試驗(yàn)參數(shù)對(duì)氨綸絲彈性指標(biāo)的影響

周方穎　王鋼

摘要：利用電子單絲強(qiáng)力儀，按照L16（43）正交表設(shè)置拉伸速度、拉伸停置時(shí)間和松弛停置時(shí)間，測(cè)試?yán)w度為33.3 dtex、定伸長(zhǎng)率為300%的氨綸絲定伸長(zhǎng)拉伸彈性。分析氨綸絲彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率兩項(xiàng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，拉伸速度影響最為顯著，拉伸停置時(shí)間和松弛停置時(shí)間的影響效果因指標(biāo)不同而有差異；試驗(yàn)時(shí)，綜合考慮試驗(yàn)效果和效率，可以選擇較大的拉伸速度、較長(zhǎng)的松弛停置時(shí)間和較短的拉伸停置時(shí)間。

關(guān)鍵詞：彈性回復(fù)率；應(yīng)力松弛率；松弛停置時(shí)間；拉伸停置時(shí)間；拉伸速度；氨綸絲

中圖分類(lèi)號(hào)：TS151.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）02-0021-04

Abstract：This paper sets stretching speed， stretching time and relaxation time according to L16（43） orthogonal table with electronic monofilament strength tester and tests specified elongation and tensile elasticity of spandex filament with fineness 33.3 dtex and specified elongation 300%. The analysis on elastic recovery rate and stress relaxation rate of spandex filament finds that stretching speed has the most significant influence and impact effect of stretching time and relaxation time is different due to difference in index. During the test， considering test effect and efficiency， high stretching speed， long relaxation time and short stretching time can be selected.

Key words：elastic recovery rate； stress relaxation rate； relaxation time； stretching time； stretching speed； spandex filament

氨綸絲是一種綜合性能優(yōu)良的新型紡織原料，其超高的伸長(zhǎng)率和優(yōu)良的彈性回復(fù)性能顯著提高了服裝的舒適性和耐用性，因此被廣泛地應(yīng)用于紡織行業(yè)[1]。采用專(zhuān)用于氨綸絲性能測(cè)試的HD009N電子單絲強(qiáng)力儀測(cè)試，可以獲得氨綸絲定伸長(zhǎng)拉伸彈性的多項(xiàng)指標(biāo)，其參數(shù)設(shè)置大部分參照FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗(yàn)方法》；但對(duì)于另一些對(duì)氨綸絲彈性回復(fù)性能有貢獻(xiàn)的參數(shù)，目前已有的試驗(yàn)方法中沒(méi)有提及，由于它們都是影響氨綸絲彈性性能的重要參數(shù)，因此有必要加以分析。

本文分析的試驗(yàn)參數(shù)有拉伸速度、拉伸停置時(shí)間、松弛停置時(shí)間。采用正交試驗(yàn)的方式，通過(guò)分析主次因素，得出對(duì)氨綸絲彈性回復(fù)性能影響較大的參數(shù)，以便為試驗(yàn)和生產(chǎn)中的參數(shù)設(shè)置提供借鑒。

1試驗(yàn)

1.1材料及儀器

材料：選纖度為33.3 dtex的氨綸絲（江蘇雙良氨綸有限公司）若干，在實(shí)驗(yàn)室條件下平衡24 h。均等地從每個(gè)卷裝上以不少于2 m的不等間隔剪取，試樣長(zhǎng)約1.25 m，制成試驗(yàn)樣本。

儀器：HD009N電子單絲強(qiáng)力儀（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）。

1.2方案

在HD009N電子單絲強(qiáng)力儀上，對(duì)氨綸絲進(jìn)行定伸長(zhǎng)拉伸彈性試驗(yàn)。按照L16（43）正交表[2]設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)，參數(shù)包括拉伸速度、拉伸停置時(shí)間和松弛停置時(shí)間的水平值，如表1所示。按表1進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試獲得16組氨綸絲的彈性回復(fù)率及應(yīng)力松弛率。

1.3試驗(yàn)條件

在HD009N電子單絲強(qiáng)力儀上，對(duì)氨綸絲進(jìn)行定伸長(zhǎng)條件下的多次循環(huán)彈性試驗(yàn)。上下夾持器隔距為50 mm，預(yù)加張力按照（0.01±0.001）cN/tex設(shè)置為0.03 cN，定伸長(zhǎng)率為300%，重復(fù)拉伸次數(shù)為6次。

1.4指標(biāo)定義

為了更好地表征氨綸絲的定伸長(zhǎng)拉伸彈性性能，HD009N單絲強(qiáng)力儀采集數(shù)據(jù)并計(jì)算出定伸長(zhǎng)負(fù)荷、彈性回復(fù)率、塑性變形率和應(yīng)力松弛率4項(xiàng)指標(biāo)，各指標(biāo)的計(jì)算參照式（1）—（4），式中各變量的物理意義如圖1所示。其中E1表示第一次拉伸達(dá)到的預(yù)加張力點(diǎn)；E2表示第一次拉伸達(dá)到的定伸長(zhǎng)點(diǎn)；E3表示最后一次拉伸達(dá)到定伸長(zhǎng)并松弛一段時(shí)間后的終點(diǎn)；E4表示最后一次拉伸結(jié)束回到的負(fù)荷零點(diǎn)；E5表示循環(huán)結(jié)束后達(dá)到的預(yù)加張力點(diǎn)；L0表示氨綸絲的拉伸起點(diǎn)，代入式（3），為上下夾持器設(shè)定隔距。計(jì)算時(shí)，代入公式中各變量所代表坐標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)力值或伸長(zhǎng)值[3]。

2結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)結(jié)果

按照L16（43）正交表的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，得到氨綸絲定伸長(zhǎng)拉伸彈性指標(biāo)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理[4]如表2所示。表2中，T1表示彈性回復(fù)率指標(biāo)，T2表示應(yīng)力松弛率指標(biāo)；K1、K2、K3、K4分別表示各因素在各水平下對(duì)應(yīng)的彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率的均值；R表示某因素不同水平K值的極差。

2.2結(jié)果分析

a）從表2看出：對(duì)彈性回復(fù)率而言，松弛停置時(shí)間的極差R最大，影響最顯著，拉伸速度次之，拉伸停置時(shí)間的影響最?。粚?duì)應(yīng)力松弛率而言，拉伸速度影響最為顯著，拉伸停置時(shí)間次之，松弛停置時(shí)間最小。比較這兩個(gè)影響因素的R值可以得出：拉伸速度對(duì)兩者的影響較為顯著，因此可以將拉伸速度作為對(duì)氨綸絲拉伸性能影響的主要因素。

b）氨綸絲在做拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力對(duì)其做功W1使大分子鏈伸長(zhǎng)；當(dāng)其回復(fù)時(shí)，大分子鏈重新蜷曲對(duì)外界做功W2。由于纖維材料具有的黏彈性的特點(diǎn)[5]，因此W1、W2不等同，由此產(chǎn)生內(nèi)耗。高聚物內(nèi)耗與頻率有關(guān)，當(dāng)頻率或者速度較低時(shí)，氨綸絲鏈段的運(yùn)動(dòng)跟得上外力的變化，內(nèi)耗很小，氨綸絲的彈性回復(fù)率較高；反之，拉伸速度較高時(shí)，氨綸絲鏈段的運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，內(nèi)耗較大，彈性回復(fù)率隨之降低[6]。表2的數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。

松弛停置是指氨綸絲所受張力為0時(shí)，蠕變回縮的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的原因是氨綸絲內(nèi)部大分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。由于氨綸絲是最接近于彈簧的一種紡織材料，它在應(yīng)力為0時(shí)，理想狀態(tài)應(yīng)回復(fù)為初始形態(tài)；但由于氨綸絲中的軟鏈段并不等同于彈簧，因此在這個(gè)過(guò)程中，它的回復(fù)只能無(wú)限接近初始形態(tài)，恢復(fù)氨綸絲原有的“彈性勢(shì)能”，如圖2所示。隨著停置時(shí)間的延長(zhǎng)，氨綸絲的彈性回復(fù)率增加。

拉伸停置是對(duì)氨綸絲進(jìn)行一定的拉伸作用后進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。氨綸絲被拉伸至定伸長(zhǎng)后，在試驗(yàn)設(shè)定的拉伸停置時(shí)間段內(nèi)，內(nèi)部大分子相互穿插尋找最適合的位置，釋放應(yīng)力，結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)生“亂象”，使相互平行伸直的鏈因相互纏結(jié)形成“結(jié)點(diǎn)”，阻礙了氨綸絲的回彈，結(jié)果使其彈性回復(fù)率呈下降趨勢(shì)，如圖3所示。

從表2影響因素的極差可以看出，松弛停置時(shí)間與拉伸速度幾乎相等，表明松弛停置時(shí)間對(duì)氨綸絲彈性回復(fù)所做的“正功”與拉伸速度所做的“負(fù)功”接近相等。因此，試驗(yàn)中若采用較大的拉伸速度時(shí)，也應(yīng)采用較長(zhǎng)的松弛停置時(shí)間，以使氨綸絲的彈性性能得到必要的修復(fù)。

c）從表2應(yīng)力松弛率的K值可以看出，拉伸速度越大，氨綸絲的應(yīng)力松弛率越大。對(duì)氨綸絲進(jìn)行拉伸將會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)，在這樣的伸長(zhǎng)中，既包含大分子鏈上鍵長(zhǎng)的伸長(zhǎng)和鍵角的張開(kāi)，即急彈性伸長(zhǎng)，也包含大分子之間的相對(duì)滑移而產(chǎn)生的伸長(zhǎng)，即緩彈性伸長(zhǎng)。當(dāng)拉伸速度大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)氨綸絲的伸長(zhǎng)量增大，需要克服大分子內(nèi)結(jié)合能以及大分子間結(jié)合能，因此產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，即圖1中的E2較大[78]。在這個(gè)過(guò)程中，E3也會(huì)隨著拉伸速度的增加而有所增加，但由于纖維黏彈體的特點(diǎn)，其增加幅度小于E2。按式（4）可得：應(yīng)力松弛率/%=（E2-E3）/E2×100=（1-E3/E2）×100。因此，在其他條件相同的情況下，拉伸速度大的可以獲得較大的應(yīng)力松弛率。但是，較大的應(yīng)力松弛率表明，氨綸絲在速度較高的條件下進(jìn)行拉伸，其形態(tài)易發(fā)生變化，尺寸穩(wěn)定性較差[910]。

同樣，拉伸停置對(duì)氨綸絲應(yīng)力松弛的作用可以從圖1中看出。時(shí)間越長(zhǎng)，E3越小，應(yīng)力松弛的效果越好。松弛停置發(fā)生時(shí)氨綸絲張力為0，此時(shí)氨綸絲發(fā)生蠕變回縮。由于此時(shí)張力為0，內(nèi)部應(yīng)力改變緩慢，從測(cè)試結(jié)果看，應(yīng)力松弛率變化很小。

d）從試驗(yàn)結(jié)果和以上的分析討論可以得出，在HD009N電子單絲強(qiáng)力儀上，對(duì)氨綸絲進(jìn)行定伸長(zhǎng)拉伸彈性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇的測(cè)試參數(shù)除了本文1.3提到的內(nèi)容外，還應(yīng)考慮拉伸速度的設(shè)定；而拉伸停置時(shí)間和松弛停置時(shí)間對(duì)于彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率的影響差別較大，鑒于氨綸絲的彈性回復(fù)率指標(biāo)的重要性，應(yīng)對(duì)松弛停置時(shí)間加以控制。

從前面的分析看出，為了獲得較大的彈性回復(fù)率，結(jié)合表2的試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)效率，拉伸速度建議500 mm/min；同時(shí)建議使用氨綸絲進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中，為了保證氨綸絲良好的彈性回復(fù)性能和較穩(wěn)定的氨綸絲形態(tài)，其卷繞速度應(yīng)適當(dāng)降低。松弛停置時(shí)間應(yīng)以長(zhǎng)為宜，但從試驗(yàn)效率看，可以選擇40 s。此外，雖然拉伸停置時(shí)間不是主要因素，并且鑒于它對(duì)氨綸絲彈性回復(fù)率的“負(fù)貢獻(xiàn)”，宜選用較短的拉伸停置時(shí)間，建議20 s。

3結(jié)論

本文利用HD009N電子單絲強(qiáng)力儀，按L16（43）正交表設(shè)置拉伸速度、拉伸停置時(shí)間和松弛停置時(shí)間，測(cè)試?yán)w度為33.3 dtex、定伸長(zhǎng)率為300%氨綸絲的拉伸彈性，結(jié)果表明：

a）結(jié)合彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率兩項(xiàng)指標(biāo)看，拉伸速度的影響最為顯著；拉伸速度增加，彈性回復(fù)率減小，應(yīng)力松弛率增加。

b）拉伸停置時(shí)間和松弛停置時(shí)間對(duì)氨綸絲的彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率的貢獻(xiàn)各自不同，但其作用不用忽視，在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)作為參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

c）在HD009N上測(cè)試氨綸絲的拉伸彈性時(shí)，為了獲得較好的彈性回復(fù)率和應(yīng)力松弛率，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)效率，建議選擇拉伸速度為500 mm/min，松弛停置時(shí)間為40 s，拉伸停置時(shí)間為20 s。

d）在使用氨綸絲進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，為了保證其良好的彈性回復(fù)性能和穩(wěn)定的形態(tài)尺寸，建議適當(dāng)降低生產(chǎn)速度，并且設(shè)有一定的停置回復(fù)時(shí)間。

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（責(zé)任編輯：康鋒）