新型并列復合彈性長絲的拉伸及拉伸彈性疲勞性能

王越平，繆斌斌，張宇飛，代國亮，肖 紅

(1.北京服裝學院 材料設計與工程學院，北京 100029；2.軍事科學院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術研究所，北京 100010)

并列復合彈性長絲由具有不同熱收縮性能的同系物組成，一般沿纖維軸向并列排列紡絲后得到[1]。該類長絲具有明顯的卷曲彈性，卷曲伸直后，又具有聚酯類長絲較高的彈性模量及拉伸性能[2-4]。不同于以往的大變形、極小模量的氨綸、聚烯烴類彈性纖維需要包芯或包覆后使用，并列復合彈性長絲可以直接使用，且能夠提供良好的力學性能，現已廣泛應用于各類彈性織物中[5]。

并列復合彈性長絲的拉伸力學性能及反復多次拉伸后的彈性性能，是研發(fā)該類彈性織物的基礎。其典型拉伸應力應變曲線可以分為卷曲伸長段和伸直纖維應力應變段[2]。王慷[6]對聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)并列復合彈性長絲進行了定伸長循環(huán)測試，證明熱處理能夠顯著提高長絲的卷曲伸長率和斷裂伸長率，且能夠進一步提升長絲的彈性回復性能。魏艷紅等[7]對多種新型聚酯并列復合彈性長絲進行了彈性回復性能測試，但循環(huán)次數較少，無法真實反應反復多次拉伸條件下，并列復合彈性長絲的彈性性能。另一方面，尚鮮有對新型并列復合彈性長絲常壓分散染料可染改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯(NEDDP/PBT)力學和彈性性能的比較研究，NEDDP/PBT在常溫常壓下具有良好的可染和勻染性能，有著廣闊的市場應用前景。

本文首先比較了熱處理前后，4種并列復合彈性長絲(NEDDP/PBT、PTT/PET、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET(改性)/PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET))和氨綸包芯紗的拉伸力學性能和彈性性能。針對反復多次拉伸的應用場景，進行了100次30%定伸長循環(huán)拉伸，通過建立循環(huán)次數與滯后環(huán)高度差的函數方程，以期有效減少循環(huán)拉伸次數，提高評價效率。為彈性長絲紗的應用以及紗線彈性性能的研發(fā)提供良好的借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

材料：選用新型并列復合彈性長絲NEDDP/PBT與市售的PTT/PET、PET(改性)/PET、PBT/PET及氨綸包芯紗作為實驗材料，具體規(guī)格見表1。

表1 實驗材料規(guī)格Tab.1 Test materials specification

儀器：Instron5566型電子萬能材料試驗機(英斯特朗(上海)實驗設備貿易有限公司)。

1.2 熱處理

為減少絲筒表層長絲對實驗結果的影響，將外層易受損長絲剝去50 m棄用。將試樣用紗布包裹后浸于100 ℃去離子水中處理10min[2]。自然風干待質量穩(wěn)定后，置于溫度20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中平衡24 h。

1.3 卷曲性能

參照GB/T 14338—2008《化學纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》，將長絲一端固定，預加張力0.001 6 cN/dtex，30 s后記錄長度L0(mm)，再加上0.24 cN/dtex張力，記錄長度L1(mm)。試樣卷曲伸長率R計算式見式(1)。

(1)

1.4 拉伸斷裂性能

控制夾持距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min，預加張力為0.01 cN/dtex，每個試樣測試10次，得到應力應變曲線，并計算彈性模量、斷裂伸長率、斷裂應力。

1.5 彈性性能

參照FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗方法》，采用定伸長循環(huán)拉伸實驗進行測試?？刂茒A持距離200 mm，拉伸速度200 mm/min，預加張力0.02 cN/dtex，定伸長值為夾持距離的30%，反復拉伸100次，每組實驗5次，取平均值。塑性變形率d和彈性回復率r見式(2)(3)。

(2)

(3)

式中：D0為未伸長時的夾持長度，mm;D1為設定伸長時的長度，mm;D2為達到試樣預加張力值時的長度，mm。

1.6 滯后性能

在定伸長循環(huán)拉伸曲線上，當位移相同時，回復曲線與拉伸曲線之間的差值記為滯后量H(n)，滯后量H(n)與拉伸次數n有函數對應關系。相關公式如下：

H(n)=Eu(n)-El(n)

(4)

式中：H(n)是一定伸長下第n次拉伸回復的載荷滯后量；Eu(n)和El(n)分別是第n次拉伸和回復時，定伸長處的載荷量。

(5)

式中：H0是H(n)的漸進值，是理論上的收斂數值；A1、A2為滯后量的幅度；t1、t2為損耗率指數。

式(5)為指數損耗函數，用以構建循環(huán)次數n與滯后量H的函數關系, 可以大幅度減少定伸長拉伸次數。

2 結果與分析

2.1 熱處理的影響

2.1.1 熱處理對卷曲性能的影響

并列復合彈性長絲在熱處理后，組分間熱收縮率的差異使得纖維發(fā)生卷曲。當外力作用時，三維螺旋卷曲提供了極大的伸長量，賦予長絲柔軟的手感和優(yōu)良的彈性伸長性能[8-9]。圖1示出并列復合彈性長絲的典型應力應變曲線。圖中OA段為卷曲伸長，對應纖維的卷曲伸長率，反映纖維的卷曲程度和卷曲彈性。AB為彈性區(qū)階段，AB區(qū)域的模量為彈性模量[2]，OA段應變作為長絲的卷曲伸長率，表征長絲在小外力下的形變能力。并列復合彈性長絲熱處理前后的卷曲伸長率結果見圖2。

圖1 并列復合彈性長絲的典型應力應變曲線Fig.1 Typical strain-stress curve of bicomponent elastic filament

圖2 并列復合彈性長絲熱處理前后的卷曲伸長率Fig.2 Crimp elongation of composite elastic filament before and after heat treatment

由圖2可以看出，PTT/PET的卷曲伸長率最大，其次是NEDDP/PBT和PBT/PET，PET(改性)/PET的卷曲伸長率最小。幾種聚酯類高聚物中，PET、PTT和PBT 3種熔體本征黏度不同，且玻璃化溫度依次降低，NEDDP的玻璃化溫度和PBT近似。

由此可見，并列復合彈性長絲中，組分性能差異是影響卷曲彈性的最重要因素，性能差異越大，卷曲越大。由于PTT具有“奇碳效應”和大分子鏈的“T—T—G—T”式構象，導致該組分自身取向度低，受熱時熱收率較大，使得PTT/PET的卷曲伸長率最大；其次是黏度差異，PET(改性)/PET的2個組分黏度雖然存在差異可以實現卷曲，但效果不顯著。

2.1.2 熱處理對拉伸力學性能的影響

并列復合彈性長絲熱處理前后的彈性模量測試結果見圖3。由圖3可看出，4種并列復合彈性長絲的彈性模量在熱處理后均有不同程度的下降。熱處理前后PET(改性)/PET的彈性模量變化最大，下降了60%；PBT/PET和NEDDP/PBT下降程度相近，分別下降了48%和40%；PTT/PET下降程度最小，僅有22%。熱處理后彈性模量下降是因為在松弛狀態(tài)下進行熱處理有利于大分子鏈的解取向運動，分子鏈由相對伸直的狀態(tài)轉為卷曲狀態(tài)，從而使彈性模量下降明顯。

圖3 并列復合彈性長絲熱處理前后的彈性模量Fig.3 Elastic modulus of parallel composite elastic filament before and after heat treatment

圖4示出4種并列復合彈性長絲在熱處理前后的斷裂伸長率和斷裂應力。從圖4(a)可以看出，熱處理后并列復合彈性長絲的斷裂伸長率均大幅度提升，歸因于卷曲的產生。斷裂伸長率的大小順序和卷曲伸長率的大小順序一致，PTT/PET>NEDDP/PBT>PBT/PET>PET(改性)/PET。由此說明，并列復合彈性長絲的斷裂伸長率與卷曲性能密切相關。

圖4 并列復合彈性長絲熱處理前后的斷裂伸長率和斷裂應力Fig.4 Elongation at break and breaking stress of composite elastic filament before and after heat treatment. (a) Elongation at break;(b) Breaking stress

如圖4(b)所示，熱處理后并列復合彈性長絲的斷裂應力均有所下降(除PET(改性)/PET外)，且斷裂應力值的離散大大增加。原因是組成彈性長絲的雙組分物質在熱處理后性能差異進一步增大，斷裂應力值因為雙組分物質斷裂的不均一性而減小且離散增大；雙組分物質性能差異越大，斷裂應力值離散就越大。從數據上看，PET(改性)/PET、PBT/PET、PTT/PET 3種長絲的斷裂應力在2.0～2.6 cN/dtex之間，NEDDP/PBT最低，為1.89 cN/dtex, 需要進一步改進提升。

2.2 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗對比

為了比較并列復合彈性長絲和相當線密度的氨綸包芯紗的彈性伸長，將并列復合彈性長絲的卷曲伸長率和氨綸包芯紗在0.24 cN/dtex張力下的伸長率，統(tǒng)一稱為卷曲伸長率，對比結果如圖5所示，力學性能對比結果如圖6所示。

由圖5可見，在0.24 cN/dtex的外力下，實驗所用氨綸包芯紗依然具有很高的卷曲伸長率，適合于高彈性面料開發(fā)。由圖6可知，從伸直纖維的力學性能對比可以看出，氨綸包芯紗的彈性模量最大，但斷裂應力最低。由此說明，并列復合彈性長絲具有較好的力學性能，不容易拉斷，且伸直段纖維也需要較大外力才能夠拉伸。

圖5 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗卷曲伸長率對比Fig.5 Comparison of crimp elongation of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

圖6 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗力學性能對比Fig.6 Comparison of tensile mechanical properties of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn.(a) Elastic modulus;(b) Elongation at break and fracture stress

2.3 定伸長循環(huán)拉伸下的彈性性能

2.3.1 循環(huán)拉伸次數對彈性性能的影響

圖7(a)(b)分別為并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗在不同循環(huán)拉伸次數下的彈性回復率和塑性變形率?？梢?，PET(改性)/PET的彈性和其他4種紗線差距明顯。這是由于PET(改性)/PET中PET大分子鏈中的2個苯環(huán)間僅有2個亞甲基，導致大分子鏈柔性較差，在受力作用下難以發(fā)生晶型的轉變，故表現出的彈性回復率遠低于其他并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗，塑性變形率遠高于其他并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗。而PTT/PET、PBT/PET、NEDDP/PBT和氨綸包芯紗擁有相近的彈性回復率和塑性變形率。隨著循環(huán)次數的增加彈性回復率下降、塑性變形率上升。

圖7 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗的彈性回復率和塑性變形率Fig.7 Elastic recovery rate(a) and plastic deformation rate(b) of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

從圖7可以看到彈性性能的變化主要集中在前10次循環(huán)中，10次以后的彈性回復性能趨于穩(wěn)定。這是由于并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗受拉伸變形可以分為2個部分：立即彈性位移、初級蠕變和次級蠕變[10]。在初始幾次的重復運動中會逐漸消除次級蠕變，僅留下立即彈性位移和初級蠕變，彈性趨于穩(wěn)定。

2.3.2 滯后性能分析

2.3.2.1滯后環(huán)的形態(tài)

普通纖維材料的循環(huán)拉伸曲線根據滯后環(huán)形態(tài)大致可分為3種類型：完美彈性、完全彈性和不完美彈性[11-12]。并列復合彈性長絲紗和氨綸包芯紗的100次拉伸回復曲線如圖8所示。

圖8 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗的100次拉伸回復曲線Fig.8 100 times tensile recovery curve of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn. (a)PTT/PET; (b)PBT/PET;(c)NEDDP/PBT;(d) PET(modified)/PET;(e) Spandex core-spun yarn

可見，并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗的循環(huán)拉伸曲線均有明顯滯后環(huán)，拉伸和回復路徑不同，所形成的滯后環(huán)形狀均較寬，滯后環(huán)形狀改變明顯，且隨著循環(huán)次數的增加，滯后環(huán)也在相應移動，滯后環(huán)之間疊合程度低。所以4種彈性長絲在100次循環(huán)拉伸情況下均屬于不完美彈性。在0.02 cN/dtex預加張力作用下，在30%定伸長循環(huán)中，PET(改性)/PET拉伸曲線中明顯出現了彈性區(qū)和屈服區(qū)，而其他3種并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗表現為正在進入彈性區(qū)。這是因為PET(改性)/PET熱處理后的三維螺旋卷曲程度最低，預加張力又消除了絕大部分卷曲伸長，在經歷較短的彈性伸長后很快就進入了彈性伸長區(qū)、屈服區(qū)和增強區(qū)，載荷增長迅速。

2.3.2.2滯后環(huán)的穩(wěn)定性分析

根據定伸長處環(huán)的滯后量隨循環(huán)次數的變化可以確定各種復合彈性長絲和氨綸包芯紗達到滯后穩(wěn)定的拉伸次數[11,13-14]。從實驗的滯后環(huán)形態(tài)來看，實驗適合在定伸長處測量環(huán)高度的變化來定量比較各種纖維的滯后環(huán)穩(wěn)定性。

如式(4)所示，滯后環(huán)高度差H(n)與循環(huán)次數的函數關系可以用來描述并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗在多次反復拉伸后保持其拉伸和回復路徑的能力。通過建立函數關系，可以在較少的拉伸次數下，得出滯后環(huán)形態(tài)相對穩(wěn)定狀態(tài)所需的循環(huán)拉伸次數。表2為不同定伸長次數下，在55 mm處回復曲線與拉伸曲線之間的差值，記為H(n)，同時根據式(5)得出非線性擬合公式中的各項參數，見表3。

表2 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗在55 mm處的滯后量H(n)Tab.2 Hysteresis of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn at 55 mm

表3 并列復合彈性長絲與氨綸包芯紗滯后量的非線性擬合公式Tab.3 Nonlinear fitting formula of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

由此獲得描述并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗循環(huán)次數與滯后環(huán)高度差之間關系的函數方程，設纖維達到相對穩(wěn)定狀態(tài)的條件為H(n)-H0<0.001，由表3中擬合公式推算，要使并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗達到滯后環(huán)形態(tài)相對穩(wěn)定狀態(tài)，PTT/PET、NEDDP/PBT、PET(改性)/PET、PBT/PET和氨綸包芯紗需要在30%定伸長條件下至少拉伸3 445、142、138、146、92次，可見PTT/PET的抗疲勞性在本文實驗范圍內最好，氨綸包芯紗的抗疲勞性最差。

3 結 論

本文對4種并列復合彈性長絲，常壓分散染料可染改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯(NEDDP/PBT)與市售的聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET(改性)/PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)及氨綸包芯紗的拉伸力學、反復拉伸彈性性能進行了對比研究，得到如下結論：

①在拉伸斷裂性能方面，并列復合彈性長絲熱處理后卷曲伸長率和斷裂伸長率大幅增長，彈性模量及斷裂強度有所下降；

②在彈性方面，所測試的4種復合彈性長絲的彈性回復率和塑性變形率在前10次反復拉伸時均有明顯變化，10次以后趨于平穩(wěn)；PET(改性)/PET外，其他3種復合彈性長絲均能提供與氨綸包芯紗相近的彈性回復率和塑性變形率；

③通過滯后穩(wěn)定性分析，并列復合彈性長絲和氨綸包芯紗均屬于不完美彈性；經過非線性擬合表明PTT/PET長絲擁有最好的耐疲勞性，氨綸包芯紗的耐疲勞性最差。

彈性復合長絲在斷裂強度、抗疲勞性等方面相較于氨綸包芯紗更具優(yōu)勢，其中NEDDP/PBT 兼具良好彈性及常壓分散可染性能，是一種理想的、適用于不耐高溫染整加工織物的彈性纖維。