纖維彎曲性能測量

1、中晨產(chǎn)品通俗系列講義 0604如何測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”是消費者 對纖維性能最直接的感覺。 這些感覺又都和纖維彎曲柔軟性能緊密相連， 對于紡 織研究單位、紗線加工企業(yè)， 服裝設計部門， 如果能獲得所用纖維彎曲柔軟性能 的一手資料，通過利用纖維原料比例、并條、混紡等手段，能最大程度優(yōu)化紗線 性能，從而改善紡織面料最終性能。紗線在紡織加工中以及織物在服用過程中都會受到彎曲力矩的作用， 產(chǎn)生彎 曲變形。紗線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 作用在紗線中表現(xiàn)為紗線捻度和紗線轉(zhuǎn)移， 在織物中表現(xiàn)為交織點和浮長。 纖維 自

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

3、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 纖維大多在紗線外層分布”。軸向壓縮彎曲法測量細小單纖維的彎曲性能實為纖維檢測領域的一大突破。 測量采用一端握持一端模擬鉸鏈的開放測量方法， 使其裝樣簡便可控。 纖維的對 中、纖維突出長度、 纖維直徑均采用壓縮彎曲過程中光學原位組合測量， 使其結(jié) 果離散小、 重現(xiàn)性好。根據(jù)纖維細度和剛?cè)嵝裕?選擇性測量合適長徑比的單纖維 試樣，使其結(jié)果準確可靠。測量時調(diào)整合適長徑比即可適用于不同種類纖維測量，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定量 評價。該方法及裝置解決了短纖維 （如羊絨、棉纖維

4、）無法測量彎曲性能的難題， 同時也適用于各種長絲纖維。 通過更換不同微孔直徑或帶有細槽的上平臺即可測 量紗線、薄膜和織物的彎曲性能。該方法能準確定量計算彎曲特征參數(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)字設備有限公司附錄：應用研究實例作羊毛纖維和蠶絲纖維對比研究，實驗發(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?？箯潉偠仁堑刃澢Ａ亢蛻T 性矩的乘積，慣性矩受纖維直徑和纖維截面形態(tài)影響， 單纖維自身剛?cè)嵝阅艽笮?/p>

5、 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中的實驗結(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，紡織纖維為各項異性體，有著復雜的微細結(jié)構(gòu)如圖1b，橫 截面mn和pq繞垂直于xy平面的軸線作相對旋轉(zhuǎn)，因而，纖維凸邊的縱向原纖 伸長，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，存在一個縱向原纖長度不變的 面。在圖中用虛線ss表示，稱為中性面。它與任一橫截面的交線，稱為該橫截 面的中性軸，變形之后，兩

6、個相鄰的橫截面mn和pq交于軸0，該軸為纖維縱 軸的曲率中心這兩個平面之間的夾角用 心表示，dx為相鄰兩個橫截面mn和pq之間微段的長度，而曲率半徑用表示。根據(jù)該圖的幾何形狀我們得知：、dxP=祇(1)離中性面為為：y的一根典型縱向原纖ab的伸長為ydx/，如圖1a且相應的應變中性軸以下為拉應力，中性軸以上為壓應力。在整個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12M - - rydAEty dA= -EBly(3)式中丨dA；1/ Xz/dx；Et為切線模量為應力和應變的比值，由于紡織 纖維不同于金屬纖維，其有明顯的屈服點，且比例極限點應力較低，有必要考慮 切線模量的

7、變化，如圖1d。而拉伸曲線和纖維純壓縮曲線相似但不完全相同，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。鑒于此有必要設計合適測量方法， 定量計算等效 彎曲模量EB并計算抗彎剛度EBI，而非帶入拉伸模量近似計算。=1P圖 1 單纖維彎曲（A）單纖維彎曲分析圖.（B） 應力分析圖（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量法原理根據(jù)Euler載荷原理， 即利用纖維軸向的載荷來產(chǎn)生彎曲， 由于纖維長徑比 較大，因此壓縮過程中偏心作用成為主導，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構(gòu)造測量裝置

8、3征指標計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，有必要把纖維本質(zhì)彎曲因素分離出來。 因此對 單纖維的等效彎曲模量進行了實驗計算。 根據(jù)壓縮彎曲儀的實驗原理，考慮纖維 截面形態(tài)的影響，相應的臨界載荷的表達式為：公式4中Per為壓縮彎曲臨界載荷（10-5N）；EB嚴格的說法是等效彎曲模量，相 當于拉伸和壓縮模量的復合；KB為截面形狀系數(shù)；Io慣性矩；L單纖維突出長 度；D纖維直徑；r纖維半徑。對于正圓形的最小慣性矩為lor4/4,較多纖維的橫斷面接近正圓形，而一些纖維

9、特別是天然纖維素纖維其橫截面有明顯長短軸之分，而纖維彎曲時總是向它最容易彎曲的方向彎折，因此計算纖維的臨界載荷時，需引入截面形狀系數(shù)KB,詳細計算見文獻，而羊毛的截面近于正圓，因此形狀系數(shù)暫以KB=1進行計算，蠶絲截面以正三角進行近似計算KB=1.209。在公式4中，設k=0.99EBKB，則Per=k（D4/L2），k為過原點的線性方程的斜率。依據(jù)Per與D4/L2圖實測擬合直線（過 原點的線性方程）的斜率k，可求得纖維等效彎曲模量EB（GPa）,即見圖2和圖3Per二2O.19EBKBIOL220.19二r4EBKB4L2二0嗨心(4)單纖維彎曲截面羊毛纖維原纖結(jié)構(gòu)圖 （C）(15)D4/L2圖2羊毛Per與D4/L2關(guān)系圖圖3蠶絲P