振動儀法測試纖維線密度的影響因素分析

季 軒，韓春艷，2，王 偉，2

（1.中國石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900；2.江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900）

分析測試

振動儀法測試纖維線密度的影響因素分析

季 軒1，韓春艷1，2，王 偉1，2

（1.中國石化儀征化纖股份有限公司研究院，江蘇儀征 211900；2.江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900）

利用VIBROMATM振動式細度儀對不同規(guī)格纖維樣品的線密度進行測試，從儀器的穩(wěn)定性、張力夾重量、測試纖維根數、取樣的均勻性、樣品的含濕量等方面對VIBROMATM細度儀測試線密度結果的影響因素進行了分析，介紹了振動式細度儀法測試結果的修正方法，提出了保證測試結果準確可靠的方法及儀器的應用建議。

振動式細度儀 線密度 影響因素

線密度表示纖維的粗細程度，一般用單位長度纖維的重量來表示?；瘜W纖維的線密度是反映纖維生產過程及質量穩(wěn)定性的重要指標，纖維線密度大小及其分布均勻性對后道紡紗、織造、染色等過程有著非常重要的影響。國家標準GB／T 14335-2008《化學纖維短纖維線密度試驗方法》［1］中規(guī)定了兩種測試化學短纖維線密度的方法——束纖維中段稱重法及單纖維振動儀法。束纖維中段稱重法測試纖維線密度的方法是根據纖維線密度的定義，將一束整理平行伸直的纖維束，切取規(guī)定長度的中段纖維，根據中段纖維束的質量及根數計算得到纖維的平均線密度，利用束纖維中段稱重法測試得到的是數百根纖維的平均線密度，無法得到單根纖維的線密度及單纖維間線密度不勻率方面的信息，而且測試結果受測試人員的測試手法、測試環(huán)境、儀器設備狀態(tài)等方面的影響較大。單纖維振動儀是利用振動式細度儀測試單根纖維的線密度，不僅可以測試成品纖維的線密度，也可以用于測試纖維原絲的線密度，利用此測試方法在得到待測樣品的平均線密度時，還可以得到各單根纖維間的粗細不勻等方面的信息。將單纖維細度儀與強力儀聯(lián)機，還可以得到單根纖維的實際拉伸應力-應變圖形等信息，對纖維生產過程的質量控制及分析纖維后加工中產生的一些質量問題，指導纖維的后加工過程有很好的參考作用。

由于測試原理的不同及纖維生產廠測試儀器的配備、測試人員的測試習慣等原因，目前應用儀器法進行纖維線密度測試的纖維生產廠還較少，多數單位仍是采用束纖維中段稱重法，滌綸短纖維國家標準樣品的平均線密度也是用束纖維中段稱重法進行測試后定值的。為分析振動儀法測試結果的準確性，比較兩種短纖維線密度測試方法測試結果之間的相關性，更好地利用單纖維細度儀進行線密度測試，得到更多的纖維質量信息，筆者對振動式線密度儀測試滌綸短纖維線密度過程中影響試驗結果的因素進行了研究。

1 儀器及樣品

1.1 儀器

VIBROMAT M型振動式線密度測試儀，德國TEXTECHNO公司。

1.2 樣品

1.56 dtex×38 mm滌綸短纖維國家標準樣品及不同線密度的纖維樣品，中國石化儀征化纖股份有限公司生產。

2 測試原理及方法

2.1 測試原理

振動法測定纖維線密度采用弦振動原理［2］，加以一定張力的纖維被夾持器夾住并限定在上下刀口之間的長度內受力激振，根據振動理論，纖維弦振動的固有頻率為：

式中，f-纖維弦振動的固有頻率，Hz；L-纖維的振動長度，cm；P-纖維的線密度，g／cm；d-纖維的直徑，cm；T-纖維所受張力，g·cm／s2；E-為纖維的楊氏模量，cN／dtex。

當纖維直徑d與長度L之比非常小時，纖維固有振動頻率可表示為：

經單位換算，線密度單位轉為dtex（分特），張力T單位轉換為cN（厘牛頓），儀器振弦長度L固定為20 mm時，纖維的線密度為：

該式即為振動式線密度儀設計的基本公式。在已知張力T的情況下，測量出纖維的振動頻率f，便可由公式計算出纖維的線密度。

2.2 測試方法

按GB／T 14335-2008《化學纖維短纖維線密度試驗方法》的取樣方法，從經調濕平衡的待測樣品中取出不少于2 000根纖維作為試驗樣品，平鋪在和纖維呈對比色的絨板上，用鑷子從每10根左右的纖維中取出1根用作試驗，根據纖維線密度大小選擇不同重量的張力夾夾持纖維試樣一端，將另一端加入振動儀的夾持器內，啟動儀器進行測試，待儀器振動圖形及數據穩(wěn)定后，記錄所測試纖維的線密度值。

3 結果與討論

3.1 儀器的穩(wěn)定性試驗

根據振動式線密度儀測試纖維線密度的原理及計算公式，線密度測試結果與纖維所加張力及其產生的弦振動頻率有關，預加張力固定后，弦振動頻率的穩(wěn)定是保證測試結果穩(wěn)定的關鍵。為了驗證VIBROMAT M振動儀測試線密度的穩(wěn)定性，筆者利用不同樣品進行了儀器的測試結果穩(wěn)定性試驗。結果見表1、2和圖1。

表1 同一根纖維多次測試的結果

表2 滌綸短纖維標準樣品多次測試結果

圖1 不同規(guī)格纖維樣品的多次測試結果

從表1的測試結果中可看出，對線密度為4.48 dtex的同一根纖維的30次測試結果基本穩(wěn)定，極差只有0.04 dtex，測試數據變動率只有0.27%；表2中對滌綸短纖維標準樣品的多次測試，線密度平均值在0.03 dtex的波動范圍；但從測試的每批樣品線密度最大值及最小值及不勻率可看出，樣品中不同纖維間粗細相差較大，因此測試結果間的差異主要是由樣品自身不均勻帶來的。圖1中，不同規(guī)格的纖維多次測試，結果的穩(wěn)定性也很好。對不同樣品的多次試驗結果表明，在保證儀器的測試環(huán)境無氣流、振動等外界影響的情況下，纖維的弦振動頻率穩(wěn)定性較好，測試結果能夠滿足纖維線密度測試的精密度要求。

3.2 張力夾重量對測試結果的影響

給纖維施加張力的目的是使纖維的卷曲伸直而不伸長，但在測試方法國家標準或行業(yè)標準中規(guī)定的保證纖維卷曲伸直但不伸長的張力各不相同，如滌綸短纖維長度、線密度、拉伸性能試驗方法中規(guī)定的張力為按纖維名義線密度計算為0.15 cN／dtex，而在卷曲性能及干熱收縮率的測試方法規(guī)定為0.075 cN／dtex。從振動式線密度儀測試纖維線密度的設計原理及計算公式可知，除去影響纖維自身線密度不勻的因素外，測試過程中對纖維所加的張力是影響線密度測試結果的主要因素。為了解張力夾重量對測試結果的影響，筆者選擇不同重量的張力夾對不同品種短纖維樣品進行了測試，表3為使用不同張力夾對同一根纖維的測試結果，表4為不同張力夾多次測試同一根纖維的線密度統(tǒng)計結果，表5為不同張力夾測試滌綸短纖維標樣線密度的結果，圖2、3為使用不同張力夾測試時纖維的弦振動圖。

表3 不同重量張力夾測試同一根纖維線密度結果

表4 不同張力夾多次測試同一根纖維線密度結果

表5 不同張力夾測試滌綸短纖維標樣線密度結果

圖2 正常弦振動圖形

圖3 異常弦振動圖形

從表3、4及表5的測試結果可看出，同一根纖維選用不同重量的張力夾，線密度測試結果波動很小，而滌綸短纖維標準樣品在用不同張力夾時測試結果相對穩(wěn)定，但在線密度測試過程中發(fā)現(xiàn)，如張力夾過小，纖維的卷曲不能完全伸直，纖維的振動圖前端抖動、不光滑，起振幾次的圖形變化較大，測試結果難以穩(wěn)定。張力夾過大時，纖維難以起振，儀器會經常顯示功率過小、檢測不到纖維的情況或出現(xiàn)纖維振動圖的振幅過小的情況，有時選擇最大功率仍不能起振，需反復起振或重新夾取纖維，雖然最終的測試結果比較穩(wěn)定，但影響測試效率，如圖3所示。表4及表5的試驗結果也可看出，張力夾重量偏大時，測試結果CV值提高了。經過對不同重量張力夾試驗過程中纖維弦振動圖形及測試結果的比較，常規(guī)形態(tài)的纖維，張力夾重量選擇在按名義線密度計（0.065～0.11）cN／dtex范圍內比較合適?？紤]到在纖維生產過程中，由于工藝波動造成的同一批樣品中各單根纖維間線密度波動較大及纖維不同卷曲形態(tài)、不同卷曲度的差異，在具體測試時可結合振動波形圖的情況選擇合適的張力夾，以適應不同粗細及不同卷曲狀態(tài)纖維的測試要求。對于未知名義線密度的樣品，可以選擇大小不同的張力夾進行試驗，根據振動圖形及數據穩(wěn)定性再選擇合適的張力夾。但在測試前要準確稱量張力夾的重量，輸入到儀器上，才能保證測試結果的準確性。

3.3 測試次數對測試結果的影響

纖維生產設備及工藝條件的波動會造成同一批產品中不同纖維的線密度有差異。測試次數過少，會影響結果的準確度和精密度；測試次數過多會影響到測試效率。表6為滌綸短纖維標準樣品及普通滌綸短纖維樣品的測試次數對試驗結果的影響。

表6中兩種規(guī)格樣品的試驗結果反映出兩批樣品的線密度均勻性均較好，當測試纖維的根數大于30根時，線密度測試結果基本穩(wěn)定，測試結果的變異系數也基本一致，沒有明顯下降，因此在日常測試時，對生產穩(wěn)定、均勻性好的樣品，測試樣品量n＝50即可滿足試驗要求；對均勻性差、CV值高的樣品應適當增加測試數量，以保證測試結果的準確、穩(wěn)定。

表6 不同測試次數對線密度結果的影響

3.4 振動儀法測試結果的修正

由于振動儀法與束纖維中段稱重法測試原理的差異，兩種方法的測試結果之間會存在一定的系統(tǒng)偏差，從表2及表5對滌綸短纖維標準樣品的測試結果可看出，振動儀法測試的平均值為1.49 dtex，而滌綸短纖維標準樣品采用纖維中段稱重法測試的線密度定值數據為1.54 dtex，因為VIBROMAT M振動式細度儀沒有校正撥盤，需按照GB／T 14335-2008《化學纖維短纖維線密度試驗方法》附錄B中試驗結果的修正方法，得到儀器的修正系數K，然后對儀器實測結果進行修正。

3.5 濕度對測試結果的影響

從振動式線密度儀測試纖維線密度的原始計算公式中可知，纖維的弦振動頻率f與纖維的直徑d及模量E有關，纖維吸濕后會引起其直徑d及模量的變化，為了研究濕度對振動線密度儀測試結果的影響，筆者通過對正常調濕平衡的樣品及含濕高的纖維進行了線密度測試對比，見表7、8。表7中樣品為常規(guī)滌綸樣品，表8為吸濕性高的纖維樣品。濕纖維的測試結果是將纖維在蒸餾水中浸泡并用吸水紙吸干后測試所得。

表7 濕度對線密度結果的影響

表8 同一根纖維干濕狀態(tài)下的線密度結果／dtex

試驗結果反映出，無論是吸濕性小的樣品還是吸濕性高的樣品，干、濕狀態(tài)的纖維線密度測試結果基本一致，表明濕度對振動儀法測試線密度的結果基本沒有影響。雖然纖維吸濕后會有溶脹，導致直徑d及模量E增大，但從線密度計算公式中可看出，由于纖維的長徑比很大，增加的量在公式中可以忽略不計，對纖維的弦振動頻率f基本沒有影響，因此基本不會影響線密度測試結果。

3.6 取樣均勻性對測試結果的影響

振動式線密度儀法是通過測試少量根數的纖維線密度值，計算得到其平均值代表整批纖維的平均線密度，從表2的試驗結果中可看出，在同一批樣品中，不同纖維之間的線密度差異比較大，如果取樣不均勻，會直接影響測試結果的準確性。因此在用振動式線密度儀進行樣品線密度測試時，保證取樣的均勻性、代表性非常重要，必須嚴格按標準規(guī)定的方法取樣、測試。

4 結 論

a）振動式線密度儀在穩(wěn)定的無外來振動影響的環(huán)境下，選擇合適的張力夾，對不同線密度范圍的纖維樣品，線密度測試結果均比較穩(wěn)定且能夠滿足測試的精密度要求；

b）張力夾重量可以在一個較寬的范圍內選擇而不會對測試結果產生影響。在測試時可以根據纖維的不同粗細、卷曲狀態(tài)等，結合振動圖形綜合判斷，選擇合適的張力夾，但輸入到儀器的張力夾重量必須準確；

c）對工藝條件穩(wěn)定狀態(tài)下生產的纖維，測試次數達到50根時，測試數據即可滿足試驗要求，當待測纖維樣品線密度不勻率較大時可適當增加測試次數，以保證測試結果的穩(wěn)定；

d）利用振動式細度儀進行纖維線密度測試前，應先對儀器進行校正，得到儀器的修正系數K值，以保證儀器測試結果與束纖中段稱重法測試結果的一致性；

e）樣品取樣的均勻與否會直接影響振動儀法測試結果的準確性，因此必須嚴格按標準規(guī)定的取樣方法規(guī)范取樣；

f）利用振動儀法進行纖維線密度測試可以同時得到線密度平均值及不勻率等方面的信息，且結果受纖維的含濕量影響較小，可以用于對纖維原絲線密度及其粗細不勻率的快速測試。

［1］GB／T 14335-2008.化學纖維短纖維線密度試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2008：4-6.

［2］李汝勤，宋鈞才.纖維和紡織品測試技術［M］.上海：東華大學出版社，2009：81-82.

［3］GB／T14334-2006.化學纖維短纖維取樣方法［S］.北京：中國標準出版社，2006：2.

Analysis of the in fluence factors on fibers′density test with vibrancy instrum ent

Ji Xuan1，Han Chunyan1，2，Wang Wei1，2

（1．Sinopec Research Institute of Yizheng chem ical fiber Co．，Ltd．，Yizheng Jiangsu 211900，China；2．Jiangsu Key Laboratory of Performance Fiber，Yizheng Jiangsu 211900，China）

In this paper，density of several specifications of fiber sampleswere tested with vibrancy instrument VIBROMAT M，and influence factors on fibers′density result such as stabilization of apparatus，weight of fiber′clip，number of test fibers，uniformity of fiber sample，moisture of fibers etc.are analyzed，and revisingmethod of the test results of apparatus is introduced，the method of ensuring the test results′accuracy and reliability and the using suggestion of instrument are presented.

vibrancy density instrument；density；influence factors

TQ340.7

B

1006-334X（2014）03-0053-05

2014-07-22

季軒（1989—），男，江蘇儀征人，助理工程師，主要從事聚酯分析研究工作。