孔繁榮，張琮珞，陳莉娜

(河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007)

滌綸產(chǎn)品的規(guī)模和產(chǎn)量長期以來一直居于我國化纖行業(yè)的榜首，隨著科技發(fā)展，通過物理或化學(xué)方法對滌綸纖維進(jìn)行改性處理，可得到功能型產(chǎn)品，以滿足人們的不同需求。滌綸纖維在扭轉(zhuǎn)力矩作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和剪切應(yīng)力[1]，扭轉(zhuǎn)程度越大，纖維受到的剪切應(yīng)力也越大，最終造成結(jié)晶區(qū)破碎和無定形區(qū)中的大分子鏈斷裂。由于進(jìn)行纖維扭轉(zhuǎn)疲勞實驗的儀器需要自制，并且實驗的難度較高，國內(nèi)外相關(guān)研究較少，B. C. Goswami等人[2，3]曾進(jìn)行過聚乙烯、聚酯的扭轉(zhuǎn)疲勞研究，王寶根[4]以自制的扭轉(zhuǎn)疲勞實驗裝置對PBO纖維進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞測試，徐衛(wèi)林、姚穆[5]對羊毛纖維的重復(fù)扭轉(zhuǎn)疲勞性能進(jìn)行了研究，此外，劉曉艷等人[6，7]、董紅明和王善元[8]、封紅艷[9]也對高性能纖維的扭轉(zhuǎn)疲勞和機(jī)理進(jìn)行了研究。目前已有文獻(xiàn)多集中在高性能纖維和羊毛纖維重復(fù)扭轉(zhuǎn)疲勞測試研究，而對纖維扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能的變化卻涉及較少。因此，本文選擇廣泛應(yīng)用的滌綸纖維作為研究對象，分析扭轉(zhuǎn)對其力學(xué)性能的影響。

1 滌綸纖維扭轉(zhuǎn)后性能的變化分析

1.1 纖維的扭轉(zhuǎn)實驗設(shè)計

已有文獻(xiàn)中多數(shù)以自制扭轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞性能的研究，大致可分為兩類：一是王寶根自制的實驗裝置[4]，二是自制單纖維扭轉(zhuǎn)疲勞實驗儀[5]。本實驗依照王寶根[4]自制實驗裝置的原理，選用Y331N型捻度儀進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗。實驗用材料為普通滌綸纖維：名義長度38 mm，名義細(xì)度1.56 dtex。

1.1.1試樣制備

如圖1所示，將要測定的試樣的兩端粘貼在黑紙片上(紙片兩端有白線作為試樣長度的標(biāo)記)，然后剪下紙片，將試樣兩端與紙片一道夾在儀器上，測量前撕去紙片[10]。

圖1 纖維試樣制備

1.1.2滌綸纖維的單次扭轉(zhuǎn)極限

實驗條件：試樣長度30 mm；預(yù)加張力0.2 cN；試驗次數(shù)為20次；扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)為扭斷轉(zhuǎn)數(shù)(即在預(yù)加張力下，纖維扭轉(zhuǎn)到斷裂時所需的轉(zhuǎn)數(shù))。

實驗方法：(1)將捻度儀設(shè)置為直接計數(shù)法，使得在纖維扭轉(zhuǎn)過程中可通過點動的方法進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，在纖維斷裂時停止扭轉(zhuǎn)；夾頭隔距調(diào)整為30 mm，同時調(diào)整儀器至工作狀態(tài)，如圖2所示。(2)將制備好的試樣夾持在捻度儀上，固定定位片，使得纖維在夾頭之間的張力盡可能保持穩(wěn)定，用美工刀裁掉中間多余的黑紙片。(3)啟動儀器，對纖維進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，期間注意觀察纖維的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)纖維臨近斷裂，及時停止扭轉(zhuǎn)，記錄扭斷的轉(zhuǎn)數(shù)并觀察纖維斷裂點的規(guī)律。

圖2 夾頭隔距圖

實驗過程中發(fā)現(xiàn)纖維的斷頭大多出現(xiàn)在金屬夾頭處，原因是所使用捻度儀上的張力錘最小為1 cN，因此在纖維末端施加1 cN預(yù)張力時導(dǎo)致出現(xiàn)實驗誤差，后經(jīng)改進(jìn)選用0.2 cN的張力夾進(jìn)行實驗，在夾頭之間固定定位片，使纖維預(yù)加張力盡可能的穩(wěn)定，并且撕掉多余紙片時在夾頭附近預(yù)留一小節(jié)紙片，以減少金屬夾頭對纖維扭轉(zhuǎn)的影響。經(jīng)過系列調(diào)整發(fā)現(xiàn)，普通滌綸纖維的斷裂點相對隨機(jī)，有時會在兩頭，有時會在中間的任意處。經(jīng)實驗得到滌綸纖維的單次扭斷轉(zhuǎn)數(shù)為548轉(zhuǎn)。

1.2 扭轉(zhuǎn)對滌綸纖維拉伸和彈性的影響

拉伸性能實驗條件：試樣長度30 mm；預(yù)加張力0.2 cN；試驗次數(shù)為50次。

拉伸彈性實驗條件：夾持距離20 mm；拉伸速度20 mm/min；預(yù)加張力值0.20 cN；循環(huán)次數(shù)1次；定伸長值10.0%；停頓時間30 s；回復(fù)時間30 s；負(fù)荷5 cN；試驗次數(shù)為50次。

實驗方法：在已知纖維單次扭斷轉(zhuǎn)數(shù)的前提下，計算纖維在不同程度(單次扭轉(zhuǎn)極限的30%、50%和70%)扭轉(zhuǎn)下所需要的轉(zhuǎn)數(shù)，在捻度儀上設(shè)置好轉(zhuǎn)數(shù)之后進(jìn)行測試，這時進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的纖維不會被扭斷。實驗完成后將其從捻度儀上取下，需要注意的是取下纖維時要兩頭一起取下，以避免僅有一端取下時，纖維會自動退捻產(chǎn)生糾纏打結(jié)，影響到后續(xù)實驗。完成扭轉(zhuǎn)實驗后的試樣使用XQ-2纖維強力儀進(jìn)行拉伸和彈性測試。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 纖維的拉伸性能

普通滌綸纖維的一次拉伸斷裂測試結(jié)果見表1。

表1 纖維的拉伸性能測試結(jié)果

由表1可知，滌綸纖維扭轉(zhuǎn)后的斷裂強度、初始模量和斷裂比功均有降低，且隨著扭轉(zhuǎn)程度的增加，三者的下降程度也越來越大，但斷裂伸長率卻隨著扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)的增加先減小后增加，特別是在70%的扭轉(zhuǎn)后的斷裂伸長率超過了未扭轉(zhuǎn)時的數(shù)值。由纖維拉伸斷裂機(jī)理可知，纖維中次價鍵的斷裂會使纖維變形比較顯著，主要表現(xiàn)為模量的減小和斷裂伸長率的增加，由此推測在扭轉(zhuǎn)過程中，除了分子間的鍵長鍵角發(fā)生了變化，部分分子鏈被拉斷之外，剪切力還使得纖維中部分次價鍵發(fā)生斷裂，另外纖維在扭轉(zhuǎn)70%之后發(fā)生了外觀上的扭結(jié)，在拉伸中扭結(jié)也有利于纖維的伸長，因此扭轉(zhuǎn)后的纖維的強度、初始模量與斷裂比功會下降，但是斷裂伸長率有可能變大。

2.2 纖維的拉伸彈性

普通滌綸纖維的拉伸彈性測試結(jié)果見表2。

表2 纖維拉伸彈性測試結(jié)果

纖維的變形回復(fù)能力是紡織品具有彈性的主要原因之一，因此滌綸纖維制品具有較好的尺寸穩(wěn)定性。由表2可知，滌綸纖維扭轉(zhuǎn)后進(jìn)行拉伸彈性測試時，30%扭轉(zhuǎn)后的急彈性變形比未扭轉(zhuǎn)的要小， 50%扭轉(zhuǎn)后纖維的急彈性變形比未扭轉(zhuǎn)的大，70%扭轉(zhuǎn)后纖維的急彈性變形比未扭轉(zhuǎn)的??；在進(jìn)行30%、50%和70%扭轉(zhuǎn)后，普通滌綸纖維的塑性變形均比未扭轉(zhuǎn)的小，緩彈性變形均比未扭轉(zhuǎn)的大。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的變化情況及彈性變形的原理可知，纖維在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時，由于剪切應(yīng)力的作用，大分子之間的鍵長鍵角發(fā)生變化，部分分子鏈被扭斷，使得纖維產(chǎn)生部分不可逆的變形，在已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形的纖維的基礎(chǔ)上進(jìn)行拉伸彈性的測試，纖維的塑性變形相較于未扭轉(zhuǎn)時的纖維是減少的，而扭轉(zhuǎn)也使纖維的柔性變大，因此整體上纖維的彈性回復(fù)率有所增加。

3 結(jié)語

滌綸纖維在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)過后的斷裂強度、斷裂比功、初始模量與未扭轉(zhuǎn)纖維相比均有所減小，而斷裂伸長率沒有明顯規(guī)律；滌綸纖維在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)后，其彈性回復(fù)率、緩彈性變形均比未扭轉(zhuǎn)纖維的大，急彈性變形沒有明顯規(guī)律。