雙組分混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系

周宇陽, 王旭斌, 曹巧麗, 李 豪, 錢麗莉, 郁崇文,2

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620; 2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室, 上海 201620)

如今,紡織品越來越多地作為基礎(chǔ)材料應(yīng)用到航空航天[1]、交通運(yùn)輸[2]和建筑[3]等各行各業(yè)中,這也要求它具有相應(yīng)的性能。大部分的紡織品由紗線組成,紗線的拉伸性能對最終產(chǎn)品的性能影響較大。紡織工業(yè)中通常將不同的纖維混合,通過紡紗工藝紡制成混紡紗,達(dá)到綜合多種纖維優(yōu)點、提高成紗性能以及降低成本的目的[4]。雙組分混紡紗的紡紗難度較小,技術(shù)更為成熟,也是最為常見的混紡品種。為此,研究雙組分混紡紗的拉伸性能具有重要意義。

斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂比功等都屬于混紡紗的拉伸性能指標(biāo)。長期以來,斷裂強(qiáng)度作為最常用的指標(biāo),受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[5-6],但在實際使用中混紡紗通常是受到反復(fù)拉伸或軸向沖擊作用,斷裂強(qiáng)度只能衡量力的大小,在該情況下無法準(zhǔn)確地評價混紡紗的抗破壞能力。而斷裂比功是指拉斷單位線密度、單位長度的紗所需要做的功,能夠衡量混紡紗的堅牢度、耐久性[7-8]與抗軸向沖擊性能[9]。例如,在織造生產(chǎn)過程中經(jīng)紗會受到反復(fù)的拉伸作用,強(qiáng)度高但斷裂比功小的麻紗易斷頭;而強(qiáng)度低但斷裂比功大的棉紗斷頭較少。又如強(qiáng)度高但斷裂比功小的環(huán)錠紗斷頭較多;而強(qiáng)度較低但斷裂比功大的轉(zhuǎn)杯紗斷頭就較少。這些都表明紗的斷裂比功能更好地反映紗的抗破壞能力。實際上,它是斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率的綜合體現(xiàn),可表示為拉伸曲線(強(qiáng)度-伸長率曲線)下方的面積。

混紡紗的斷裂比功與各組分的混紡比關(guān)系密切,所以預(yù)測斷裂比功隨混紡比變化的規(guī)律,在混紡紗的生產(chǎn)加工以及產(chǎn)品應(yīng)用中至關(guān)重要;但是目前相關(guān)研究較少,且主要是經(jīng)驗上的定性分析。1979年, Duckett等[10]通過將純棉紗與純滌綸紗的拉伸曲線簡化為直線,并假設(shè)在滌棉混紡紗中二組分之間沒有相互作用,建立了斷裂比功與混紡比的關(guān)系式。但該式只有在混紡紗斷裂伸長率已知的條件下才能計算出混紡紗的斷裂比功,所以無法用于斷裂比功的預(yù)測。國內(nèi)一些學(xué)者在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上探討了混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系。楊慶斌等[11]發(fā)現(xiàn),在大豆蛋白復(fù)合纖維與棉或與滌綸混紡時,斷裂比功隨混紡比變化的趨勢與斷裂強(qiáng)度隨混紡比變化的趨勢相似;于璐等[12]則發(fā)現(xiàn),聚乳酸纖維與Modal纖維混紡時斷裂比功變化趨勢的轉(zhuǎn)折點與斷裂伸長率的轉(zhuǎn)折點一致。上述研究都沒有進(jìn)行深入討論。

為深入探究混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系,本文從預(yù)測混紡紗拉伸曲線的角度出發(fā),在前人對混紡紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率研究[13]的基礎(chǔ)上,建立了一個簡單的拉伸曲線模型。通過推算曲線下方的面積,建立雙組分混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系式;并通過混紡實驗數(shù)據(jù),驗證該關(guān)系式的適用性與可靠性。

1 混紡紗斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率分析

雙組分纖維混紡時,定義純紡紗斷裂伸長率較小的組分為A組分,伸長率較大的為B組分。假設(shè):A組分純紡紗的斷裂強(qiáng)度為SA,斷裂伸長率為εA;B組分純紡紗的斷裂強(qiáng)度為SB,當(dāng)伸長率為εA時對應(yīng)的強(qiáng)度為S′B,斷裂伸長率為εB。A組分在混紡紗中的含量(即混紡比)為a,B組分在混紡紗中的含量(即混紡比)為b=1-a。A組分和B組分的純紡紗拉伸曲線如圖1所示。

圖1 A組分純紡紗與B組分純紡紗的拉伸曲線Fig.1 Tensile curves of 100% A yarn and 100% B yarn

1.1 混紡紗斷裂強(qiáng)度

1975年,Gupta等[14]發(fā)現(xiàn),將Hamburger提出的混紡紗強(qiáng)度公式[5]中纖維的強(qiáng)伸性能轉(zhuǎn)換成其純紡紗的強(qiáng)伸性能,預(yù)測結(jié)果與實測值會有較好的吻合度。郁崇文等[13]的研究也進(jìn)一步證實了這一點。斷裂強(qiáng)度S的表達(dá)式如下:

S=max{S1,S2}

(1)

其中

S1=aSA+bS′B

(2)

S2=bSB

(3)

圖2中的實線即混紡紗斷裂強(qiáng)度隨混紡比變化的曲線。當(dāng)S1=S2時,對應(yīng)的B組分含量稱為臨界混紡比bC,通過式(2)、(3)可推導(dǎo)出bC的計算式:

圖2 混紡紗斷裂強(qiáng)度與混紡比的關(guān)系Fig.2 Relationship between bended ratio and tenacity of blended yarn

(4)

1.2 混紡紗斷裂伸長率

通過對混紡紗斷裂過程的分析以及對斷裂伸長率經(jīng)驗數(shù)據(jù)的總結(jié),郁崇文等[13]發(fā)現(xiàn)斷裂伸長率隨混紡比變化的趨勢基本呈現(xiàn)圖3所示的規(guī)律,于是提出了混紡紗斷裂伸長率ε的表達(dá)式:

圖3 混紡紗斷裂伸長率與混紡比的關(guān)系Fig.3 Relationship between blended ratio and breaking extension of blended yarn

(5)

2 混紡紗斷裂比功分析

混紡紗斷裂比功在數(shù)值上等于其拉伸曲線(強(qiáng)度-伸長率曲線)下方的面積,因此,預(yù)測出混紡紗的拉伸曲線,就能夠推算出其斷裂比功。通過式(1)～(5)可預(yù)測出混紡紗拉伸曲線上部分點的坐標(biāo)。將這些點以及坐標(biāo)原點用直線連接,就得到簡化的拉伸曲線,進(jìn)而可推導(dǎo)出拉伸曲線下方圖形面積(即斷裂比功)的表達(dá)式。通過文獻(xiàn)[13]對混紡紗斷裂過程的分析可以發(fā)現(xiàn),以臨界混紡比bC為界,可將混紡紗的斷裂過程分為2種,不同的斷裂過程對應(yīng)著不同的表達(dá)式。

2.1 混紡比b小于或等于bC

混紡紗受到拉伸作用時,在初始階段A、B二組分共同承受外力。當(dāng)伸長率達(dá)到εA時,混紡紗的強(qiáng)度為S1。如果繼續(xù)拉伸,A組分將斷裂,所有的外力主要由B組分承受。此時,由于B組分含量較小(b≤bC), 其承載極限S2小于S1,所以整個紗體斷裂。S1與εA就是混紡紗的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。將混紡紗拉伸曲線簡化為拉伸起始點O(0,0)與紗體斷裂點P(εA,S1)的連線OP,則線段OP下方三角形的面積即為斷裂比功W,如圖4所示。其中灰色斜紋部分的面積即預(yù)測斷裂比功:

圖4 混紡紗實際與預(yù)測拉伸曲線(b≤bC)Fig.4 Practical and predicted tensile curve of blended yarn (b≤bC)

(6)

2.2 混紡比b大于bC

隨著B組分含量的增大,其承載極限S2也逐漸增大。當(dāng)B組分含量超過臨界值bC時,S1小于S2,所以A組分?jǐn)嗔押?B組分仍能夠單獨(dú)承受拉伸,繼續(xù)伸長,直到伸長率為ε時B組分也斷裂,即整個紗體斷裂。S2與ε即為混紡紗的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率。可將混紡紗拉伸曲線簡化為:拉伸起始點O(0,0)、A組分?jǐn)嗔腰cP(εA,S1)和紗體斷裂點M(ε,S2)的連線OPM,折線OPM下方圖形(即三角形加梯形)的面積則為斷裂比功W,如圖5所示。圖5(a)、 (b)分別為2種典型的混紡紗拉伸曲線示意圖。灰色斜紋部分的面積即為預(yù)測斷裂比功:

圖5 混紡紗實際與預(yù)測拉伸曲線(b>bC)Fig.5 Practical and predicted tensile curve of blended yarns (b>bC).(a)Convex curve; (b)Concave curve

(7)

綜上所述,混紡紗斷裂比功與純紡紗拉伸性能、混紡比之間的關(guān)系式為

(8)

由式(8)可見,與斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率相似,斷裂比功隨混紡比變化的趨勢在臨界混紡比bC處發(fā)生轉(zhuǎn)變。

3 斷裂比功-混紡比關(guān)系式的驗證

3.1 實驗驗證

為驗證上述斷裂比功-混紡比關(guān)系式的可靠性,設(shè)計了棉與粘膠2種纖維的混紡實驗,紡制了線密度為25 tex、捻系數(shù)為355的純棉紗、純粘膠紗和4種棉/粘膠混紡紗(混紡比分別為20∶80、40∶60、60∶40、 80∶20)。使用YG061F型電子單紗強(qiáng)力儀,按照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》測試了成紗的拉伸性能。純紡紗的拉伸曲線如圖6所示,可以得到純紡紗拉伸性能:SA=13.68 cN/tex,SB=9.71 cN/tex,S′B=8.90 cN/tex,εA=6.93%,εB=7.90%(A組分為棉,B組分為粘膠)。

圖6 純棉紗與純粘膠紗拉伸曲線Fig.6 Tensile curves of cotton yarn and viscose yarn

根據(jù)式(1)～(8)計算出不同混紡比下混紡紗的拉伸性能,并與實測值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖7所示。計算得出臨界混紡比bC為94%。通過圖7(a)可以看出,預(yù)測的斷裂比功變化趨勢與實測結(jié)果基本相符。

圖7 棉/粘膠纖維混紡紗拉伸性能Fig.7 Tensile properties of cotton/viscose fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

本實驗中,斷裂比功隨著粘膠纖維含量的增加,以臨界混紡比bC為界,呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。斷裂比功的實測值總是高于預(yù)測值,主要原因是棉/粘膠混紡紗拉伸曲線呈凸?fàn)?而預(yù)測拉伸曲線為直線。實際曲線總高于預(yù)測曲線,其下方面積大于預(yù)測曲線下方面積。例如,當(dāng)棉與粘膠混紡比為60∶40 時,實測拉伸曲線明顯呈凸?fàn)?致使斷裂比功預(yù)測值偏小,如圖8(a)所示。當(dāng)棉與粘膠混紡比為20∶80時,預(yù)測拉伸曲線明顯低于實際凸?fàn)罾烨€,導(dǎo)致斷裂比功預(yù)測值偏小;同時,斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率預(yù)測值偏大,會導(dǎo)致斷裂比功預(yù)測值偏大,從而部分抵消了實際拉伸曲線呈凸?fàn)顜淼恼`差見圖8(b)。

圖8 棉/粘膠混紡紗拉伸曲線Fig.8 Tensile curves of cotton/viscose yarn.(a)cotton/viscose(60/40) yarn; (b)cotton/viscose(20/80) yarn

3.2 文獻(xiàn)案例驗證

為進(jìn)一步驗證斷裂比功-混紡比關(guān)系式的適用性與可靠性,使用文獻(xiàn)中混紡案例的純紡紗拉伸測試數(shù)據(jù)(見表1)預(yù)測混紡紗的拉伸性能隨混紡比變化的情況,并與實測值進(jìn)行對比,如圖9～15所示。上述文獻(xiàn)主要討論混紡比與斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率的關(guān)系,并未深入討論斷裂比功。部分案例中的原始數(shù)據(jù)為斷裂功,此處為方便討論,均根據(jù)下式換算為斷裂比功:

表1 文獻(xiàn)中各種純紡紗的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of various pure spun yarns in literatures

圖9 棉/竹漿纖維混紡紗拉伸性能Fig.9 Tensile properties of cotton/bamboo pulp fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖10 棉/腈氯綸混紡紗拉伸性能Fig.10 Tensile properties of cotton/modacrylic yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

(9)

由圖9～15可看出,與斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率相似,斷裂比功的變化趨勢在臨界混紡比bC附近發(fā)生轉(zhuǎn)變。針對不同種類的混紡紗,斷裂比功預(yù)測值隨混紡比變化的趨勢與實測結(jié)果基本相符,證明本文提出的關(guān)系式具有一定普適性。

圖11 棉/大豆蛋白復(fù)合纖維混紡紗拉伸性能Fig.11 Tensile properties of cotton/soybean protein fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖12 棉/高強(qiáng)錦綸混紡紗拉伸性能Fig.12 Tensile properties of cotton/high strength polyamide yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖13 大麻/錦綸混紡紗拉伸性能Fig.13 Tensile properties of hemp/polyamide yarn. (a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖14 羊絨/羊毛混紡紗拉伸性能Fig.14 Tensile properties of cashmere/wool yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖15 滌綸/大豆蛋白復(fù)合纖維混紡紗拉伸性能Fig.15 Tensile properties of polyester/soybean protein fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

部分混紡實驗中,斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和斷裂比功的預(yù)測結(jié)果仍存在一定誤差。斷裂比功的誤差與斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長率的預(yù)測誤差相似,處于可接受范圍內(nèi)。造成斷裂比功預(yù)測誤差的主要原因有2方面:對拉伸曲線的簡化以及斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率的預(yù)測誤差。一方面,混紡紗的實際拉伸曲線往往呈光滑的凹凸?fàn)?而預(yù)測曲線被簡化為直線或折線,如圖5所示。實際曲線呈凸?fàn)顣r,例如棉/竹漿纖維混紡和滌綸/大豆蛋白復(fù)合纖維混紡時,斷裂比功預(yù)測值就會偏小;相反,當(dāng)實際曲線呈凹狀時,例如高比例腈氯綸混紡以及高比例羊毛混紡時,斷裂比功預(yù)測值就會偏大。另一方面,斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長率的預(yù)測值偏大,斷裂比功預(yù)測值也會偏大;相反,斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長率預(yù)測值偏小,例如棉/大豆蛋白復(fù)合纖維、棉/高強(qiáng)錦綸以及大麻/錦綸混紡,斷裂比功預(yù)測值也會偏小。

雖然預(yù)測結(jié)果存在一定誤差,但該關(guān)系式能較好地預(yù)測出斷裂比功隨混紡比變化的趨勢。

4 結(jié) 論

本文探究了雙組分混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系。通過對混紡紗斷裂過程的分析,提出了一種簡單的混紡紗拉伸曲線模型,并根據(jù)該模型建立了混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系式。由該式可知,與斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率相似,混紡紗斷裂比功隨混紡比變化的趨勢在臨界混紡比附近發(fā)生轉(zhuǎn)變。之后通過實驗數(shù)據(jù)驗證了該關(guān)系式的適用性與可靠性。該式為預(yù)測混紡紗的斷裂比功提供了一種簡單的方法,且預(yù)測誤差與現(xiàn)有的斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長率表達(dá)式的預(yù)測誤差相似,處于可接受范圍內(nèi),為生產(chǎn)中合理地選擇混紡比提供了指導(dǎo)。

致謝感謝上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究基地對本文的資助。