苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力等速伸長(zhǎng)測(cè)定法研究

冷鵑，肖愛平，楊喜愛，廖麗萍，黎宇

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長(zhǎng)沙410205)

苧麻是我國(guó)特有的一種天然纖維作物，在我國(guó)具有悠久的栽培歷史，苧麻纖維及其制品是極具中國(guó)民族特色的產(chǎn)品，是我國(guó)傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品之一。苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力是衡量纖維紡織性能的一個(gè)重要指標(biāo)，而纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定方法主要有等速牽引法、等速加負(fù)荷法與等速伸長(zhǎng)法三種方法，相應(yīng)的強(qiáng)力檢測(cè)儀有等速牽引型、等加負(fù)荷型和等速伸長(zhǎng)型三種類型[1－2]。其中等速牽引法由于其固有的拉伸非線性缺陷存在著不可克服的測(cè)量誤差，同時(shí)限于機(jī)械慣性因素，拉伸速率不能快，否則會(huì)造成嚴(yán)重失準(zhǔn)，如今已很少使用。等速加負(fù)荷法有固有的機(jī)械缺陷，操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、誤差大，有被淘汰的趨勢(shì)。等速伸長(zhǎng)法在檢測(cè)過程中基本不產(chǎn)生位移，可以認(rèn)為不存在機(jī)械性影響，能比較準(zhǔn)確的反映拉伸過程纖維應(yīng)力應(yīng)變的真實(shí)情況，同時(shí)采用的相應(yīng)電子纖維強(qiáng)力檢測(cè)儀器，通過微機(jī)控制自動(dòng)操作，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，人為產(chǎn)生誤差較低，機(jī)械性能良好、精度高、量程范圍大，是國(guó)際推薦的標(biāo)準(zhǔn)加載方式，得到了廣泛推廣應(yīng)用。故擬對(duì)等速伸長(zhǎng)法測(cè)定苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力進(jìn)行研究探討，為苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為精梳苧麻纖維。

1.2 儀器設(shè)備

H1KS型單纖維電子強(qiáng)力儀 (SDL Atlas Ltd，錫萊亞太拉斯公司)。

1.3 試驗(yàn)方法[3－4]

選擇拉伸隔距d為20 mm、30 mm，每一拉伸隔距分別設(shè)定拉伸速率v為10、15、20、30 mm/min，試驗(yàn)根數(shù)n均為250根，采用等速伸長(zhǎng)法進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力檢測(cè)結(jié)果見表1、2、3、4、5、6、7、8。

表1 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=20 mm，n=250，v=10 mm·min－1)Tab.1 Original test records of different extension gap and different extension rate

表2 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=20 mm，n=250，v=15 mm·min－1)Tab.2 Original test records of different extension gap and different extension rate

表3 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=20 mm，n=250，v=20 mm·min－1)Tab.3 Original test records of different extension gap and different extension rate

表4 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=20 mm，n=250，v=30 mm·min－1)Tab.4 Original test records of different extension gap and different extension rate

表5 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=30 mm，n=250，v=10 mm·min－1)Tab.5 Original test records of different extension gap and different extension rate

表6 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=30 mm，n=250，v=15 mm·min－1)Tab.6 Original test records of different extension gap and different extension rate

表7 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=30 mm，n=250，v=20 mm·min－1)Tab.7 Original test records of different extension gap and different extension rate

表8 不同拉伸隔距與拉伸速率單纖維強(qiáng)力測(cè)定原始記錄 (d=30 mm，n=250，v=30 mm·min－1)Tab.8 Original test records of different extension gap and different extension rate

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表1、2、3、4、5、6、7、8纖維斷裂強(qiáng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5－7]，通過頻數(shù)分布直方圖、P－P圖對(duì)苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明其單纖維斷裂強(qiáng)力呈正態(tài)分布。以表1為例的單纖維斷裂強(qiáng)力頻數(shù)分布直方圖與P－P圖 (見圖1、2)，圖1中的曲線為正態(tài)分布曲線，從圖2可知，斷裂強(qiáng)力基本分布在一條直線上，近似正態(tài)分布[8]。

在一定拉伸隔距 (d)為20 mm，不同速度v為10、15、20、30mm/min單纖維斷裂強(qiáng)力平均值分別為 27.15、27.55、26.84、27.26 cN，標(biāo)準(zhǔn)差 (SD)分別為 11.08、10.07、11.00、11.09 cN;在一定拉伸隔距 (d)為30 mm，不同速度v為10、15、20、30mm/min單纖維斷裂強(qiáng)力平均值分別為 24.71、24.78、24.50、24.79 cN，標(biāo)準(zhǔn)差 (SD)分別為 9.97、10.01、10.77、10.26 cN。

4個(gè)不同速度下，斷裂強(qiáng)力最大與最小絕對(duì)差值，當(dāng)d=20 mm時(shí)，只有0.71 cN，當(dāng)d=30 mm時(shí)，僅為0.29 cN，而4個(gè)不同速度下20 mm拉伸隔距斷裂強(qiáng)力平均值 (27.20 cN)大于30 mm拉伸隔距斷裂強(qiáng)力平均值 (24.70 cN)，絕對(duì)差值為2.50 cN，4個(gè)不同速度2種拉伸隔距下斷裂強(qiáng)力變異系數(shù) (CVP)平均達(dá)40.65%。

由此可見，一定拉伸隔距下不同拉伸速度對(duì)苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力的影響不大，相同速度不同拉伸隔距對(duì)苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力有較大影響，且拉伸隔距越大，強(qiáng)力越小。苧麻單纖維離散度較大，需較大試樣測(cè)定容量，才能較為準(zhǔn)確測(cè)定苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力。

圖1 苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力頻數(shù)直方圖Fig.1 Distribution histogram of ramie single fiber

圖2 正態(tài)分布苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力P—P圖Fig.2 P－P diagram of breaking strengthen of ramie single fiber

3 影響因素分析

3.1 試驗(yàn)根數(shù)

圖3 平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差與測(cè)定根數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between SD of means and tested fiber numbers

基于上述理由，在保證允許偏差率為5%條件下，考慮到苧麻單纖維試樣離散性較大，確定單纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定試驗(yàn)根數(shù)n為250根。

3.2 拉伸隔距

苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定，其單纖維斷裂強(qiáng)力在相同拉伸速率不同拉伸隔距下的變化規(guī)律，通過表9結(jié)果表明:相同速率下拉伸隔距為20 mm的斷裂強(qiáng)力均大于拉伸隔距為30 mm的斷裂強(qiáng)力，相同拉伸速率下的斷裂強(qiáng)力與拉伸隔距變化規(guī)律符合弱環(huán)定理[10]，即隨著拉伸隔距的增加強(qiáng)力逐漸減小。同時(shí)對(duì)拉伸速率為10、15、20、30 mm/min，每個(gè)速率分別設(shè)定拉伸隔距20 mm、30 mm的單纖維平均斷裂強(qiáng)力測(cè)定結(jié)果進(jìn)行U檢驗(yàn) (見表9，取顯著水平α為0.05)，對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U分別為2.588、3.086、2.403、2.349，均大于U0.05=1.960，表明相同拉伸速率下不同拉伸隔距的苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定結(jié)果存在顯著性差異。

表9 苧麻單纖維拉伸試驗(yàn)結(jié)果與相同速率不同拉伸隔距U檢驗(yàn)Tab.9 Results of breaking strength of ramie single fiber and U－Test at the same extension rate but different extension gap

3.3 拉伸速率

表9結(jié)果表明，相同拉伸隔距不同拉伸速率與強(qiáng)力無(wú)變化規(guī)律，拉伸速率對(duì)斷裂強(qiáng)力結(jié)果影響很小。同時(shí)對(duì)拉伸隔距為20 mm、30 mm，每個(gè)拉伸隔距分別設(shè)定拉伸速率 (控制變量)為10、15、20、30 mm/min的單纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定結(jié)果 (見表1、2、3、4、5、6、7、8)運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分別進(jìn)行方差分析[11](取顯著水平α為0.05)，表10的結(jié)果表明:檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F分別為0.181與0.080，均小于1，對(duì)應(yīng)的伴隨概率為0.911與0.971，均大于顯著水平0.05，故可認(rèn)定相同拉伸隔距不同拉伸速率間單纖維斷裂強(qiáng)力檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著性差異。

表10 相同拉伸隔距不同拉伸速率苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力結(jié)果方差分析Tab.10 Variance analysis of breaking strength of ramie single fiber at different extension rate and the same extension gap

4 結(jié)論與討論

(1)增加測(cè)定根數(shù)可以提高測(cè)定的精密度，但增加測(cè)定根數(shù)的代價(jià)不一定能從減少誤差得到補(bǔ)償。實(shí)際檢測(cè)中測(cè)定根數(shù)無(wú)需太多，建議苧麻單纖維拉伸斷裂試驗(yàn)根數(shù)250根為宜。

(2)相同拉伸速率下的斷裂強(qiáng)力與拉伸隔距變化規(guī)律符合弱環(huán)定理，相同拉伸速率下不同拉伸隔距的苧麻單纖維斷裂強(qiáng)力測(cè)定結(jié)果存在顯著性差異。根據(jù)苧麻單纖維較長(zhǎng)的特點(diǎn) (其單纖維長(zhǎng)度通常為60 mm～250 mm)，并參照ISO 5079－1995規(guī)定:單纖維長(zhǎng)度≥38 mm時(shí)，拉伸隔距為20 mm，建議苧麻單纖維拉伸斷裂試驗(yàn)拉伸隔距為20 mm。

(3)相同拉伸隔距不同拉伸速率與強(qiáng)力無(wú)變化規(guī)律，拉伸速率對(duì)斷裂強(qiáng)力結(jié)果影響很小。相同拉伸隔距不同拉伸速率間單纖維斷裂強(qiáng)力檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著性差異。但拉伸速率過小影響檢測(cè)速度，拉伸速率過大影響纖維拉伸斷裂的穩(wěn)定性，建議苧麻單纖維拉伸斷裂試驗(yàn)拉伸速率為30 mm/min。

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