玻璃纖維紗線的力學(xué)性能測試研究

朱進(jìn)忠，陳建偉

(河南工程學(xué)院 紡織工程系，河南 鄭州 450007)

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料,具有不燃、耐高溫、抗拉強(qiáng)度高、電絕緣好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性,已被廣泛地應(yīng)用在交通運輸、石油化工、電子電器、航空航天、建筑、環(huán)保、機(jī)械、核能、兵器等領(lǐng)域[1-2].為了充分發(fā)揮玻璃纖維的優(yōu)良特性，許多專家學(xué)者做了大量研究.有學(xué)者做了玻璃纖維摩擦性能方面的研究[3]，有的做了玻璃纖維紗線力學(xué)性能損傷的研究[4-5]，有的做了玻璃纖維紗線強(qiáng)力與捻度、捻系數(shù)關(guān)系的研究[6-7]，還有的從彎曲拉伸與直拉中探討玻璃纖維紗線的編織性能與工藝性能[8-9]，但很少有研究玻璃纖維紗線加捻對斷裂伸長率的影響及測試?yán)焖俣取⒂行чL度對玻璃纖維紗線力學(xué)性能測試結(jié)果影響的.本研究做了這方面的相關(guān)研究，并給出了有關(guān)分析結(jié)論.

1 測試條件對力學(xué)性能測試結(jié)果的影響

1.1 實驗方法

實驗材料是35 tex×2雙股玻璃纖維紗線，主要實驗儀器是HD026N型電子強(qiáng)力儀.

不同拉伸速度實驗：在有效長度為300 mm的條件下，測試4組不同拉伸速度紗樣的強(qiáng)伸度與斷裂功，每組紗樣取3次的平均值，繪出與拉伸速度的回歸關(guān)系圖，拉伸速度分別取200 mm/min、300 mm/min、400 mm/min和500 mm/min.

不同有效長度實驗：在拉伸速度為200 mm/min條件下，測試4組不同有效長度紗樣的強(qiáng)伸度與斷裂功，每組紗樣取3次的平均值，繪出與有效長度的回歸關(guān)系圖，有效長度分別取200 mm、300 mm、400 mm和500 mm.

1.2 實驗結(jié)果與分析

1.2.1 拉伸速度的影響

玻璃纖維紗線不同拉伸速度的測試結(jié)果如表1所示.

表1 不同拉伸速度的測試結(jié)果Tab.1 Tensile test results of different speeds

紗樣的強(qiáng)伸度、斷裂功與拉伸速度的關(guān)系如圖1～圖3所示.應(yīng)用origin8.0數(shù)學(xué)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到紗樣的回歸曲線見圖1～圖3.其中，斷裂強(qiáng)度對拉伸速度的回歸方程為：

y= 0.023 4x+0.32，

(1)

相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.75，根據(jù)顯著水平α= 0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(1)相關(guān)性顯著.

圖1 斷裂強(qiáng)度-拉伸速度關(guān)系Fig.1 Breaking strength-tensile rate

圖2 斷裂伸長率-拉伸速度關(guān)系Fig.2 Elongation at break-tensile rate

圖3 斷裂功-拉伸速度關(guān)系Fig.3 Broken power-tensile rate

斷裂伸長率對拉伸速度的回歸方程為：

y=0.006 5x+2.67，

(2)

相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.983 1，根據(jù)顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(2)相關(guān)性顯著.

斷裂功對拉伸速度的回歸方程為：

y=0.000 2x+0.045，

(3)

相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.882 4，根據(jù)顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(3)相關(guān)性顯著.

可以看出，測試?yán)焖俣葘ΣＡЮw維紗線的強(qiáng)伸度和斷裂功的影響比較顯著，隨著測試?yán)焖俣鹊脑黾?，?qiáng)伸度和斷裂功均有增大的趨勢且?guī)缀醭示€性相關(guān).這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有二：①玻璃纖維雖不是高分子材料，但也可以看成具有近乎高分子材料的蠕變松弛現(xiàn)象，會產(chǎn)生力學(xué)性能時間效應(yīng)；②玻璃纖維經(jīng)加捻而成紗線，在外力的作用下紗線中的玻璃纖維會產(chǎn)生摩擦作用.紗樣受拉時，紗線結(jié)構(gòu)要產(chǎn)生變化，紗線中的玻璃纖維就要克服加捻引起的摩擦作用.在克服這一摩擦作用時會產(chǎn)生時間效應(yīng)，即受拉時間長了，摩擦作用被克服而表現(xiàn)為拉伸力小；受拉時間短了，摩擦作用未被克服而表現(xiàn)為拉伸力大，這樣就會出現(xiàn)隨著測試?yán)焖俣鹊脑黾蛹喚€受拉時間變短而強(qiáng)力增大的現(xiàn)象.

由于拉伸速度對玻璃纖維紗線強(qiáng)伸度和斷裂功測試的影響比較大，所以在測試玻璃纖維紗線力學(xué)性能時應(yīng)考慮消除拉伸速度所產(chǎn)生的影響，即采用國家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定的拉伸速度.

1.2.2 有效長度的影響

不同有效長度的玻璃纖維紗線測試結(jié)果如表2所示.

表2 不同有效長度的紗線測試結(jié)果Tab.2 Effective length of the test results of different yarns

紗樣的強(qiáng)伸度、斷裂功與有效長度的關(guān)系如圖4～圖6所示.應(yīng)用origin8.0數(shù)學(xué)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到紗樣的回歸曲線見圖4～圖6.其中，斷裂強(qiáng)度對有效長度的回歸方程為：

y= -0.005 8x+ 0.339 3，

(4)

相關(guān)系數(shù)的平方R2= 0.821 2，根據(jù)顯著水平α= 0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(4)相關(guān)性顯著.用F檢驗法對回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗,回歸方程顯著.

圖4 斷裂強(qiáng)度-有效長度關(guān)系Fig.4 Breaking strength-effective length

圖5 斷裂伸長率-有效長度關(guān)系Fig.5 Elongation at break-effective length

圖6 斷裂功-有效長度關(guān)系Fig.6 Broken power-effective length

斷裂伸長率對有效長度的回歸方程為：

y= -0.001 5x+2.655，

(5)

相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.785 2，根據(jù)顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(5)相關(guān)性顯著.

斷裂功對有效長度的回歸方程為：

y=0.000 09x+0.051，

(6)

相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.852 6，根據(jù)顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程(6)相關(guān)性顯著.

可以看出，測試有效長度對玻璃纖維紗線的強(qiáng)伸度和斷裂功測試的影響也比較顯著，隨著測試有效長度的增加，強(qiáng)伸度和斷裂功均有降低的趨勢且?guī)缀醭示€性相關(guān).這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可做如下解釋，即紗線受力時，斷裂總發(fā)生在強(qiáng)力最弱處，紗線強(qiáng)力是最弱處所能承受的外力.測試有效長度越長，紗線強(qiáng)力不勻的地方越多，紗線強(qiáng)力最弱處被測到的機(jī)會越多，紗線強(qiáng)力就越小.同樣，因為有效長度對玻璃纖維紗線力學(xué)性能測試的影響比較顯著，在測試玻璃纖維紗線的力學(xué)性能時，應(yīng)考慮有效長度的影響，以免對實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成干擾.

2 玻璃纖維紗線強(qiáng)伸度與捻度的關(guān)系

2.1 實驗方法

實驗材料是35 tex×2玻璃纖維紗線，主要的實驗儀器是Y331LN型捻度儀、HD026N型電子強(qiáng)力儀和FA2004型電子天平.

依照國家標(biāo)準(zhǔn)[10-12]，先測出玻璃纖維紗線的捻度，再對其進(jìn)行捻度追加，分別自制出10組不同捻度的紗樣.然后，在同等條件下，分別測試每組紗樣的線密度和強(qiáng)伸度，測試有效長度為200 mm.

2.2 實驗結(jié)果與分析

2.2.1 強(qiáng)度與捻度的關(guān)系

35 tex×2玻璃纖維紗線測試的結(jié)果如表3所示.從表3中可以看出，追加捻度后的試樣不但強(qiáng)力和伸長發(fā)生了變化，線密度也發(fā)生了變化，所以計算紗線強(qiáng)度時要考慮線密度的變化.

表3 35 tex×2紗線強(qiáng)伸度測試結(jié)果Tab.3 35 tex×2 yarn strength and elongation tests

圖7 35 tex×2紗線強(qiáng)度-捻度關(guān)系Fig.7 35 tex×2 yarn strength-twist

紗線強(qiáng)度與捻度關(guān)系所圖7所示.應(yīng)用origin8.0數(shù)學(xué)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到玻璃纖維紗線強(qiáng)度對捻度的回歸方程，進(jìn)行了相關(guān)顯著性檢驗，結(jié)果如表4所示.

從圖7可以看出，紗線的強(qiáng)度隨著捻度的增加而增加，當(dāng)增加到一定值時，強(qiáng)度又隨著捻度的增加而降低.這主要是由于加捻后纖維的傾斜使其所能承受的軸向分力有所減少,而且加捻過程中使紗線中的纖維產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，致使紗線受力時纖維再承受外力的能力降低.當(dāng)捻度增加到一定程度時，紗線強(qiáng)力達(dá)到最大值，此后捻度增加但紗線強(qiáng)力反而降低，其強(qiáng)度最大時的捻度就是臨界捻度.按回歸方程計算出臨界捻度及相應(yīng)臨界捻系數(shù)、最大強(qiáng)度與相應(yīng)最大強(qiáng)力，如表4所示.

表4 回歸結(jié)果分析Tab.4 Regression analysis

為了進(jìn)行比較，將文獻(xiàn)[7]中的50 tex×3玻璃纖維紗線與22 tex×3玻璃纖維紗線重新測試后的結(jié)果分析也一并放入表4中，其紗線強(qiáng)度-捻度關(guān)系如圖8與圖9所示.可以看出，3種玻璃纖維紗線的臨界捻度、臨界捻系數(shù)、最大強(qiáng)度與最大強(qiáng)力各不相同，原因是3種玻璃纖維紗線的線密度及構(gòu)成不同，即隨著線密度及紗線構(gòu)成的不同，玻璃纖維紗線的臨界值各不相同，在設(shè)計生產(chǎn)中應(yīng)引起注意.

圖8 50 tex×3紗線強(qiáng)度-捻度關(guān)系Fig.8 50 tex×3 yarn strength-twist diagram

圖9 22 tex×3紗線強(qiáng)度-捻度關(guān)系Fig.9 22 tex×3 yarn strength-twist diagram

2.2.2 斷裂伸長率與捻度的關(guān)系

圖10 35 tex×2斷裂伸長率-捻度關(guān)系Fig.10 35 tex×2 elongation at break-twist diagram

35 tex×2玻璃纖維紗線的斷裂伸長率與捻度的關(guān)系如圖10所示.應(yīng)用origin8.0數(shù)學(xué)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到35 tex×2玻璃纖維紗線斷裂伸長率對捻度的回歸方程為：

y= 0.010 4x+ 3.225，

(7)

相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.895 7，根據(jù)顯著水平α=0.05和自由度v=n-2-1 = 8，查相關(guān)系數(shù)臨界值表得γ0.05,8=0.631 9，這表明在顯著水平α= 0.05的條件下，回歸方程相關(guān)性顯著.

由圖10可以看出，35 tex×2玻璃纖維紗線的斷裂伸長率也隨著捻度的增加而幾乎呈線性增加.這是因為玻璃纖維紗線拉伸斷裂時所產(chǎn)生的伸長是由兩部分組成的，一是紗線中的單絲因受外力作用產(chǎn)生的伸長；二是紗線的捻回角和直徑變小而產(chǎn)生的伸長.在拉伸斷裂的過程中，隨著捻系數(shù)的增加，由捻回角變小和直徑變小而產(chǎn)生的伸長增加了.

3 結(jié)論

對玻璃纖維紗線的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，重點分析了拉伸速度和有效長度對玻璃纖維紗線力學(xué)性能測試的影響以及捻度對玻璃纖維紗線強(qiáng)伸度的影響.通過實驗并進(jìn)行理論分析之后，得出以下結(jié)論：

(1)在測試玻璃纖維紗線的力學(xué)性能時，拉伸速度和有效長度對強(qiáng)伸度、斷裂功等測試結(jié)果有顯著的影響，應(yīng)采用國家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定的測試?yán)焖俣群陀行чL度，以免對實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成干擾.

(2)玻璃纖維紗線的強(qiáng)度隨著捻度的增加而加大，有臨界值.隨著紗線線密度及構(gòu)成的不同，玻璃纖維紗線的臨界捻度、臨界捻系數(shù)、最大強(qiáng)度與最大強(qiáng)力等臨界值各不相同，在設(shè)計生產(chǎn)中應(yīng)引起注意.

(3)玻璃纖維紗線的斷裂伸長率隨著捻度的增加而幾乎呈線性增加.

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