更加直觀、形象地描述紗線的蠕變現象.在常用的力學模型中，麥克思威爾模型只能體現松弛現象，不能表示蠕變；開爾文模型雖能體現蠕變現象，卻又無法表示應力松弛.因此，要描述紗線的急彈性形變、緩彈性形變與塑性形變，需要有更多元件組成模型.三元素模型由一根彈簧和開爾文模型串聯而成，外力去除后，只要保持足夠長的時間，該模型的變形將全部消失，不能反映材料的塑性變形.四元素模型是在三元素模型的基礎上再串聯一個阻尼器，如圖1所示，該模型可產生永久性的塑性變形.

根據表1可知，紗線的形變由急彈性形變、緩彈性形變和塑性形變3個部分組成，所以四元素模型特征與成紗的蠕變特征比較吻合，我們可借助四元素模型比較直觀、準確地描述氨綸包芯紗的蠕變性能.

3 模型蠕變伸長時應變與時間的關系

在應力σ的作用下，四元素模型中彈簧E0、開爾文模型和阻尼器η0將分別產生形變ε0，εa和εb，三者共同組成四元素模型的總形變.進行蠕變試驗時，氨綸包芯紗上所加應力σ為不變負荷，依據初始條件t=0時ε=0，可得到四元素模型蠕變伸長時應變隨時間變化的關系式[5].如下：

(1)

4 紗線蠕變伸長的擬合方程

在紗線應變隨時間變化的關系式中，4個特征參數(E，E0，η，η0)未知，可根據紗線的蠕變試驗數據進行推導計算，能得出在定負荷σ作用下產生紗線蠕變時，應變ε隨時間t變化的擬合方程.

4.1 利用麥夸特擬合方法建立擬合方程

為了分析四元素模型對紗線黏彈性能模擬的優劣，使用計算機軟件(DPS數據處理系統)對試驗數據進行處理，求得應變ε隨時間t變化的擬合方程.

采用DPS數據處理系統對不同預牽伸倍數時的實測數據進行處理，得到不同工藝條件下紗線蠕變伸長時的擬合方程及方程特征參數C1,C2,如表2所示.

表2 紗線的蠕變擬合方程及方程特征參數Tab.2 Yarn creep fitting equation and the equation feature parameters

4.2 不同工藝條件下應變ε的實測值和擬合值

根據DPS數據處理系統的處理結果，得到了純大豆纖維紗與大豆纖維/氨綸包芯紗在定負荷作用下、不同預牽伸倍數時，應變ε的擬合值和實測值，如表3所示.

表3 實測應變及其估計值Tab.3 Measured stress and its estimate

續表3

表4 擬合的F值、相關系數及修正相關系數Tab.4 Fitted F value, correlation coefficient and modified orrelation coefficient

通過表3中對氨綸包芯紗應變擬合值和實測值的比較，純大豆纖維紗擬合值和實測值的差異最小，氨綸包芯紗擬合值和實測值的差異較大，且隨著氨綸絲預牽伸倍數的增加，擬合值和實測值的差異也逐步增加.從DPS數據處理系統輸出的擬合的F值、相關系數及修正相關系數如表4所示.

從表4可知，純大豆纖維紗在定負荷作用下伸長率較小，擬合的F值、相關系數與修正相關系數均較大，這說明采用四元素模型來描述其在定負荷作用下的蠕變特性較準確.但氨綸包芯紗在氨綸絲預牽伸倍數較大時，在各個階段的伸長率均明顯高于純紗，擬合的F值、相關系數與修正相關系數均相應降低，這說明隨著紗線伸長率的增加，采用四元素模型來描述其在定負荷作用下的蠕變規律的準確性降低.

4.3 四元素模型的特征參數

4.3.1 彈簧模型的彈性系數E0

根據四元素模型的特性，開爾文模型和阻尼器在應力σ作用下，其變形是比較緩慢的，所以從理論上可以認為在應力σ的瞬時作用下產生的變形幾乎全部來自彈簧E0.所以，紗線在1 min時的伸長率可看作為瞬時變形ε0.根據σ=E0×ε0得到不同預牽伸倍數時彈簧模型的彈性系數E0，見表5.

4.3.2 阻尼器的阻尼系數η0

阻尼器在恒定負荷σ的作用下，將以一定的速率產生形變.但在外力去除后，其形變是不可恢復的，即阻尼器η0產生的形變為永久性的塑性變形.所以，紗線在應力σ去除長時間后，其不能恢復的變形即為阻尼器η0在恒定負荷σ的作用下經過時間t后產生的變形εb.

4.3.3 開爾文模型的特征參數E、η

表5 四元素模型的特征參數Tab.5 Four-element model of the characteristic parameters

由表5可知，由于純大豆纖維紗與氨綸包芯紗四元素模型的特征參數具有顯著差異，這說明氨綸包芯紗與純大豆纖維紗的力學特性有明顯區別.同時，氨綸包芯紗在采用不同的預牽伸倍數時，四元素模型的特征參數差異更大，這說明預牽伸倍數對氨綸包芯紗的力學特性具有顯著影響.在預牽伸倍數較小時，四元素模型的特征參數E0，η0較大，這說明氨綸包芯紗的急彈性變形與塑性變形較小，紗線和織物彈性也較小，在應力作用下不易變形，織物的定型性較好.在預牽伸倍數較大時，四元素模型的特征參數E0，η0較小，這說明氨綸包芯紗的急彈性變形與塑性變形較大，紗線和織物彈性也較大，在應力作用下易變形，織物的定型性較差.

5 結論

(1)氨綸絲預牽伸倍數對氨綸包芯紗的蠕變性能有顯著影響，適當增加預牽伸倍數，伸長率變化明顯，即成紗彈性好.但預牽伸倍數過大將導致大分子在結晶區中被抽拔滑動，其塑性變形會隨之增加.

(2)氨綸包芯紗在各個階段的伸長率較小時，采用四元素模型來描述紗線在定負荷作用下蠕變規律的準確性較高.相反，當氨綸包芯紗在各個階段的伸長率較大時，其準確性相應降低.

(3)根據試驗實測數據，通過DPS數據處理系統建立紗線蠕變伸長時的擬合方程，并可分階段得到四元素模型的特征參數.由此可知，當氨綸絲的預牽伸倍數增加時，四元素模型的特征參數E0，η0逐步變小，說明氨綸包芯紗的急彈性變形與塑性變形增大，在應力作用下易變形，織物的定型性較差.

參考文獻：

[1] 石風俊，劉萍，張穎，等.氨綸包芯紗拉伸性能建模的研究[J].紡織學報，2005(2)：56-58.

[2] 于衛東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006：110-112.

[3] 李營建，肖豐.大豆纖維氨綸包芯紗預牽伸參數探討[J].上海紡織科技，2003(6)：18-20.

[4] 楊懷強，左軍昌.氨綸包芯紗物理指標的測試[J].紡織標準與質量，2001(6)：26-28.

[5] 李營建，肖豐，趙東賓.氨綸包芯紗蠕變性能四元素模型的研究[J].紡織科學研究，2004(2)：16-20.