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1、中晨產(chǎn)品通俗系列講義 0604如何測(cè)量纖維彎曲柔軟性能“羊絨般的滑糯、輕暖,絲般的柔順、滑爽,棉般的舒適、柔軟”是消費(fèi)者 對(duì)纖維性能最直接的感覺(jué)。 這些感覺(jué)又都和纖維彎曲柔軟性能緊密相連, 對(duì)于紡 織研究單位、紗線(xiàn)加工企業(yè), 服裝設(shè)計(jì)部門(mén), 如果能獲得所用纖維彎曲柔軟性能 的一手資料,通過(guò)利用纖維原料比例、并條、混紡等手段,能最大程度優(yōu)化紗線(xiàn) 性能,從而改善紡織面料最終性能。紗線(xiàn)在紡織加工中以及織物在服用過(guò)程中都會(huì)受到彎曲力矩的作用, 產(chǎn)生彎 曲變形。紗線(xiàn)和織物彎曲是纖維自身彎曲和纖維間相互作用的疊加。 纖維間相互 作用在紗線(xiàn)中表現(xiàn)為紗線(xiàn)捻度和紗線(xiàn)轉(zhuǎn)移, 在織物中表現(xiàn)為交織點(diǎn)和浮長(zhǎng)。 纖維 自

2、身彎曲性能是紗線(xiàn)和織物彎曲最基本因素, 然而測(cè)量方法和測(cè)量范圍限制使得 紡織品彎曲評(píng)價(jià)仍然停留在紗線(xiàn)這一層次。JQ03 單纖維壓縮彎曲儀 是中晨公司在單纖維彎曲測(cè)量方面的突破,使得單 纖維特別是短纖維的彎曲性能評(píng)價(jià)變得可能, 經(jīng)測(cè)量分析可提取出等效彎曲模量 和抗彎剛度這兩項(xiàng)基本彎曲指標(biāo)。 該方法已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利, 上海市發(fā)明專(zhuān)利獎(jiǎng), 相關(guān)論文在紡織學(xué)報(bào) 、中國(guó)纖檢和 Journal of Applied Polymer Science 發(fā)表,實(shí)驗(yàn)相關(guān)方法在 Fiber Society年會(huì)上宣讀,得到國(guó)際纖維屆的認(rèn)可。經(jīng)我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) “羊毛比羊絨更僵硬主要是細(xì)度大, 羊駝毛手感松軟是表面 摩擦小

3、,棉柔軟是橫截面慣性距小, 麻纖維刺癢是彎曲模量大所造成, 易于彎曲 纖維大多在紗線(xiàn)外層分布” 。軸向壓縮彎曲法測(cè)量細(xì)小單纖維的彎曲性能實(shí)為纖維檢測(cè)領(lǐng)域的一大突破。 測(cè)量采用一端握持一端模擬鉸鏈的開(kāi)放測(cè)量方法, 使其裝樣簡(jiǎn)便可控。 纖維的對(duì) 中、纖維突出長(zhǎng)度、 纖維直徑均采用壓縮彎曲過(guò)程中光學(xué)原位組合測(cè)量, 使其結(jié) 果離散小、 重現(xiàn)性好。根據(jù)纖維細(xì)度和剛?cè)嵝裕?選擇性測(cè)量合適長(zhǎng)徑比的單纖維 試樣,使其結(jié)果準(zhǔn)確可靠。測(cè)量時(shí)調(diào)整合適長(zhǎng)徑比即可適用于不同種類(lèi)纖維測(cè)量,如高性能纖維、金屬 纖維、蜘蛛蛋白纖維、 羊絨、 常用服用纖維和各種改性纖維的彎曲性能客觀(guān)定量 評(píng)價(jià)。該方法及裝置解決了短纖維 (如羊

4、絨、棉纖維) 無(wú)法測(cè)量彎曲性能的難題, 同時(shí)也適用于各種長(zhǎng)絲纖維。 通過(guò)更換不同微孔直徑或帶有細(xì)槽的上平臺(tái)即可測(cè) 量紗線(xiàn)、薄膜和織物的彎曲性能。該方法能準(zhǔn)確定量計(jì)算彎曲特征參數(shù)值,即等效彎曲模量和抗彎剛度。等效 彎曲模量是獨(dú)立于纖維直徑反映纖維材料抗彎性能的本質(zhì)特征值, 由單纖維材料 自身分子結(jié)構(gòu)決定, 在數(shù)值上等效于拉伸模量和純壓縮模量沿纖維截面的積分平 均和。上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司附錄:應(yīng)用研究實(shí)例 作羊毛纖維和蠶絲纖維對(duì)比研究, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蠶絲的等效彎曲模量大于羊毛纖 維的彎曲模量,即 折疊比 螺旋的結(jié)構(gòu)更剛硬。抗彎剛度是等效彎曲模量和慣 性矩的乘積, 慣性矩受纖維直徑和纖維截面形態(tài)影響

5、, 單纖維自身剛?cè)嵝阅艽笮?由纖維等效彎曲模量、纖維直徑和纖維截面形態(tài)決定。根據(jù)表 1 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)盡管蠶絲等效彎曲模量大于羊毛, 但由于羊毛纖維直徑較大, 使羊毛單纖維 抗彎剛度比蠶絲抗彎剛度大 15 倍左右,即蠶絲單纖維更柔軟。1 等效彎曲模量不同于金屬纖維, 紡織纖維為各項(xiàng)異性體, 有著復(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu)如圖 1b,橫 截面 mn 和 pq 繞垂直于 xy 平面的軸線(xiàn)作相對(duì)旋轉(zhuǎn),因而,纖維凸邊的縱向原纖 伸長(zhǎng),而凹邊的縱向原纖縮短。 于是, 纖維的上部原纖處于壓縮狀態(tài)而下部原纖 處于拉伸狀態(tài)。 在纖維的頂部和底部之間的某處, 存在一個(gè)縱向原纖長(zhǎng)度不變的 面。在圖中用虛線(xiàn) ss 表示,

6、稱(chēng)為中性面。它與任一橫截面的交線(xiàn),稱(chēng)為該橫截 面的中性軸,變形之后,兩個(gè)相鄰的橫截面 mn 和 pq 交于軸 O,該軸為纖維縱 軸的曲率中心這兩個(gè)平面之間的夾角用 d 表示, dx 為相鄰兩個(gè)橫截面 mn 和 pq 之間微段的長(zhǎng)度,而曲率半徑用 表示。根據(jù)該圖的幾何形狀我們得知:dxd (1)離中性面為 為:y 的一根典型縱向原纖 ab的伸長(zhǎng)為 ydx/ ,如圖 1a 且相應(yīng)的應(yīng)變y(2)中性軸以下為拉應(yīng)力,中性軸以上為壓應(yīng)力。在整個(gè)橫截面面積上所有這樣的微元力矩的積分必等于彎矩 M,如圖 1c 因此12MxydAEt y2dA EBIy(3)式中I y dA;y 1/ d /dx; Et 為

7、切線(xiàn)模量為應(yīng)力和應(yīng)變的比值, 由于紡織 纖維不同于金屬纖維, 其有明顯的屈服點(diǎn), 且比例極限點(diǎn)應(yīng)力較低, 有必要考慮 切線(xiàn)模量的變化 ,如圖 1d。而拉伸曲線(xiàn)和纖維純壓縮曲線(xiàn)相似但不完全相同,因 此纖維等效彎曲模量 EB 并不等同于楊氏模量或拉伸模量,其值為拉伸模量和壓 縮模量沿纖維截面的積分平均。 鑒于此有必要設(shè)計(jì)合適測(cè)量方法, 定量計(jì)算等效 彎曲模量 EB 并計(jì)算抗彎剛度 EBI,而非帶入拉伸模量近似計(jì)算。羊毛纖維原纖結(jié)構(gòu)圖 . (C)單纖維彎曲截面圖 1 單纖維彎曲 (A) 單纖維彎曲分析圖 . (B) 應(yīng)力分析圖 (D) 拉伸切模量和壓縮切模量示意圖2 單纖維軸向壓縮彎曲測(cè)量法原理根據(jù)

8、 Euler 載荷原理,即利用纖維軸向的載荷來(lái)產(chǎn)生彎曲,由于纖維長(zhǎng)徑比 較大,因此壓縮過(guò)程中偏心作用成為主導(dǎo),纖維被彎曲,而不是被純壓縮。采用 下端握持 , 上端鉸鏈的單纖維壓縮彎曲模型來(lái)構(gòu)造測(cè)量裝置Pcr20.19EBKBI0L2420.19 r 4EBK B4L20.99EBK B DL24)3 征指標(biāo)計(jì)算 纖維抗彎剛度反映了纖維抵抗彎曲的能力,即通常所指剛硬還是柔軟,其綜 合了纖維本質(zhì)彎曲因素(即彎曲模量)和橫截面因素(即直徑與橫截面形狀) 。 在定量化分析單纖維彎曲性能時(shí), 有必要把纖維本質(zhì)彎曲因素分離出來(lái)。 因此對(duì) 單纖維的等效彎曲模量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)計(jì)算。 根據(jù)壓縮彎曲儀的實(shí)驗(yàn)原理, 考

9、慮纖維 截面形態(tài)的影響,相應(yīng)的臨界載荷的表達(dá)式為:公式 4 中 Pcr 為壓縮彎曲臨界載荷 (10-5N);EB 嚴(yán)格的說(shuō)法是等效彎曲模量,相 當(dāng)于拉伸和壓縮模量的復(fù)合; KB 為截面形狀系數(shù); I0 慣性矩; L 單纖維突出長(zhǎng) 度; D纖維直徑; r 纖維半徑。對(duì)于正圓形的最小慣性矩為 I0= r4/4, 較多纖維的橫斷面接近正圓形, 而一些 纖維特別是天然纖維素纖維其橫截面有明顯長(zhǎng)短軸之分, 而纖維彎曲時(shí)總是向它 最容易彎曲的方向彎折, 因此計(jì)算纖維的臨界載荷時(shí), 需引入截面形狀系數(shù) KB, 詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn),而羊毛的截面近于正圓,因此形狀系數(shù)暫以KB1 進(jìn)行計(jì)算,蠶絲截面以正三角進(jìn)行近似計(jì)算 KB1.209。在公式 4 中,設(shè) k=0.99EBKB,則 Pcr=k(D4/L2),k為過(guò)原點(diǎn)的線(xiàn)性方程的斜率。 依據(jù) Pcr與D4/L2圖實(shí)測(cè)擬合直線(xiàn)(過(guò) 原點(diǎn)的線(xiàn)性方程)的斜率 k,可求得纖維等效彎曲模量 EB(GPa),即見(jiàn)圖 2 和圖 3(15)EB1.01 10 8k KBD4/L2圖2羊毛Pcr與D4/L

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