靳需嶺，李營建

(1.河南省服裝研究所有限公司，河南 鄭州 450007；2．河南工程學(xué)院 紡織工程系，河南 鄭州 450007)

氨綸包芯紗是在氨綸彈性纖維外包覆各種短纖維制成的一種復(fù)合紗線[1].紗芯氨綸長絲可提供優(yōu)良的彈性，外包短纖維則提供良好的手感、外觀和服用的舒適性，其力學(xué)性能兼具彈性固體和黏性流體的變形特征，是一種性能明顯的黏彈體材料.在紡紗過程中，采用不同工藝參數(shù)紡制的氨綸包芯紗的黏彈性有明顯的區(qū)別.本研究在測試大豆蛋白纖維純紗和不同氨綸絲預(yù)牽伸倍數(shù)大豆/氨綸包芯紗蠕變的基礎(chǔ)上，選擇四元素力學(xué)模型，建立了在定負荷作用下蠕變時應(yīng)變隨時間變化的關(guān)系式.利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得出了不同工藝條件下蠕變的擬合方程，并進一步求解力學(xué)模型在不同工藝條件下的特征參數(shù)，深入研究了影響氨綸包芯紗蠕變性能的因素.

1 蠕變試驗

紗線在恒定拉伸力的作用下變形隨時間而變化的現(xiàn)象，就是“蠕變”[2].通過蠕變試驗，結(jié)合四元素模型應(yīng)力、應(yīng)變與時間關(guān)系的描述，了解不同預(yù)牽伸倍數(shù)對氨綸包芯紗蠕變性能的影響.

1.1 紗線品種和規(guī)格

14.6 tex大豆蛋白纖維紗，14.6 tex(44 dtex)大豆蛋白纖維氨綸包芯紗，氨綸絲分別采用3.0倍、3.25倍和3.5倍的預(yù)牽伸倍數(shù)[3].

1.2 試驗裝置及方法

蠕變試驗采用如下測試方法：握持紗線的一端，另一端引出通過滑輪懸掛一定重量的重錘或砝碼，用米尺測量隨時間變化的伸長量，再換算成伸長率.每種紗樣取50個試樣，試樣的原長為50 cm，拉伸定重選50 cN[4].

由于氨綸包芯紗有較大的彈性，自然狀態(tài)下易卷曲，故在量取初始長度和撤去拉伸力讓紗線回彈時，需掛上4 cN重的砝碼，使紗線伸直.

1.3 試驗結(jié)果及分析

測試數(shù)據(jù)見表1.

表1 不同預(yù)牽伸倍數(shù)時的成紗蠕變性能 Tab.1 The draft up the different when yarn creep properties

蠕變試驗結(jié)果表明：

(1)大豆蛋白纖維純紗和大豆/氨包芯紗均是黏彈性材料，在定負荷作用下，其伸長由急彈性形變、緩彈性形變與塑性形變3部分組成;

(2)由于氨綸絲的存在，包芯紗的蠕變現(xiàn)象比純紗明顯，其在各個階段的伸長率均明顯高于純紗；

(3)采用不同的預(yù)牽伸倍數(shù)時氨綸絲產(chǎn)生的應(yīng)力不同，故對氨綸包芯紗的蠕變性能有影響.試驗數(shù)據(jù)顯示，隨著預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，在同等負荷下氨綸包芯紗的伸長率逐步增加，即適當(dāng)增加預(yù)牽伸倍數(shù)可提高成紗彈性，但預(yù)牽伸倍數(shù)過大將導(dǎo)致大分子在結(jié)晶區(qū)中被抽拔滑動，其塑性變形會隨之增加.

2 紗線黏彈體的基本模型

圖1 四元素模型Fig.1 Four-element model

為深入研究和理解黏彈性的本質(zhì)，引入了多元素力學(xué)模型，可以更加直觀、形象地描述紗線的蠕變現(xiàn)象.在常用的力學(xué)模型中，麥克思威爾模型只能體現(xiàn)松弛現(xiàn)象，不能表示蠕變；開爾文模型雖能體現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，卻又無法表示應(yīng)力松弛.因此，要描述紗線的急彈性形變、緩彈性形變與塑性形變，需要有更多元件組成模型.三元素模型由一根彈簧和開爾文模型串聯(lián)而成，外力去除后，只要保持足夠長的時間，該模型的變形將全部消失，不能反映材料的塑性變形.四元素模型是在三元素模型的基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個阻尼器，如圖1所示，該模型可產(chǎn)生永久性的塑性變形.

根據(jù)表1可知，紗線的形變由急彈性形變、緩彈性形變和塑性形變3個部分組成，所以四元素模型特征與成紗的蠕變特征比較吻合，我們可借助四元素模型比較直觀、準確地描述氨綸包芯紗的蠕變性能.

3 模型蠕變伸長時應(yīng)變與時間的關(guān)系

在應(yīng)力σ的作用下，四元素模型中彈簧E0、開爾文模型和阻尼器η0將分別產(chǎn)生形變ε0，εa和εb，三者共同組成四元素模型的總形變.進行蠕變試驗時，氨綸包芯紗上所加應(yīng)力σ為不變負荷，依據(jù)初始條件t=0時ε=0，可得到四元素模型蠕變伸長時應(yīng)變隨時間變化的關(guān)系式[5].如下：

(1)

4 紗線蠕變伸長的擬合方程

在紗線應(yīng)變隨時間變化的關(guān)系式中，4個特征參數(shù)(E，E0，η，η0)未知，可根據(jù)紗線的蠕變試驗數(shù)據(jù)進行推導(dǎo)計算，能得出在定負荷σ作用下產(chǎn)生紗線蠕變時，應(yīng)變ε隨時間t變化的擬合方程.

4.1 利用麥夸特擬合方法建立擬合方程

為了分析四元素模型對紗線黏彈性能模擬的優(yōu)劣，使用計算機軟件(DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))對試驗數(shù)據(jù)進行處理，求得應(yīng)變ε隨時間t變化的擬合方程.

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對不同預(yù)牽伸倍數(shù)時的實測數(shù)據(jù)進行處理，得到不同工藝條件下紗線蠕變伸長時的擬合方程及方程特征參數(shù)C1,C2,如表2所示.

表2 紗線的蠕變擬合方程及方程特征參數(shù)Tab.2 Yarn creep fitting equation and the equation feature parameters

4.2 不同工藝條件下應(yīng)變ε的實測值和擬合值

根據(jù)DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理結(jié)果，得到了純大豆纖維紗與大豆纖維/氨綸包芯紗在定負荷作用下、不同預(yù)牽伸倍數(shù)時，應(yīng)變ε的擬合值和實測值，如表3所示.

表3 實測應(yīng)變及其估計值Tab.3 Measured stress and its estimate

續(xù)表3

表4 擬合的F值、相關(guān)系數(shù)及修正相關(guān)系數(shù)Tab.4 Fitted F value, correlation coefficient and modified orrelation coefficient

通過表3中對氨綸包芯紗應(yīng)變擬合值和實測值的比較，純大豆纖維紗擬合值和實測值的差異最小，氨綸包芯紗擬合值和實測值的差異較大，且隨著氨綸絲預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，擬合值和實測值的差異也逐步增加.從DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的擬合的F值、相關(guān)系數(shù)及修正相關(guān)系數(shù)如表4所示.

從表4可知，純大豆纖維紗在定負荷作用下伸長率較小，擬合的F值、相關(guān)系數(shù)與修正相關(guān)系數(shù)均較大，這說明采用四元素模型來描述其在定負荷作用下的蠕變特性較準確.但氨綸包芯紗在氨綸絲預(yù)牽伸倍數(shù)較大時，在各個階段的伸長率均明顯高于純紗，擬合的F值、相關(guān)系數(shù)與修正相關(guān)系數(shù)均相應(yīng)降低，這說明隨著紗線伸長率的增加，采用四元素模型來描述其在定負荷作用下的蠕變規(guī)律的準確性降低.

4.3 四元素模型的特征參數(shù)

4.3.1 彈簧模型的彈性系數(shù)E0

根據(jù)四元素模型的特性，開爾文模型和阻尼器在應(yīng)力σ作用下，其變形是比較緩慢的，所以從理論上可以認為在應(yīng)力σ的瞬時作用下產(chǎn)生的變形幾乎全部來自彈簧E0.所以，紗線在1 min時的伸長率可看作為瞬時變形ε0.根據(jù)σ=E0×ε0得到不同預(yù)牽伸倍數(shù)時彈簧模型的彈性系數(shù)E0，見表5.

4.3.2 阻尼器的阻尼系數(shù)η0

阻尼器在恒定負荷σ的作用下，將以一定的速率產(chǎn)生形變.但在外力去除后，其形變是不可恢復(fù)的，即阻尼器η0產(chǎn)生的形變?yōu)橛谰眯缘乃苄宰冃?所以，紗線在應(yīng)力σ去除長時間后，其不能恢復(fù)的變形即為阻尼器η0在恒定負荷σ的作用下經(jīng)過時間t后產(chǎn)生的變形εb.

4.3.3 開爾文模型的特征參數(shù)E、η

表5 四元素模型的特征參數(shù)Tab.5 Four-element model of the characteristic parameters

由表5可知，由于純大豆纖維紗與氨綸包芯紗四元素模型的特征參數(shù)具有顯著差異，這說明氨綸包芯紗與純大豆纖維紗的力學(xué)特性有明顯區(qū)別.同時，氨綸包芯紗在采用不同的預(yù)牽伸倍數(shù)時，四元素模型的特征參數(shù)差異更大，這說明預(yù)牽伸倍數(shù)對氨綸包芯紗的力學(xué)特性具有顯著影響.在預(yù)牽伸倍數(shù)較小時，四元素模型的特征參數(shù)E0，η0較大，這說明氨綸包芯紗的急彈性變形與塑性變形較小，紗線和織物彈性也較小，在應(yīng)力作用下不易變形，織物的定型性較好.在預(yù)牽伸倍數(shù)較大時，四元素模型的特征參數(shù)E0，η0較小，這說明氨綸包芯紗的急彈性變形與塑性變形較大，紗線和織物彈性也較大，在應(yīng)力作用下易變形，織物的定型性較差.

5 結(jié)論

(1)氨綸絲預(yù)牽伸倍數(shù)對氨綸包芯紗的蠕變性能有顯著影響，適當(dāng)增加預(yù)牽伸倍數(shù)，伸長率變化明顯，即成紗彈性好.但預(yù)牽伸倍數(shù)過大將導(dǎo)致大分子在結(jié)晶區(qū)中被抽拔滑動，其塑性變形會隨之增加.

(2)氨綸包芯紗在各個階段的伸長率較小時，采用四元素模型來描述紗線在定負荷作用下蠕變規(guī)律的準確性較高.相反，當(dāng)氨綸包芯紗在各個階段的伸長率較大時，其準確性相應(yīng)降低.

(3)根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)，通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立紗線蠕變伸長時的擬合方程，并可分階段得到四元素模型的特征參數(shù).由此可知，當(dāng)氨綸絲的預(yù)牽伸倍數(shù)增加時，四元素模型的特征參數(shù)E0，η0逐步變小，說明氨綸包芯紗的急彈性變形與塑性變形增大，在應(yīng)力作用下易變形，織物的定型性較差.

參考文獻：

[1] 石風(fēng)俊，劉萍，張穎，等.氨綸包芯紗拉伸性能建模的研究[J].紡織學(xué)報，2005(2)：56-58.

[2] 于衛(wèi)東.紡織材料學(xué)[M].北京：中國紡織出版社，2006：110-112.

[3] 李營建，肖豐.大豆纖維氨綸包芯紗預(yù)牽伸參數(shù)探討[J].上海紡織科技，2003(6)：18-20.

[4] 楊懷強，左軍昌.氨綸包芯紗物理指標的測試[J].紡織標準與質(zhì)量，2001(6)：26-28.

[5] 李營建，肖豐，趙東賓.氨綸包芯紗蠕變性能四元素模型的研究[J].紡織科學(xué)研究，2004(2)：16-20.