玻璃纖維紗線力學性質損傷的測試分析

朱進忠，蘇玉恒

(河南工程學院 紡織工程系，河南 鄭州 450007)

玻璃纖維是一種重要的增強材料，最早用于制造復合材料的增強體.玻璃纖維具有高強低伸[1-2]、易彎曲脆斷等性能[3-4]，在加工過程中其紗線容易受到拉伸、彎曲、摩擦等外力作用而導致?lián)p傷，出現(xiàn)毛絲、斷頭等問題，嚴重影響加工和使用[5-7].但是，目前關于玻璃纖維紗線的加工損傷還缺少具體的試驗和分析.

本研究對玻璃纖維紗線的斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂功、接結強度、摩擦等力學性質指標進行了測試與比較，分析了玻璃纖維紗線在加工過程中的損傷原因.

表1 實驗用玻璃纖維紗線規(guī)格Tab.1 Glass fibers in experiment

1 玻璃纖維紗線強伸度測試分析

1．1 實驗材料和主要儀器

1．1．1 實驗材料

兩種三股玻璃纖維紗線由洛玻晶緯玻璃纖維有限公司提供，規(guī)格見表1.

1．1．2 主要儀器

本實驗在HD026N型電子強力儀上進行測試.拉伸隔距設置為200 mm，速度設置為200 mm/min(定速拉伸)，每管紗線測試10次，測試結果見表2.

表2 紗線拉伸性能測試結果Tab.2 Result in the tensile test of yarns

1．2 結果與分析

從表2可以看出，玻璃纖維紗線強度是普通棉紗的4.8～5.2倍，可以承受普通紗線所不能承受的拉伸力，但它的斷裂伸長率卻很低，不到2%.這種高強低伸性即紗線的脆性大使得玻璃纖維紗線易受變形的影響，即使變形很小，產(chǎn)生的應力也會很大，從而容易在加工過程中造成紗線的斷裂損傷.

從表2還可以看出，Y1紗線比Y2紗線的各項力學性質指標高，其原因是紗線的物理機械性質是由組成紗線的纖維性質和成紗結構所決定的.紗線結構最重要的影響因素是加捻[8]，加捻使紗線中原來平行伸直排列的纖維與紗軸傾斜成一定的角度，改變了紗線中纖維的內外分布，使纖維在發(fā)生內外轉移的同時，自身也發(fā)生了扭轉變形，從而改變了紗線的物理機械性質.一般來說，紗線加捻后，緊密度增加，直徑變小，紗線內纖維間的相互擠壓和摩擦力增加，紗線的強度增加.玻璃纖維越細,紗線單位截面內的纖維根數(shù)就越多,排列越緊密,纖維之間的相互作用力增加,有利于提高紗線的強度.紗線的線密度也是影響紗線強度的一個重要因素.若組成紗線的纖維直徑相同，則紗線的線密度越大(紗線越粗)，紗線的強度也越大.Y1紗線的線密度大，紗線中的玻璃纖維細，故比Y2紗線的各項力學性質指標高.

2 玻璃纖維紗線的接、結強度測試分析

2．1 實驗

接結強度反映了纖維紗線的抗彎曲性能，體現(xiàn)的是紗線的脆性.使玻璃纖維紗線按照特定的接結方式在YG061F 電子單紗強力儀上進行測試，測試結果見表3與表4.

表3 玻璃纖維紗線的鉤接強度Tab.3 Hook joint strength of glass yarn

表4 玻璃纖維紗線的打結強度Tab.4 The knot strength of glass yarn

2．2 結果與分析

對比表2、表3和表4可知，玻璃纖維紗線彎曲拉伸時的強度要遠低于其直拉強度，Y1紗線的鉤結強度只達到直拉強度的80%，Y2紗線的鉤結強度只有直拉強度的75%.另一個值得注意的現(xiàn)象是,玻璃纖維紗線的斷裂點全部發(fā)生在鉤結處，而棉紗的斷裂位置卻幾乎是隨機的，斷裂在直線段部分的次數(shù)居多，僅有少數(shù)發(fā)生在紗線彎折處.可以認為，上述結果主要是兩者彎曲拉伸斷裂機理的不同造成的.棉纖維的大分子結構特點是細長而分子量大，造成屈服應力小、屈服區(qū)域大，使得產(chǎn)生在彎曲接觸點處的應力可以通過變形得到很好的釋放，因而其斷裂還是主要發(fā)生在弱環(huán)處且強度幾乎沒有什么損失；玻璃纖維是連續(xù)長絲，分子結構短小，屬于無機物脆性材料，在拉壓過程中沒有屈服區(qū)，無法通過塑性變形來減少彎曲在纖維內部引起的彎曲應力，因而接觸點處紗線承載的負荷增加，紗線斷裂強度降低.以上結果說明,雖然玻璃纖維紗線強度高,但由于其模量高,脆性大,在彎曲和扭轉時易發(fā)生斷裂，且彎曲的曲率越大越容易斷裂，所以可以得到，在加工過程中彎曲是玻璃纖維紗線易造成損傷的重要原因.

3 玻璃纖維紗線摩擦測試分析

圖1 LFY—20型紗線耐磨儀Fig.1 LFY—20 wear resistance instrument

3．1 實驗

實驗在LFY—20型紗線耐磨儀(見圖1)上進行，所用的砂紙是600號.實驗時，一定根數(shù)的紗線為一組(本實驗采用10根為一組)，在一定張力的作用下平行排列，固定在工作面上，包裹著砂紙的轉軸勻速轉動(60 r/min)，砂紙對試樣產(chǎn)生摩擦作用，使試樣不同程度地受損.Y1所受張力為70.5 cN時的摩斷次數(shù)為613，Y2所受張力為50.4 cN時的摩斷次數(shù)為802.試樣所受張力變化時，紗線摩斷所用的摩擦次數(shù)如表5所示.

表5 張力不同時摩斷玻璃纖維紗線的摩擦次數(shù)Tab.5 Frictional times of broken glass yarn at different tension

3．2 結果與分析

3.2.1 摩斷次數(shù)變化曲線

由表5可得玻璃纖維紗線摩斷次數(shù)隨紗線張力變化的曲線，如圖2所示.隨著紗線張力的提高，玻璃纖維紗線所能承受摩擦的次數(shù)不斷下降.據(jù)實驗觀察，玻璃纖維紗線在摩擦中所能承受的張力很低，在所受張力接近彎曲拉伸強度時，往往僅摩擦幾次紗線就斷裂了.這是因為玻璃纖維分子結構短小，屬于無機物脆性材料.因此，有時在很低的紗線張力下，紗線表面纖維也會斷裂，形成毛羽，導致紗線損傷.可以說，在加工過程中，摩擦是玻璃纖維紗線易造成損傷的另一重要原因.

圖2 玻璃紗線摩斷次數(shù)隨紗線張力變化曲線Fig.2 The change curve that the glass yarn frictional times with yarn tension

3.2.2 摩斷次數(shù)變化曲線回歸方程的建立

玻璃纖維紗線的摩擦損傷是逐步發(fā)生的,在紗線摩擦性能的影響因素中，紗線張力的影響很大.

從圖2可以看出，各試樣的曲線都是呈下降趨勢的，整體近似直線.應用Matlab數(shù)學分析軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得到玻璃纖維紗線摩斷的摩擦次數(shù)隨紗線張力變化曲線回歸方程，如式(1)和式(2)所示.

N1=1 694.6-12.18X，

(1)

N2=1 488.6-11.68X，

(2)

式中,N1、N2分別為玻璃纖維紗線Y1、Y2摩斷的摩擦次數(shù)；X為紗線張力，cN.

式(1)擬合相關系數(shù)R=0.987,計算F檢驗值=76.125，置信水平α=0.05下，查F臨界值F=10.13，回歸方程顯著.式(2)擬合相關系數(shù)R=0.987, 計算F檢驗值=76.09，置信水平α=0.05下，查F臨界值F=10.13，回歸方程顯著.

4 結 論

綜合上述測試結果，可以得出以下結論：

(1)與棉紗線相比，玻璃纖維紗線的強度大、延伸性差，即紗線的脆性大.彎曲、摩擦、脆性大是玻璃纖維紗線易在加工過程中造成損傷的重要原因.

(2)在打結、鉤結等彎曲拉伸時，玻璃纖維紗線的強度遠比其直拉強度低，彎曲應力對玻璃纖維紗線強度的影響很大.

(3)玻璃纖維紗線摩斷的摩擦次數(shù)與紗線張力直線相關，有時很低的紗線張力也會使紗線的表面纖維斷裂，形成毛羽，導致紗線損傷.

參考文獻:

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[8] 朱進忠，蘇玉恒.玻璃纖維紗線強力與捻度的關系[J].河南工程學院學報：自然科學版,2010(1)：8-10.