短化纖夾距與拉伸性能關(guān)系的研究

鄧?guó)P玲 , 楊 梅 , 杜旭宜

(1. 廣州紡織服裝研究院有限公司， 廣東 廣州 510663；2. 廣州市無(wú)紡布產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心， 廣東 廣州 510663)

短化纖夾距與拉伸性能關(guān)系的研究

鄧?guó)P玲1,2, 楊 梅1,2, 杜旭宜1

(1. 廣州紡織服裝研究院有限公司， 廣東 廣州 510663；2. 廣州市無(wú)紡布產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心， 廣東 廣州 510663)

根據(jù)《GB/T 14337-2008 化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》， 重點(diǎn)分析夾持距離對(duì)聚乙烯醇、 丙綸及腈綸纖維伸長(zhǎng)率、 斷裂強(qiáng)力、 抗拉強(qiáng)度及彈性模量的影響。結(jié)果表明： 夾距對(duì)短化纖的斷裂強(qiáng)力和抗拉伸強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響， 而夾距越大， 短化纖的斷裂伸長(zhǎng)率越小， 初始彈性模量越大。

化學(xué)短纖維； 夾距； 伸長(zhǎng)率； 彈性模量

利用合成纖維作為增強(qiáng)添加材料摻入到水泥混凝土、 砂漿、 瀝青中， 已在道路施工中廣泛應(yīng)用。聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維具有耐酸、 耐堿、 耐磨、 耐水解的特性， 且具極高的化學(xué)穩(wěn)定性， 比較適合混凝土/砂漿工程的防裂抗裂和增韌； 聚丙烯腈纖維具有高強(qiáng)度、 高模量， 較好的熱穩(wěn)定性， 摻入到瀝青路面能明顯提高瀝青路面的抗壓強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度、 改善高溫穩(wěn)定性、 低溫抗裂性、 疲勞耐久性。

目前， 國(guó)內(nèi)應(yīng)用于工程方面的合成纖維的要求有一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 主要有《JT/T 525-2004公路水泥混凝土纖維材料_》、 《JT/T 534-2004聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》、 《GB/T 21120-2007水泥混凝土和砂漿用合成纖維》、 《TB/T 2965-2011鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》、 (CECS 38-2004)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》， 各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)所使用的合成纖維的性能都有指標(biāo)要求， 但是在測(cè)試方法上各不相同。有標(biāo)準(zhǔn)采用的是《GB/T3916-1997紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和紗線伸長(zhǎng)率的測(cè)定》[1]， 但此方法夾距長(zhǎng)(250 mm或500 mm)， 一方面纖維比較細(xì)， 不適合較長(zhǎng)的夾持距離， 且在實(shí)際使用中的纖維長(zhǎng)度較短， 如摻和在瀝青路面用聚合物纖維長(zhǎng)度約為6 mm或12 mm， 摻和在水泥混凝土、 砂漿中的合成纖維一般長(zhǎng)度為19 mm或12 mm； 另一方面， 合成纖維的力值一般情況下在幾厘牛到幾十厘牛， 量程較大的儀器不適合， 只有專用的纖維強(qiáng)力測(cè)定儀比較適用。本文根據(jù)《GB/T 14337-2008 化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》[2]， 重點(diǎn)分析夾持距離對(duì)纖維伸長(zhǎng)率、 抗拉強(qiáng)度、 伸長(zhǎng)率及彈性模量的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1材料

1.826 dtex聚乙烯醇， 5.742 dtex丙綸， 1.470 dtex腈綸， 纖維相對(duì)密度分別為： 1.29 g/cm3、 0.91 g/cm3、 1.18 g/cm3(由深圳市維特耐工程材料有限公司提供)。

1.2儀器

LLY-06E電子單纖維強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)。

1.3測(cè)試[2-4]

抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法根據(jù)GB/T 14337化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 纖維拉伸試驗(yàn)的測(cè)試條件

經(jīng)過(guò)LLY-06E電子單纖維強(qiáng)力儀的測(cè)定， 結(jié)合彈性模量的計(jì)算公式， 得到聚乙烯醇、 丙綸及腈綸纖維的夾距與斷裂伸長(zhǎng)率、 斷裂強(qiáng)力、 抗拉強(qiáng)度及彈性模量等拉伸性能參數(shù)。

短化纖單纖的斷裂伸長(zhǎng)率按式(1)計(jì)算，

(1)

式中： ε—纖維的斷裂伸長(zhǎng)率， %;

L0—拉伸前纖維的長(zhǎng)度(即夾距)，mm；

L1—纖維伸長(zhǎng)至斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，mm。

短化纖單纖初始彈性模量按式(2)計(jì)算[5]，

(2)

式中：M—初始彈性模量， MPa；

Δε—在橫坐標(biāo)上截取的一段伸長(zhǎng)率， %；

FD—對(duì)應(yīng)與伸長(zhǎng)率Δε的強(qiáng)力， N；

ρ1—纖維的實(shí)測(cè)線密度， dtex；

ρ2—纖維相對(duì)密度， g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1夾距對(duì)纖維伸長(zhǎng)率的影響

夾距對(duì)纖維伸長(zhǎng)率的影響見表2。

表2 夾距對(duì)纖維伸長(zhǎng)率的影響

如表2所示， 拉伸時(shí)夾距越大， 纖維的斷裂伸長(zhǎng)率越小。在拉伸的初始階段， 纖維在外力的作用下， 非結(jié)晶區(qū)的聚合物大分子鏈被拉直， 包括分子內(nèi)的鍵長(zhǎng)增大、 鍵角增大， 分子鏈段的運(yùn)動(dòng)， 以及分子間產(chǎn)生相對(duì)位移， 這個(gè)過(guò)程是纖維比較均勻拉細(xì)； 繼續(xù)施加壓力， 根據(jù)弱環(huán)定理， 纖維長(zhǎng)度方向上各截面處的纖維結(jié)構(gòu)不相同， 纖維中存在許多裂隙、 空洞、 氣泡及缺陷、 雜質(zhì)等， 纖維在弱環(huán)附近局部所受的應(yīng)力相對(duì)集中[6-9]， 直至這個(gè)部位類似“頸縮”形成(見圖1)， 發(fā)生頸縮后， 應(yīng)變?cè)谠嚇拥臉?biāo)距內(nèi)是不均勻， 隨后的變形都會(huì)在“頸縮”附近發(fā)生， 頸縮處就變得越來(lái)越小， 局部應(yīng)力不斷增大， 直到試樣在“頸縮”處被拉斷。單根纖維在拉伸過(guò)程中， 一般只有一處“頸縮”， 而發(fā)生“頸縮”處的絕對(duì)伸長(zhǎng)值差值很小， 可以忽略， 根據(jù)公式(1)， 夾距越大， 伸長(zhǎng)率越小。

圖1 纖維拉伸形變頸縮現(xiàn)象

2.2夾距對(duì)纖維斷裂強(qiáng)力及抗拉強(qiáng)度的影響

夾距對(duì)纖維斷裂強(qiáng)力和抗拉強(qiáng)度的影響見表3所示。

表3 夾距對(duì)纖維斷裂強(qiáng)力及抗拉強(qiáng)度的影響

由表3可知，拉伸時(shí)夾距對(duì)纖維的斷裂強(qiáng)力和抗拉強(qiáng)度的影響不是十分明顯。根據(jù)弱環(huán)定理：夾持距離越長(zhǎng)，出現(xiàn)弱環(huán)的機(jī)會(huì)就越大，斷裂強(qiáng)力和抗拉強(qiáng)度愈低。因?yàn)槔w維在沿長(zhǎng)度方向呈不均勻分布，總在最薄弱處斷裂，試樣愈長(zhǎng)，出現(xiàn)最薄弱環(huán)節(jié)的概率越大，越容易發(fā)生斷裂，理論上是夾持距離越長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度就越小。由于單根纖維細(xì)度小，夾距對(duì)纖維的斷裂強(qiáng)力和抗拉強(qiáng)度的影響不明顯。

2.3夾距對(duì)纖維彈性模量的影響

夾距對(duì)纖維彈性模量的影響見表4。

表4 夾距對(duì)纖維彈性模量的影響

由表4可得， 彈性模量隨著夾距的增大而增大。 彈性模量是應(yīng)力-應(yīng)變曲線的起始階段直線部分的斜率，此階段應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系， 它主要是由于大分子的鍵角和鍵長(zhǎng)在外力的作用下發(fā)生改變， 是非結(jié)晶區(qū)的分子鏈發(fā)生變形的結(jié)果[10]， 試驗(yàn)過(guò)程中， 夾距越短， 受力大分子或基原纖越多， 大分子的游離端越少， 所需應(yīng)力增大， 而夾距對(duì)應(yīng)變的影響較小， 可忽略不計(jì)， 根據(jù)公式(2)可得， 彈性模量隨著夾距的增大而增大。

參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[3～4]可知， 摻和在水泥混凝土、 砂漿、 瀝青中的化學(xué)短纖其檢測(cè)方法對(duì)短纖夾距沒(méi)有明確要求， 經(jīng)以上分析可知， 短纖夾距對(duì)纖維的伸長(zhǎng)率及初始彈性模量有較大的影響。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)夾距沒(méi)有明確要求會(huì)影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， 因?yàn)椴煌膴A距所得的拉伸性能參數(shù)差距較大， 各實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果也沒(méi)有可比性。

3 小結(jié)

(1)化學(xué)短纖維的夾距對(duì)斷裂強(qiáng)力和抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響， 而夾距越大， 纖維的伸長(zhǎng)率越小， 初始彈性模量越大；

(2)目前各有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試混凝土、 砂漿及瀝青中化學(xué)短纖維拉伸性能測(cè)試的夾距沒(méi)有明確要求， 造成各實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)偏差較大， 給短纖檢測(cè)帶來(lái)一定的混亂， 因此， 需要制定一個(gè)更加科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)， 通過(guò)建立合理的測(cè)試方法， 以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度。

[1] 徐鑫耀.GB/T3916紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和紗線伸長(zhǎng)率的測(cè)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[2] 刑春花.GB/T 14337化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3] 談?dòng)廊?GB/T 21120水泥混凝土和砂漿用合成纖維[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

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[5] 翁效明.GB/T 19975 高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[6] 蔡再生.纖維物理化學(xué)[M]. 北京:中國(guó)紡織出版社,2004:131-132.

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[8] Brow. HM,亢秀杰.不同隔距長(zhǎng)度的纖維強(qiáng)度同成紗強(qiáng)力的關(guān)系[J]. 纖維標(biāo)準(zhǔn)與檢驗(yàn).1990(4):15-17.

[9] 張成峰,懷宇.Anette Heijnesson. 等.麥草化學(xué)漿纖維位錯(cuò)點(diǎn)的表征和分析[J]. 中國(guó)造紙. 2008(1):9-12.

[10] 吳宏仁.紡織材料學(xué)[M]. 北京:紡織工業(yè)出版社,1985:131.

RELATIONSHIPBETWEENMAN-MADESTAPLEFIBERCLIPDISTANCEANDTENSILEPROPERTIES

DENG Feng-ling1,2, YANG Mei1,2, DU Xu-yi1

(1.Guangzhou Textiles and Garments Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China;2.Guangzhou Nonwovens Quality Testing Center, Guangzhou 510663, China)

Based on GB/T 14337-2008 testing method for tensile prosperities of man-made staple fibers, the effect of clip distance on single staple fiber’s elongation percentage, breaking strength, tensile strength and elastic modulus was analyzed emphatically. The results found that there is little effect of clip distance on breaking strength and tensile strength, while, the larger the clip distance, the smaller the elongation percentage and the bigger the initial elastic modulus of staple fiber.

man-made staple fiber; clip distance; elongation percentage; elastic modulus

2013-04-22

鄧?guó)P玲(1965-)，女，湖南益陽(yáng)人，工程師，主要從事紡織品及無(wú)紡布檢測(cè)工作。

1672-500X(2013)02-0016-04

TS 101.921.4

B

10.3969/j.issn.1672-500x.2013.02.005