短化纖夾距與拉伸性能關系的研究

鄧鳳玲 , 楊 梅 , 杜旭宜

(1. 廣州紡織服裝研究院有限公司， 廣東 廣州 510663；2. 廣州市無紡布產品質量檢驗中心， 廣東 廣州 510663)

短化纖夾距與拉伸性能關系的研究

鄧鳳玲1,2, 楊 梅1,2, 杜旭宜1

(1. 廣州紡織服裝研究院有限公司， 廣東 廣州 510663；2. 廣州市無紡布產品質量檢驗中心， 廣東 廣州 510663)

根據《GB/T 14337-2008 化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》， 重點分析夾持距離對聚乙烯醇、 丙綸及腈綸纖維伸長率、 斷裂強力、 抗拉強度及彈性模量的影響。結果表明： 夾距對短化纖的斷裂強力和抗拉伸強度沒有明顯的影響， 而夾距越大， 短化纖的斷裂伸長率越小， 初始彈性模量越大。

化學短纖維； 夾距； 伸長率； 彈性模量

利用合成纖維作為增強添加材料摻入到水泥混凝土、 砂漿、 瀝青中， 已在道路施工中廣泛應用。聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維具有耐酸、 耐堿、 耐磨、 耐水解的特性， 且具極高的化學穩定性， 比較適合混凝土/砂漿工程的防裂抗裂和增韌； 聚丙烯腈纖維具有高強度、 高模量， 較好的熱穩定性， 摻入到瀝青路面能明顯提高瀝青路面的抗壓強度和抗劈裂強度、 改善高溫穩定性、 低溫抗裂性、 疲勞耐久性。

目前， 國內應用于工程方面的合成纖維的要求有一系列國家標準和行業標準， 主要有《JT/T 525-2004公路水泥混凝土纖維材料_》、 《JT/T 534-2004聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》、 《GB/T 21120-2007水泥混凝土和砂漿用合成纖維》、 《TB/T 2965-2011鐵路混凝土橋面防水層技術條件》、 (CECS 38-2004)《纖維混凝土結構技術規程》， 各標準中對所使用的合成纖維的性能都有指標要求， 但是在測試方法上各不相同。有標準采用的是《GB/T3916-1997紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強力和紗線伸長率的測定》[1]， 但此方法夾距長(250 mm或500 mm)， 一方面纖維比較細， 不適合較長的夾持距離， 且在實際使用中的纖維長度較短， 如摻和在瀝青路面用聚合物纖維長度約為6 mm或12 mm， 摻和在水泥混凝土、 砂漿中的合成纖維一般長度為19 mm或12 mm； 另一方面， 合成纖維的力值一般情況下在幾厘牛到幾十厘牛， 量程較大的儀器不適合， 只有專用的纖維強力測定儀比較適用。本文根據《GB/T 14337-2008 化學纖維短纖維拉伸性能試驗方法》[2]， 重點分析夾持距離對纖維伸長率、 抗拉強度、 伸長率及彈性模量的影響。

1 試驗部分

1.1材料

1.826 dtex聚乙烯醇， 5.742 dtex丙綸， 1.470 dtex腈綸， 纖維相對密度分別為： 1.29 g/cm3、 0.91 g/cm3、 1.18 g/cm3(由深圳市維特耐工程材料有限公司提供)。

1.2儀器

LLY-06E電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司)。

1.3測試[2-4]

抗拉強度測試方法根據GB/T 14337化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法，試驗條件如表1所示。

表1 纖維拉伸試驗的測試條件

經過LLY-06E電子單纖維強力儀的測定， 結合彈性模量的計算公式， 得到聚乙烯醇、 丙綸及腈綸纖維的夾距與斷裂伸長率、 斷裂強力、 抗拉強度及彈性模量等拉伸性能參數。

短化纖單纖的斷裂伸長率按式(1)計算，

(1)

式中： ε—纖維的斷裂伸長率， %;

L0—拉伸前纖維的長度(即夾距)，mm；

L1—纖維伸長至斷裂時的長度，mm。

短化纖單纖初始彈性模量按式(2)計算[5]，

(2)

式中：M—初始彈性模量， MPa；

Δε—在橫坐標上截取的一段伸長率， %；

FD—對應與伸長率Δε的強力， N；

ρ1—纖維的實測線密度， dtex；

ρ2—纖維相對密度， g/cm3。

2 結果與分析

2.1夾距對纖維伸長率的影響

夾距對纖維伸長率的影響見表2。

表2 夾距對纖維伸長率的影響

如表2所示， 拉伸時夾距越大， 纖維的斷裂伸長率越小。在拉伸的初始階段， 纖維在外力的作用下， 非結晶區的聚合物大分子鏈被拉直， 包括分子內的鍵長增大、 鍵角增大， 分子鏈段的運動， 以及分子間產生相對位移， 這個過程是纖維比較均勻拉細； 繼續施加壓力， 根據弱環定理， 纖維長度方向上各截面處的纖維結構不相同， 纖維中存在許多裂隙、 空洞、 氣泡及缺陷、 雜質等， 纖維在弱環附近局部所受的應力相對集中[6-9]， 直至這個部位類似“頸縮”形成(見圖1)， 發生頸縮后， 應變在試樣的標距內是不均勻， 隨后的變形都會在“頸縮”附近發生， 頸縮處就變得越來越小， 局部應力不斷增大， 直到試樣在“頸縮”處被拉斷。單根纖維在拉伸過程中， 一般只有一處“頸縮”， 而發生“頸縮”處的絕對伸長值差值很小， 可以忽略， 根據公式(1)， 夾距越大， 伸長率越小。

圖1 纖維拉伸形變頸縮現象

2.2夾距對纖維斷裂強力及抗拉強度的影響

夾距對纖維斷裂強力和抗拉強度的影響見表3所示。

表3 夾距對纖維斷裂強力及抗拉強度的影響

由表3可知，拉伸時夾距對纖維的斷裂強力和抗拉強度的影響不是十分明顯。根據弱環定理：夾持距離越長，出現弱環的機會就越大，斷裂強力和抗拉強度愈低。因為纖維在沿長度方向呈不均勻分布，總在最薄弱處斷裂，試樣愈長，出現最薄弱環節的概率越大，越容易發生斷裂，理論上是夾持距離越長，抗拉強度就越小。由于單根纖維細度小，夾距對纖維的斷裂強力和抗拉強度的影響不明顯。

2.3夾距對纖維彈性模量的影響

夾距對纖維彈性模量的影響見表4。

表4 夾距對纖維彈性模量的影響

由表4可得， 彈性模量隨著夾距的增大而增大。 彈性模量是應力-應變曲線的起始階段直線部分的斜率，此階段應力和應變成正比例關系， 它主要是由于大分子的鍵角和鍵長在外力的作用下發生改變， 是非結晶區的分子鏈發生變形的結果[10]， 試驗過程中， 夾距越短， 受力大分子或基原纖越多， 大分子的游離端越少， 所需應力增大， 而夾距對應變的影響較小， 可忽略不計， 根據公式(2)可得， 彈性模量隨著夾距的增大而增大。

參考相關的標準[3～4]可知， 摻和在水泥混凝土、 砂漿、 瀝青中的化學短纖其檢測方法對短纖夾距沒有明確要求， 經以上分析可知， 短纖夾距對纖維的伸長率及初始彈性模量有較大的影響。標準中對夾距沒有明確要求會影響檢測數據的準確性， 因為不同的夾距所得的拉伸性能參數差距較大， 各實驗室的測試結果也沒有可比性。

3 小結

(1)化學短纖維的夾距對斷裂強力和抗拉強度沒有明顯的影響， 而夾距越大， 纖維的伸長率越小， 初始彈性模量越大；

(2)目前各有關標準對測試混凝土、 砂漿及瀝青中化學短纖維拉伸性能測試的夾距沒有明確要求， 造成各實驗室的測試數據偏差較大， 給短纖檢測帶來一定的混亂， 因此， 需要制定一個更加科學的標準， 通過建立合理的測試方法， 以增強數據的可信度。

[1] 徐鑫耀.GB/T3916紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和紗線伸長率的測定[S].北京：中國標準出版社，1997.

[2] 刑春花.GB/T 14337化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法[S]. 北京:中國標準出版社，2008.

[3] 談永泉.GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維[S].北京:中國標準出版社，2007.

[4] 馬林.TB/T 2965鐵路混凝土橋面防水層技術條件[S].北京:中國標準出版社，2011.

[5] 翁效明.GB/T 19975 高強化纖長絲拉伸性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社，2005.

[6] 蔡再生.纖維物理化學[M]. 北京:中國紡織出版社,2004:131-132.

[7] 黨向婷,張鵬飛,康小明.紗線強力與夾持距離及拉伸速度的關系[J]. 纖維標準與檢驗. 2007(5):37-39.

[8] Brow. HM,亢秀杰.不同隔距長度的纖維強度同成紗強力的關系[J]. 纖維標準與檢驗.1990(4):15-17.

[9] 張成峰,懷宇.Anette Heijnesson. 等.麥草化學漿纖維位錯點的表征和分析[J]. 中國造紙. 2008(1):9-12.

[10] 吳宏仁.紡織材料學[M]. 北京:紡織工業出版社,1985:131.

RELATIONSHIPBETWEENMAN-MADESTAPLEFIBERCLIPDISTANCEANDTENSILEPROPERTIES

DENG Feng-ling1,2, YANG Mei1,2, DU Xu-yi1

(1.Guangzhou Textiles and Garments Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China;2.Guangzhou Nonwovens Quality Testing Center, Guangzhou 510663, China)

Based on GB/T 14337-2008 testing method for tensile prosperities of man-made staple fibers, the effect of clip distance on single staple fiber’s elongation percentage, breaking strength, tensile strength and elastic modulus was analyzed emphatically. The results found that there is little effect of clip distance on breaking strength and tensile strength, while, the larger the clip distance, the smaller the elongation percentage and the bigger the initial elastic modulus of staple fiber.

man-made staple fiber; clip distance; elongation percentage; elastic modulus

2013-04-22

鄧鳳玲(1965-)，女，湖南益陽人，工程師，主要從事紡織品及無紡布檢測工作。

1672-500X(2013)02-0016-04

TS 101.921.4

B

10.3969/j.issn.1672-500x.2013.02.005