纖維彎曲性能測(cè)量

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