純大豆蛋白纖維紗及豆/氨包芯紗蠕變性能研究

靳需嶺，李營(yíng)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(zhǎng)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(guò)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(cè)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(fù)荷作用下蠕變時(shí)應(yīng)變隨時(shí)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(jìn)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?cè)囼?yàn)

紗線在恒定拉伸力的作用下變形隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象，就是“蠕變”[2].通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)合四元素模型應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系的描述，了解不同預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)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(yàn)裝置及方法

蠕變?cè)囼?yàn)采用如下測(cè)試方法：握持紗線的一端，另一端引出通過(guò)滑輪懸掛一定重量的重錘或砝碼，用米尺測(cè)量隨時(shí)間變化的伸長(zhǎng)量，再換算成伸長(zhǎng)率.每種紗樣取50個(gè)試樣，試樣的原長(zhǎng)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(zhǎng)度和撤去拉伸力讓紗線回彈時(shí)，需掛上4 cN重的砝碼，使紗線伸直.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

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

蠕變?cè)囼?yàn)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(fù)荷作用下，其伸長(zhǎng)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(gè)階段的伸長(zhǎng)率均明顯高于純紗；

(3)采用不同的預(yù)牽伸倍數(shù)時(shí)氨綸絲產(chǎn)生的應(yīng)力不同，故對(duì)氨綸包芯紗的蠕變性能有影響.試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著預(yù)牽伸倍數(shù)的增加，在同等負(fù)荷下氨綸包芯紗的伸長(zhǎng)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(guò)大將導(dǎo)致大分子在結(jié)晶區(qū)中被抽拔滑動(dòng)，其塑性變形會(huì)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(kāi)爾文模型雖能體現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，卻又無(wú)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(kāi)爾文模型串聯(lián)而成，外力去除后，只要保持足夠長(zhǎng)的時(shí)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(gè)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(gè)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(zhǔn)確地描述氨綸包芯紗的蠕變性能.

3 模型蠕變伸長(zhǎng)時(shí)應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系

在應(yīng)力σ的作用下，四元素模型中彈簧E0、開(kāi)爾文模型和阻尼器η0將分別產(chǎn)生形變?chǔ)?，εa和εb，三者共同組成四元素模型的總形變.進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，氨綸包芯紗上所加應(yīng)力σ為不變負(fù)荷，依據(jù)初始條件t=0時(shí)ε=0，可得到四元素模型蠕變伸長(zhǎng)時(shí)應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系式[5].如下：

(1)

4 紗線蠕變伸長(zhǎng)的擬合方程

在紗線應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系式中，4個(gè)特征參數(shù)(E，E0，η，η0)未知，可根據(jù)紗線的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，能得出在定負(fù)荷σ作用下產(chǎn)生紗線蠕變時(shí)，應(yīng)變?chǔ)烹S時(shí)間t變化的擬合方程.

4.1 利用麥夸特?cái)M合方法建立擬合方程

為了分析四元素模型對(duì)紗線黏彈性能模擬的優(yōu)劣，使用計(jì)算機(jī)軟件(DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得應(yīng)變?chǔ)烹S時(shí)間t變化的擬合方程.

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)不同預(yù)牽伸倍數(shù)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同工藝條件下紗線蠕變伸長(zhǎng)時(shí)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?chǔ)诺膶?shí)測(cè)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(fù)荷作用下、不同預(yù)牽伸倍數(shù)時(shí)，應(yīng)變?chǔ)诺臄M合值和實(shí)測(cè)值，如表3所示.

表3 實(shí)測(cè)應(yīng)變及其估計(jì)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(guò)表3中對(duì)氨綸包芯紗應(yīng)變擬合值和實(shí)測(cè)值的比較，純大豆纖維紗擬合值和實(shí)測(cè)值的差異最小，氨綸包芯紗擬合值和實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(fù)荷作用下伸長(zhǎng)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(shuō)明采用四元素模型來(lái)描述其在定負(fù)荷作用下的蠕變特性較準(zhǔn)確.但氨綸包芯紗在氨綸絲預(yù)牽伸倍數(shù)較大時(shí)，在各個(gè)階段的伸長(zhǎng)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(shuō)明隨著紗線伸長(zhǎng)率的增加，采用四元素模型來(lái)描述其在定負(fù)荷作用下的蠕變規(guī)律的準(zhǔn)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(kāi)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(rèn)為在應(yīng)力σ的瞬時(shí)作用下產(chǎn)生的變形幾乎全部來(lái)自彈簧E0.所以，紗線在1 min時(shí)的伸長(zhǎng)率可看作為瞬時(shí)變形ε0.根據(jù)σ=E0×ε0得到不同預(yù)牽伸倍數(shù)時(shí)彈簧模型的彈性系數(shù)E0，見(jiàn)表5.

4.3.2 阻尼器的阻尼系數(shù)η0

阻尼器在恒定負(fù)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(zhǎng)時(shí)間后，其不能恢復(fù)的變形即為阻尼器η0在恒定負(fù)荷σ的作用下經(jīng)過(guò)時(shí)間t后產(chǎn)生的變形εb.

4.3.3 開(kāi)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(shuō)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(shí)，氨綸包芯紗在采用不同的預(yù)牽伸倍數(shù)時(shí)，四元素模型的特征參數(shù)差異更大，這說(shuō)明預(yù)牽伸倍數(shù)對(duì)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(shí)，四元素模型的特征參數(shù)E0，η0較大，這說(shuō)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(shí)，四元素模型的特征參數(shù)E0，η0較小，這說(shuō)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(duì)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(zhǎng)率變化明顯，即成紗彈性好.但預(yù)牽伸倍數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致大分子在結(jié)晶區(qū)中被抽拔滑動(dòng)，其塑性變形會(huì)隨之增加.

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

(3)根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立紗線蠕變伸長(zhǎng)時(shí)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(shí)，四元素模型的特征參數(shù)E0，η0逐步變小，說(shuō)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.

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