單纖維柔軟性的新型測(cè)試方法與優(yōu)化

徐曉霞， 危惠敏， 付少舉， 張佩華

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

單纖維柔軟性的新型測(cè)試方法與優(yōu)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(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

針對(duì)目前測(cè)量單纖維柔軟性的方法中公式復(fù)雜、測(cè)量誤差大和測(cè)量范圍受限等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的單纖維柔軟性測(cè)試方法。詳細(xì)描述了所設(shè)計(jì)的模具并闡述了制樣方法，測(cè)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(shù)及壓腳直徑對(duì)該測(cè)試方法精準(zhǔn)性的影響程度，并對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：本文方法可通過(guò)壓縮力的大小有效地表征單纖維的柔軟性，具有測(cè)試方法簡(jiǎn)單、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)根據(jù)單纖維柔軟性測(cè)試參數(shù)得出，壓腳直徑為10 mm，制樣根數(shù)為10時(shí)，可更好地減少試驗(yàn)誤差。

單纖維； 柔軟性； 壓縮力； 測(cè)試方法

纖維柔軟度一般用抗彎剛度的倒數(shù)來(lái)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(xiàn)柔軟性的指標(biāo)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(cè)試中材料需要充分平衡，此方法主要用于理論研究和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試；彎曲剛度的測(cè)試方法包括三點(diǎn)彎曲法[5-6]、懸臂梁法[7]、圈狀環(huán)掛重法[8]以及單纖維軸向壓縮彎曲法[9]，采用的公式復(fù)雜，誤差大，使測(cè)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(duì)纖維進(jìn)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(cè)試方法來(lái)表征單纖維柔軟性時(shí)，存在如下問(wèn)題：纖維的初始模量一般通過(guò)具有一定量程的單紗或單纖強(qiáng)力儀間接獲得[3]，高強(qiáng)高模的單纖維測(cè)試時(shí)強(qiáng)力值會(huì)超過(guò)量程范圍，且柔軟性相當(dāng)?shù)膯卫w維得到的初始模量的數(shù)值差異不大；選用彎曲剛度測(cè)試時(shí)，不能達(dá)到簡(jiǎn)單、柔性、定量化的測(cè)試要求，試驗(yàn)誤差大。此外受儀器制作困難或試驗(yàn)誤差大等條件限制，難以實(shí)施；纖維集合體壓縮性測(cè)試方法主要應(yīng)用于絕大多數(shù)羊毛類(lèi)材料[13]。目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)單纖維柔軟性的測(cè)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(fēng)格試驗(yàn)方法 彎曲性能試驗(yàn)方法》，自主設(shè)計(jì)了一種模具以及制樣方法，提出了利用壓縮儀測(cè)試多根單纖維壓縮力來(lái)表征單纖維柔軟性的技術(shù)措施。采用的壓縮儀是人體生物管道壓縮彈性測(cè)試儀，研究了不同壓腳直徑與制樣根數(shù)下試樣的圧縮力，探討了此方法的可行性，并優(yōu)化了用壓縮力表征單纖維柔軟性的測(cè)試參數(shù)。

1 單纖維柔軟性測(cè)試原理與方法

1.1測(cè)試原理

圖1示出單纖維壓縮力測(cè)試原理。

將5～25根單纖維對(duì)彎成豎向瓣?duì)瞽h(huán)夾持在自制的模具中，放置在測(cè)試平臺(tái)上，利用壓縮儀的壓腳對(duì)拱起的試樣進(jìn)行壓縮，隨著變形的增大，單纖維的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變逐漸增大，并待試樣受壓至一定位移后使其回復(fù)，根據(jù)試樣在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)，得出單纖維壓縮至設(shè)定的最大位移時(shí)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(cè)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(shù)，且保持每圈的單纖維緊密排列(見(jiàn)圖2(a))，然后將膠帶固定在卷繞后的單纖維表面(見(jiàn)圖2(b))，用小刀從膠帶的中間劃開(kāi)，使多根單纖維被固定在膠帶的兩端平行排列(見(jiàn)圖2(c))，將被固定好的單纖維的兩端彎曲成拱形(見(jiàn)圖2(d))，擰開(kāi)模具左右兩側(cè)的旋鈕，將成拱形的單纖維兩端夾入模具的左右兩側(cè)后擰緊旋鈕，形成具有一定高度的拱狀(見(jiàn)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(cè)試方法與指標(biāo)

選擇LLD-06D型人體內(nèi)生物管道壓縮彈性測(cè)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(cè)試單纖維的壓縮性能。

2 材料的選擇與結(jié)果分析

2.1測(cè)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(hào)為S1～S3)以及東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的聚丙烯(PP)單纖維(編號(hào)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(shù)值可知，同一條件下生產(chǎn)的S1、S2、S33種單纖維彎曲剛度大小順序?yàn)镾1>S2>S3,PP單纖維的彎曲剛度大小順序?yàn)镾7>S6>S5。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇S1、S2和S33種單纖維，制樣根數(shù)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(guān)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(guān)系均為S1>S2>S3。測(cè)試結(jié)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(shí)，利用不同壓腳直徑所測(cè)的壓縮力差異較小且具有相同的變化趨勢(shì)，由此證明壓腳直徑并不影響這種測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。為使測(cè)試方法更加精確，壓腳直徑具有最優(yōu)化的參數(shù)，在后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)中詳細(xì)討論。

3 單纖維柔軟性測(cè)試參數(shù)優(yōu)選分析

3.1壓腳直徑與制樣根數(shù)的優(yōu)選

分別選取5、10、15、20、25 mm 5種壓腳直徑對(duì)制樣根數(shù)為5、10、15、20、25的PLA單纖維(S1)進(jìn)行徑向壓縮測(cè)試，以探索最優(yōu)的壓腳直徑以及制樣根數(shù)，每種試樣壓縮3次，測(cè)試結(jié)果取平均值。為減少試驗(yàn)過(guò)程中的制樣誤差以及壓腳與材料接觸不勻等產(chǎn)生的誤差，對(duì)PLA單纖維(S4)進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)。壓腳直徑以及制樣根數(shù)不同對(duì)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(shù)對(duì)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(shù)對(duì)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(yīng)隨制樣根數(shù)呈線(xiàn)性增加。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，可用R2來(lái)表征多參數(shù)的線(xiàn)性擬合度。R2越接近于1，線(xiàn)性擬合度越好[14]。從圖4、5可看出，壓腳直徑為5 mm時(shí)，2種材料的擬合度均最差(R2最小)，并且在每種制樣根數(shù)下測(cè)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(dāng)，在壓縮過(guò)程中部分單纖維被擠出，未參與到后續(xù)壓縮過(guò)程中，導(dǎo)致壓縮力比實(shí)際值偏低。如圖4中5 mm壓腳直徑下，25根單纖維測(cè)得的壓縮力甚至與20根單纖維的相當(dāng)，由此說(shuō)明，壓腳過(guò)小或者制樣根數(shù)過(guò)多，這種測(cè)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(shù)為20、25時(shí)，壓縮力數(shù)值明顯高于其余壓腳直徑，且從誤差結(jié)果來(lái)看，在10 mm壓腳下，多次測(cè)量結(jié)果的偏差更小，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性更好，因此壓腳直徑優(yōu)選10 mm。

圖4、5顯示，在各個(gè)壓腳直徑下，制樣根數(shù)越多，誤差越大，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性越差。原因是根數(shù)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(cè)量誤差大，因此選擇較小的制樣根數(shù)可避免此類(lèi)誤差。但是，當(dāng)制樣根數(shù)小于10時(shí)，整體的壓縮力值比較小，對(duì)于測(cè)量?jī)x器的精度要求比較高。特別當(dāng)被測(cè)單纖維的柔軟性非常好時(shí)，較少的制樣根數(shù)導(dǎo)致試樣的壓縮力不能被儀器檢測(cè)出來(lái)，因此，選擇10根制樣比較合理。

綜合以上分析，為同時(shí)減少制樣根數(shù)過(guò)多使壓腳與材料不能充分接觸以及制樣根數(shù)過(guò)少由試樣自身的選擇帶來(lái)誤差等，最終的優(yōu)化結(jié)果為：壓腳直徑10 mm，制樣根數(shù)10。

3.2優(yōu)化測(cè)試結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果可行性，采用S5、S6、S7在所得優(yōu)化條件下進(jìn)行壓縮性測(cè)試，試樣被反復(fù)壓縮10次后取平均值。材料的壓縮力測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 3種PP單纖維的優(yōu)化測(cè)試結(jié)果Tab.2 Optimized test results of three kinds of PP filaments

由表2中的數(shù)據(jù)可知，材料的壓縮力大小順序?yàn)镾7>S6>S5，即彎曲剛度大小順序?yàn)镾7>S6>S5，符合實(shí)際情況，且每種PP在經(jīng)過(guò)10次壓縮后，得到的數(shù)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(cè)試結(jié)果誤差小。

4 結(jié) 論

本文探討利用壓縮力表征單纖維柔軟性的方法，通過(guò)壓縮儀測(cè)試單纖維的最大壓縮力值，試驗(yàn)結(jié)果顯示可行。

為減少試驗(yàn)過(guò)程中制樣以及壓腳與材料接觸不勻等產(chǎn)生的誤差，對(duì)壓腳直徑和制樣根數(shù)2個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)化結(jié)果為：壓腳直徑10 mm，制樣根數(shù)10，在此條件下能更好地減少試驗(yàn)誤差。

在優(yōu)選的試驗(yàn)參數(shù)下，測(cè)試了3種PP單纖維的壓縮性能，結(jié)果表明此測(cè)試條件下不僅有效地表明單纖維柔軟性的大小，同時(shí)單纖維經(jīng)過(guò)多次壓縮后得到的數(shù)值之間的差異小。

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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(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B07024)

徐曉霞(1992—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)槁裰簿€(xiàn)的改性及表征。張佩華，通信作者，E-mail：phzh@dhu.edu.cn。