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。 這些感覺又都和纖維彎曲柔軟性能緊密相連， 對(duì)于紡 織研究單位、紗線加工企業(yè)， 服裝設(shè)計(jì)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(huì)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(diǎn)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(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)。 該方法已獲國家發(fā)明專利， 上海市發(fā)明專利獎(jiǎng)， 相關(guān)論文在紡織學(xué)報(bào) 、中國纖檢和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，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(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放測(cè)量方法， 使其裝樣簡便可控。 纖維的對(duì) 中、纖維突出長度、 纖維直徑均采用壓縮彎曲過程中光學(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)整合適長徑比即可適用于不同種類纖維測(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定量 評(píng)價(jià)。該方法及裝置解決了短纖維 （如羊絨、棉纖維

4、）無法測(cè)量彎曲性能的難題， 同時(shí)也適用于各種長絲纖維。 通過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、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， 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(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平面的軸線作相對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)平面之間的夾角用 心表示，dx為相鄰兩個(gè)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(yīng)的應(yīng)變中性軸以下為拉應(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12M - - rydAEty dA= -EBly(3)式中丨dA；1/ Xz/dx；Et為切線模量為應(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(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。=1P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)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(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構(gòu)造測(cè)量裝置

8、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。 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Per為壓縮彎曲臨界載荷（10-5N）；EB嚴(yán)格的說法是等效彎曲模量，相 當(dāng)于拉伸和壓縮模量的復(fù)合；KB為截面形狀系數(shù)；Io慣性矩；L單纖維突出長 度；D纖維直徑；r纖維半徑。對(duì)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(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)算見文獻(xiàn)，而羊毛的截面近于正圓，因此形狀系數(shù)暫以KB=1進(jìn)行計(jì)算，蠶絲截面以正三角進(jìn)行近似計(jì)算KB=1.209。在公式4中，設(shè)k=0.99EBKB，則Per=k（D4/L2），k為過原點(diǎn)的線性方程的斜率。依據(jù)Per與D4/L2圖實(shí)測(cè)擬合直線（過 原點(diǎn)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