濕熱處理后牛奶蛋白纖維的拉伸性能及力學模型研究

楊 琳

(1.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東 青島 266032)

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濕熱處理后牛奶蛋白纖維的拉伸性能及力學模型研究

楊 琳1,2

(1.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東 青島 266032)

文章測試了濕熱處理后腈綸基牛奶蛋白纖維的拉伸性能，包括斷裂強度和斷裂伸長率，并根據測試結果建立了相應的力學模型。通過對牛奶蛋白纖維原樣和濕熱處理后樣品的應力應變曲線進行擬合發現，四元件非線性粘彈性模型可以很好地模擬濕熱處理后牛奶蛋白纖維的拉伸性能，反應纖維拉伸過程中的力學變化。

腈綸基牛奶蛋白纖維；耐濕熱性能；力學模型

腈綸基牛奶蛋白纖維既有天然蠶絲的優良特性，又兼具腈綸的物理化學性能和良好的可紡性能，是一種全新的紡織材料。牛奶蛋白纖維織物具有外觀華麗、色澤鮮艷、穿著舒適等特點，更重要的是牛奶蛋白纖維與人體皮膚親和性好，且含有多種人體所必須的氨基酸，具有良好的保健作用[1～3]。

腈綸基牛奶蛋白纖維的耐熱性差[4～6]，熱處理后，力學性能下降較大。本文通過測試濕熱處理后腈綸基牛奶蛋白纖維拉伸性能，并建立合適的力學模型，對其拉伸時的應力隨應變的變化做出一定分析，為確定合理的加工工藝和服裝護理方法提供參考。

1 實驗樣品 實驗儀器及實驗條件

1.1 實驗樣品

為了研究濕熱處理對牛奶蛋白纖維拉伸性能的影響，本文選用原樣為對照，將濕熱處理后纖維的拉伸性能與其進行對照。實驗中所用牛奶蛋白纖維的基本規格見表1。

表1 牛奶蛋白纖維的規格

1.2 實驗儀器及實驗條件

實驗儀器： LLY—06E型電子式單纖維強力儀，水浴鍋，燒杯，溫度計。

實驗條件： 將需濕熱處理的牛奶蛋白纖維浸沒于盛滿蒸餾水的燒杯中，將燒杯分別放置在溫度為65℃、75℃、85℃、95℃的水浴鍋中，待燒杯中蒸餾水的溫度穩定后，分別經過30 min、60 min、90 min、120 min、150 min時長的水浴熱處理，處理完成后讓試樣充分干燥，再把充分干燥的濕熱處理試樣與原樣放在溫度為20℃，相對濕度為65%的標準大氣狀態下預調濕24 h。

將預調濕后的濕熱處理試樣與原樣在LLY—06E型電子式單纖維強力儀上進行斷裂強度和斷裂伸長率測量，其中不同溫度不同時間分別取30次試驗結果的平均值。實驗條件：拉伸速度：10 mm/min；預加張力：100 mg；夾持距離：15 mm；測試次數：30次。

2 實驗結果與分析

未處理牛奶蛋白纖維在常溫干態條件下一次拉伸斷裂性能指標見表2。

經過不同溫度，不同時間濕熱處理牛奶蛋白纖維一次拉伸斷裂實驗結果見表3。

表2 未處理牛奶蛋白纖維在常溫干態條件下一次拉伸斷裂性能指標

表3 不同溫度 不同時間濕熱處理的牛奶蛋白纖維的拉伸實驗結果

由表3可以看出，經同樣濕熱處理時間，處理溫度越高，牛奶蛋白纖維斷裂強度的越低，同時，在同樣濕熱處理溫度下牛奶蛋白纖維隨處理時間增加其斷裂強度逐漸下降。在濕熱處理溫度為85℃時，經過不同時間的濕熱處理牛奶蛋白纖維的強度都下降劇烈。經同樣濕熱處理時間，牛奶蛋白纖維的斷裂伸長率隨溫度的增高先下降再上升，在濕熱處理溫度為85℃和95℃時，斷裂伸長

率分別達到最小值和最大值，同時，在同樣濕熱處理溫度下牛奶蛋白纖維的斷裂伸長率隨處理時間增長呈下降趨勢。但處理溫度為85℃時，斷裂伸長率隨處理時間增長無明顯變化規律，這是因為隨濕熱處理溫度增高，85℃處于斷裂伸長率由減小到增加的臨界溫度。因此，為保證牛奶蛋白纖維具有穩定的斷裂伸長率，后整理加工中，濕熱處理溫度應低于85℃。

3 牛奶蛋白纖維力學模型的建立與分析

3.1 牛奶蛋白纖維力學模型

牛奶蛋白纖維屬于粘彈體，其力學性能同時有彈性固體和粘性流體的特征。牛奶蛋白纖維的典型粘彈性力學性能表現一次拉伸性能，即斷裂強力，初始模量值是拉伸速度的函數。

通常采用力學模型來模擬對牛奶蛋白纖維粘彈性現象的定量描述。嚴格來說，牛奶蛋白纖維屬于非線性粘彈體，因此它的力學模型應該分為三部分，包括線性彈簧(反映纖維的線性力學性質)、粘彈元件(反映纖維的粘彈性質)以及非線性元件(反映非線性力學性質)。因此，本文用非線性彈簧和一個Maxwell單元并聯組成的四元件模型來模擬牛奶蛋白纖維的強伸性能，根據模型做出相應的數學描述，通過Origin軟件求解數學方程式得出模型中的各力學量的值，從而對牛奶蛋白纖維的力學變化做出定量的分析。圖1為四

元件非線性模型的示意圖。

圖1 四元件非線性模型示意圖

3.2 牛奶蛋白纖維拉伸模型與分析

通過數學運算，得到四元件非線性模型在纖維等速拉伸(ε=Kt， 在本文中，速度K=10 mm/min)的條件下，應力(σ)-應變(ε)的曲線回歸方程為：

σ=σ0+Aε+Bε2+C(1-e-Dε)

(1)

運用Origin7.5軟件，采用上述四元件非線性模型，對牛奶蛋白纖維原樣和經65℃，30min濕熱處理試樣的應力應變曲線進行擬合，由于纖維細度為一常數，因此可用強度曲線代替應力曲線擬合，擬合參數結果如表4所示，具體的擬合曲線見圖2、圖3。

表4 不同處理條件下牛奶蛋白纖維拉伸模型參數擬合結果

圖2 原樣拉伸擬合曲線

圖3 濕熱處理后牛奶蛋白纖維拉伸擬合曲線

從表4可以看出，力學模型擬合的相關系數都在0.99以上，說明用四元件非線性粘彈性模型來模擬牛奶蛋白纖維的拉伸性能是非常合適的。同時可以看到擬合結果中預加張力σ0小于0，可能是在測試過程中由于儀器的原因，對牛奶蛋白纖維的預加張力不夠。

實際曲線與擬合曲線變化趨勢相同，但起始點的擬合程度不佳，可能是由于選取的數據點過多，導致擬合程度下降。從實際曲線可以看出，拉伸曲線的初始階段為急彈性階段， 是牛奶蛋白纖維拉伸曲線的線性區，在這個階段，外力作用使得牛奶蛋白纖維大分子中的鍵角鍵長發生變化，伸長率變化很小，而且此時的伸長可以在外力消除后恢復；第二個階段為牛奶蛋白纖維緩彈性階段，是非線性彈性部分，在這個階段，牛奶蛋白纖維大分子結構在外力作用下發生變化甚至重新組合排列，變形過程比較緩慢，隨著牛奶蛋白纖維伸長的增加，強力增加緩慢；第三個階段為牛奶蛋白纖維的塑性變形階段，大分子之間產生了相對滑移，纖維在接近斷裂時，強力、伸長快速增加。

用數學模型來模擬牛奶蛋白纖維的拉伸性能，可以對其拉伸時的應力隨應變的變化做出一定分析，可以很好地反應拉伸過程中牛奶蛋白纖維力學性能。

4 結論

腈綸基牛奶蛋白纖維的耐熱性較差，濕熱處理時，在同樣熱處理溫度下纖維隨處理時間增長其斷裂強度不斷下降，斷裂伸長率先下降再上升；經過同樣熱處理時間，纖維的斷裂強度隨處理溫度升高而下降，斷裂伸長率無明顯變化規律。濕熱處理溫度為85℃時牛奶蛋白纖維的斷裂強度下降最劇烈，斷裂伸長率達到最小值，因此纖維后整理加工時要保證濕熱處理溫度低于85℃。

利用四元件非線性粘彈性模型模擬腈綸基牛奶蛋白纖維的拉伸性能，實際曲線與擬合曲線變化趨勢相同，力學模型擬合的相關系數都在0.99以上，可以很好地反應拉伸過程中牛奶蛋白纖維應力隨應變的變化，從而為進一步探討牛奶蛋白纖維內部結構提供參考。

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[7] 杜俊萍.紐代爾纖維及其混紡產品基本性能的研究[D].青島:青島大學,2009.

Study on the Tensile Properties and Mechanical Model of PAN-milk Protein Fiber after Heat-moist Treatments

YangLin1,2

(1.Shandong Textile Research Institute,Qingdao 266032,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Textiles Processing Technology,Qingdao 266032,China)

The tensile properties of PAN-milk protein fiber after heat-moist treatments were tested, included the breaking strength and elongation, and corresponding mechanical model was established based on test results. By fitting stress-strain curves of original samples and samples after heat-moist treatments, we found that four-component nonlinear viscoelasticity model could simulate the tensile properties of PAN-milk protein fiber after heat-moist treatments very well, reflect changes of mechanical properties in the tensile process.

PAN-milk protein fiber; wet-heat resistant property; mechanical mode

2016-06-06

楊 琳(1986—)，男，山東青島人，助理工程師。

TS101.92+1.4 文獻識別碼：B

1009-3028(2016)04-0004-04