濕熱處理后牛奶蛋白纖維的拉伸性能及力學(xué)模型研究

楊 琳

(1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266032)

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濕熱處理后牛奶蛋白纖維的拉伸性能及力學(xué)模型研究

楊 琳1,2

(1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266032)

文章測(cè)試了濕熱處理后腈綸基牛奶蛋白纖維的拉伸性能，包括斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果建立了相應(yīng)的力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)牛奶蛋白纖維原樣和濕熱處理后樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，四元件非線(xiàn)性粘彈性模型可以很好地模擬濕熱處理后牛奶蛋白纖維的拉伸性能，反應(yīng)纖維拉伸過(guò)程中的力學(xué)變化。

腈綸基牛奶蛋白纖維；耐濕熱性能；力學(xué)模型

腈綸基牛奶蛋白纖維既有天然蠶絲的優(yōu)良特性，又兼具腈綸的物理化學(xué)性能和良好的可紡性能，是一種全新的紡織材料。牛奶蛋白纖維織物具有外觀(guān)華麗、色澤鮮艷、穿著舒適等特點(diǎn)，更重要的是牛奶蛋白纖維與人體皮膚親和性好，且含有多種人體所必須的氨基酸，具有良好的保健作用[1～3]。

腈綸基牛奶蛋白纖維的耐熱性差[4～6]，熱處理后，力學(xué)性能下降較大。本文通過(guò)測(cè)試濕熱處理后腈綸基牛奶蛋白纖維拉伸性能，并建立合適的力學(xué)模型，對(duì)其拉伸時(shí)的應(yīng)力隨應(yīng)變的變化做出一定分析，為確定合理的加工工藝和服裝護(hù)理方法提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)樣品 實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

為了研究濕熱處理對(duì)牛奶蛋白纖維拉伸性能的影響，本文選用原樣為對(duì)照，將濕熱處理后纖維的拉伸性能與其進(jìn)行對(duì)照。實(shí)驗(yàn)中所用牛奶蛋白纖維的基本規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 牛奶蛋白纖維的規(guī)格

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器： LLY—06E型電子式單纖維強(qiáng)力儀，水浴鍋，燒杯，溫度計(jì)。

實(shí)驗(yàn)條件： 將需濕熱處理的牛奶蛋白纖維浸沒(méi)于盛滿(mǎn)蒸餾水的燒杯中，將燒杯分別放置在溫度為65℃、75℃、85℃、95℃的水浴鍋中，待燒杯中蒸餾水的溫度穩(wěn)定后，分別經(jīng)過(guò)30 min、60 min、90 min、120 min、150 min時(shí)長(zhǎng)的水浴熱處理，處理完成后讓試樣充分干燥，再把充分干燥的濕熱處理試樣與原樣放在溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下預(yù)調(diào)濕24 h。

將預(yù)調(diào)濕后的濕熱處理試樣與原樣在LLY—06E型電子式單纖維強(qiáng)力儀上進(jìn)行斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量，其中不同溫度不同時(shí)間分別取30次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。實(shí)驗(yàn)條件：拉伸速度：10 mm/min；預(yù)加張力：100 mg；夾持距離：15 mm；測(cè)試次數(shù)：30次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

未處理牛奶蛋白纖維在常溫干態(tài)條件下一次拉伸斷裂性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)不同溫度，不同時(shí)間濕熱處理牛奶蛋白纖維一次拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 未處理牛奶蛋白纖維在常溫干態(tài)條件下一次拉伸斷裂性能指標(biāo)

表3 不同溫度 不同時(shí)間濕熱處理的牛奶蛋白纖維的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，經(jīng)同樣濕熱處理時(shí)間，處理溫度越高，牛奶蛋白纖維斷裂強(qiáng)度的越低，同時(shí)，在同樣濕熱處理溫度下牛奶蛋白纖維隨處理時(shí)間增加其斷裂強(qiáng)度逐漸下降。在濕熱處理溫度為85℃時(shí)，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的濕熱處理牛奶蛋白纖維的強(qiáng)度都下降劇烈。經(jīng)同樣濕熱處理時(shí)間，牛奶蛋白纖維的斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的增高先下降再上升，在濕熱處理溫度為85℃和95℃時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)

率分別達(dá)到最小值和最大值，同時(shí)，在同樣濕熱處理溫度下牛奶蛋白纖維的斷裂伸長(zhǎng)率隨處理時(shí)間增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。但處理溫度為85℃時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率隨處理時(shí)間增長(zhǎng)無(wú)明顯變化規(guī)律，這是因?yàn)殡S濕熱處理溫度增高，85℃處于斷裂伸長(zhǎng)率由減小到增加的臨界溫度。因此，為保證牛奶蛋白纖維具有穩(wěn)定的斷裂伸長(zhǎng)率，后整理加工中，濕熱處理溫度應(yīng)低于85℃。

3 牛奶蛋白纖維力學(xué)模型的建立與分析

3.1 牛奶蛋白纖維力學(xué)模型

牛奶蛋白纖維屬于粘彈體，其力學(xué)性能同時(shí)有彈性固體和粘性流體的特征。牛奶蛋白纖維的典型粘彈性力學(xué)性能表現(xiàn)一次拉伸性能，即斷裂強(qiáng)力，初始模量值是拉伸速度的函數(shù)。

通常采用力學(xué)模型來(lái)模擬對(duì)牛奶蛋白纖維粘彈性現(xiàn)象的定量描述。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，牛奶蛋白纖維屬于非線(xiàn)性粘彈體，因此它的力學(xué)模型應(yīng)該分為三部分，包括線(xiàn)性彈簧(反映纖維的線(xiàn)性力學(xué)性質(zhì))、粘彈元件(反映纖維的粘彈性質(zhì))以及非線(xiàn)性元件(反映非線(xiàn)性力學(xué)性質(zhì))。因此，本文用非線(xiàn)性彈簧和一個(gè)Maxwell單元并聯(lián)組成的四元件模型來(lái)模擬牛奶蛋白纖維的強(qiáng)伸性能，根據(jù)模型做出相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，通過(guò)Origin軟件求解數(shù)學(xué)方程式得出模型中的各力學(xué)量的值，從而對(duì)牛奶蛋白纖維的力學(xué)變化做出定量的分析。圖1為四

元件非線(xiàn)性模型的示意圖。

圖1 四元件非線(xiàn)性模型示意圖

3.2 牛奶蛋白纖維拉伸模型與分析

通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到四元件非線(xiàn)性模型在纖維等速拉伸(ε=Kt， 在本文中，速度K=10 mm/min)的條件下，應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)的曲線(xiàn)回歸方程為：

σ=σ0+Aε+Bε2+C(1-e-Dε)

(1)

運(yùn)用Origin7.5軟件，采用上述四元件非線(xiàn)性模型，對(duì)牛奶蛋白纖維原樣和經(jīng)65℃，30min濕熱處理試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，由于纖維細(xì)度為一常數(shù)，因此可用強(qiáng)度曲線(xiàn)代替應(yīng)力曲線(xiàn)擬合，擬合參數(shù)結(jié)果如表4所示，具體的擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖2、圖3。

表4 不同處理?xiàng)l件下牛奶蛋白纖維拉伸模型參數(shù)擬合結(jié)果

圖2 原樣拉伸擬合曲線(xiàn)

圖3 濕熱處理后牛奶蛋白纖維拉伸擬合曲線(xiàn)

從表4可以看出，力學(xué)模型擬合的相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，說(shuō)明用四元件非線(xiàn)性粘彈性模型來(lái)模擬牛奶蛋白纖維的拉伸性能是非常合適的。同時(shí)可以看到擬合結(jié)果中預(yù)加張力σ0小于0，可能是在測(cè)試過(guò)程中由于儀器的原因，對(duì)牛奶蛋白纖維的預(yù)加張力不夠。

實(shí)際曲線(xiàn)與擬合曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相同，但起始點(diǎn)的擬合程度不佳，可能是由于選取的數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)多，導(dǎo)致擬合程度下降。從實(shí)際曲線(xiàn)可以看出，拉伸曲線(xiàn)的初始階段為急彈性階段， 是牛奶蛋白纖維拉伸曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)，在這個(gè)階段，外力作用使得牛奶蛋白纖維大分子中的鍵角鍵長(zhǎng)發(fā)生變化，伸長(zhǎng)率變化很小，而且此時(shí)的伸長(zhǎng)可以在外力消除后恢復(fù)；第二個(gè)階段為牛奶蛋白纖維緩彈性階段，是非線(xiàn)性彈性部分，在這個(gè)階段，牛奶蛋白纖維大分子結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生變化甚至重新組合排列，變形過(guò)程比較緩慢，隨著牛奶蛋白纖維伸長(zhǎng)的增加，強(qiáng)力增加緩慢；第三個(gè)階段為牛奶蛋白纖維的塑性變形階段，大分子之間產(chǎn)生了相對(duì)滑移，纖維在接近斷裂時(shí)，強(qiáng)力、伸長(zhǎng)快速增加。

用數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬牛奶蛋白纖維的拉伸性能，可以對(duì)其拉伸時(shí)的應(yīng)力隨應(yīng)變的變化做出一定分析，可以很好地反應(yīng)拉伸過(guò)程中牛奶蛋白纖維力學(xué)性能。

4 結(jié)論

腈綸基牛奶蛋白纖維的耐熱性較差，濕熱處理時(shí)，在同樣熱處理溫度下纖維隨處理時(shí)間增長(zhǎng)其斷裂強(qiáng)度不斷下降，斷裂伸長(zhǎng)率先下降再上升；經(jīng)過(guò)同樣熱處理時(shí)間，纖維的斷裂強(qiáng)度隨處理溫度升高而下降，斷裂伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化規(guī)律。濕熱處理溫度為85℃時(shí)牛奶蛋白纖維的斷裂強(qiáng)度下降最劇烈，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最小值，因此纖維后整理加工時(shí)要保證濕熱處理溫度低于85℃。

利用四元件非線(xiàn)性粘彈性模型模擬腈綸基牛奶蛋白纖維的拉伸性能，實(shí)際曲線(xiàn)與擬合曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相同，力學(xué)模型擬合的相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，可以很好地反應(yīng)拉伸過(guò)程中牛奶蛋白纖維應(yīng)力隨應(yīng)變的變化，從而為進(jìn)一步探討牛奶蛋白纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供參考。

[1] 李克兢,何建新,崔世忠.牛奶蛋白纖維的結(jié)構(gòu)與性能[J].紡織學(xué)報(bào),2006,27(8):57—60.

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[7] 杜俊萍.紐代爾纖維及其混紡產(chǎn)品基本性能的研究[D].青島:青島大學(xué),2009.

Study on the Tensile Properties and Mechanical Model of PAN-milk Protein Fiber after Heat-moist Treatments

YangLin1,2

(1.Shandong Textile Research Institute,Qingdao 266032,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Textiles Processing Technology,Qingdao 266032,China)

The tensile properties of PAN-milk protein fiber after heat-moist treatments were tested, included the breaking strength and elongation, and corresponding mechanical model was established based on test results. By fitting stress-strain curves of original samples and samples after heat-moist treatments, we found that four-component nonlinear viscoelasticity model could simulate the tensile properties of PAN-milk protein fiber after heat-moist treatments very well, reflect changes of mechanical properties in the tensile process.

PAN-milk protein fiber; wet-heat resistant property; mechanical mode

2016-06-06

楊 琳(1986—)，男，山東青島人，助理工程師。

TS101.92+1.4 文獻(xiàn)識(shí)別碼：B

1009-3028(2016)04-0004-04