長絲紗斷絲性測試與表征

劉 娜， 敖利民， 黃金梅， 林艷冰， 姚 晶， 馮 輝

(嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314000)

化學纖維紡絲加工制得的由一定根數(shù)單絲構(gòu)成的復絲，經(jīng)過拉伸、定型和必要的變形加工后，即得到長絲紗[1]。長絲紗可與短纖紗或其他長絲紗進行復合加工，如交捻、包纏、包覆、包芯等紡制成復合紗線，也可經(jīng)加捻提高可織性后直接用于織造[2]。同短纖紗一樣，長絲紗的拉伸斷裂性能是決定其可加工性能的重要因素，是制定后續(xù)加工工藝參數(shù)(主要是機上加工張力)的重要依據(jù)。

構(gòu)成長絲紗的各單絲的拉伸斷裂性能，如斷裂強力、斷裂伸長等存在一定的差異，這種性能離散性[3]產(chǎn)生的原因，既包括紡絲及后加工過程中形成的纖維超分子結(jié)構(gòu)(大分子結(jié)晶度、取向度)及線密度的差異，也包括復絲內(nèi)外層纖維在加工過程中磨損、疲勞程度的差異。在長絲紗的后續(xù)加工使用過程中，在較小的張力或伸長作用(小于長絲紗的斷裂強力和斷裂伸長)下就可能出現(xiàn)1根單絲甚至多根單絲斷裂的情況，即斷絲[4]。斷絲浮在長絲紗或其制品(如包纏紗)表面，形成毛絲疵病，影響后道工序的可加工性和產(chǎn)品外觀質(zhì)量。如斷絲可造成長絲紗卷裝上各紗層之間的糾纏，導致高速退繞時產(chǎn)生斷頭；長絲紗作為經(jīng)紗織造時，斷絲會造成經(jīng)紗之間的糾纏、黏連，引起開口不清；斷絲還會造成成品織物表面發(fā)毛，引起后續(xù)染色、印花疵病等。

普通的長絲紗通過加捻[3]，高性能長絲紗通過浸膠固化[5-7]可減少乃至消除長絲紗在后續(xù)加工過程中斷絲現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高可加工性。但對于用于復合紗加工，如空心錠包纏[8]、空氣網(wǎng)絡包覆[9]的復絲而言，則不能加捻或只能加弱捻，在使用過程中就會發(fā)生斷絲。

現(xiàn)有的長絲拉伸試驗方法及相關(guān)標準中，尚無長絲紗斷絲性測試與表征方法。段杏元等[10]在介紹ASTMD 2653—2001《彈性紗線抗拉伸特性的標準試驗方法(CRE型拉伸試驗機)》時指出，在該標準中，表征氨綸紗拉伸斷裂性能的各項指標(如斷裂負荷、斷裂伸長率和斷裂強度)并不是傳統(tǒng)意義上的指標，而是指當氨綸長絲紗中第1根單絲被拉斷時所計算出來的指標值，即在該標準中將第1根單絲斷裂時的力學特征作為評價復絲性能的重要依據(jù)。

當復絲受到拉伸作用而發(fā)生單絲斷裂時，斷裂伸長率小的斷裂單絲承受的負荷，將由斷裂伸長率較大的其他單絲承擔，如果其他單絲可承受斷裂單絲轉(zhuǎn)移的負荷，將不會發(fā)生其他單絲的連續(xù)斷裂而致使整根復絲斷裂。復絲中各未斷裂單絲承受的拉伸負荷進行重新分配，將在拉伸斷裂曲線上產(chǎn)生可識別的響應(不再是平滑的曲線)。通過對單絲斷裂時曲線響應處應力、應變特征的提取可表征復絲的斷絲性。本文通過對無捻長絲紗典型拉伸斷裂曲線進行比較分析，嘗試建立長絲紗斷絲性的表征指標體系，為長絲紗斷絲性(斷裂不同時性)評價及其在使用加工時張力工藝的制定提供參考。

1 長絲紗拉伸斷裂曲線及其分析

為探討無捻長絲紗的斷絲性，對某空心錠包纏紡紗工廠提供的錦綸6(DTY規(guī)格為78 dtex/24 f，以下簡稱錦綸DTY)無捻長絲紗進行了探索性拉伸斷裂試驗，并對實時拉伸斷裂曲線進行觀察。所用測試儀器為YG021D型電子單紗強力機(CRE)，測試參數(shù)按照測GB/T 14344—2008《化學纖維 長絲拉伸性能試驗方法》設(shè)置：試樣長度為500 mm；預加張力為3.9 cN；拉伸速度為500 mm/min。結(jié)果表明，每次拉伸試驗得到的斷裂曲線形態(tài)均有所不同。選取幾個典型曲線進行描述和分析。

1.1 無斷絲的拉伸斷裂曲線

圖1示出無單絲斷裂發(fā)生的拉伸斷裂曲線。可見，該曲線可分為3 個階段：第1階段為卷曲伸直階段(oa段)，在拉伸作用下紗線中各單絲卷曲部分伸直，較小的外力即可產(chǎn)生較大的伸長變形；第2階段為紗線拉伸變形階段(ab段)，紗線在拉伸外力作用下，伸長率增加，直至達到斷裂強力(最大強力)；第3階段為斷裂階段(bc段)，由于各根單絲的斷裂不同時性，曲線呈鋸齒狀下降，直至紗線斷脫[11]。在整個紗線拉伸伸長階段(ab段)，拉伸曲線基本是光滑的。

圖1 無斷絲的拉伸斷裂曲線Fig.1 Tensile fracture curve without filament breakage

1.2 一次斷絲拉伸斷裂曲線

圖2示出紗線拉伸過程中發(fā)生1次斷絲的拉伸斷裂曲線。該曲線在紗線拉伸達到斷裂強力(最大強力)之前的拉伸伸長階段(ab段)，出現(xiàn)了1個鋸齒波(圖中A處)，該鋸齒波與拉伸過程中觀察到的長絲紗試樣中出現(xiàn)1根單絲斷裂在時間上相對應，是單絲斷裂在曲線上的響應：在復絲拉伸過程中，由于某根單絲斷裂，斷裂單絲承受的拉伸負荷轉(zhuǎn)由其余單絲分擔，其他單絲所承受的負荷瞬間增加，產(chǎn)生急彈性伸長變形，變形的增加又反過來減小了紗線的應力，使得紗線承擔的負荷瞬間下降，由于紗線仍處于等速拉伸中，在拉伸作用下，應力在瞬間下降后開始繼續(xù)增大，在拉伸曲線上出現(xiàn)“下降-上升”鋸齒狀的波形，類似整根紗線進入斷裂階段(bc段)后各單絲不同時斷裂形成鋸齒波形。由于斷裂的只是1根單絲，其他單絲雖然分擔了該單絲的拉伸應力，但尚未造成其他單絲的繼續(xù)斷裂，因此，拉伸曲線繼續(xù)上升，直至再次出現(xiàn)下1根單絲斷裂，而此時其他單絲不能承受應力而引起連續(xù)斷裂，即達到最大強力后開始斷裂(bc段)。

圖2 1次斷絲拉伸斷裂曲線Fig.2 Tensile fracture curve with once filament-breakage

1.3 多次斷絲拉伸斷裂曲線

圖3、4分別示出長絲紗拉伸過程中出現(xiàn)2次、3次斷絲情況時的拉伸斷裂曲線?？梢钥闯?，在紗線拉伸過程中，每次發(fā)生單絲斷裂，都會在拉伸斷裂曲線上產(chǎn)生1個鋸齒狀的波形，如圖3中的A處、B處，圖4中的A處、B處和C處。

圖3 2次斷絲拉伸斷裂曲線Fig.3 Tensile fracture curve with twice filament-breakage

圖4 3次斷絲拉伸斷裂曲線Fig.4 Tensile fracture curve with three times filament-breakage

以上幾個典型的拉伸斷裂曲線表明，無捻長絲紗受到拉伸作用時，在到達斷裂強力和斷裂伸長前，既可能不發(fā)生單絲斷裂現(xiàn)象，也有可能發(fā)生1根乃至多根單絲斷裂現(xiàn)象。在長絲紗的應用加工過程中，紗線受到的張力波動波峰值大于斷裂伸長最小的單絲的斷裂強力時，就會引起單絲斷裂。

2 長絲紗單絲斷裂性能的指標

如果要對長絲紗的斷絲性進行表征，既要考慮斷絲的應力、應變條件，也要考慮斷絲發(fā)生的頻次。對某種長絲紗進行一定次數(shù)的拉伸試驗，通過對發(fā)生斷絲現(xiàn)象的頻次和發(fā)生斷絲時應力、應變特征的提取，即可表征、評價其斷絲性。本文嘗試建立表征長絲紗斷絲性的指標體系。

2.1 頻次類指標

斷絲率(B)定義：在N次拉伸斷裂試驗(即N個試樣)中，發(fā)生斷絲的試樣數(shù)n占總試樣數(shù)的比值，即

式中：發(fā)生斷絲的試樣數(shù)n既包括只發(fā)生1次斷絲的試樣，也包括發(fā)生2次及以上多次斷絲的試樣。顯然，斷絲率越高，該樣品相對同一品種長絲紗的其他樣品而言越易發(fā)生斷絲，斷裂不同時性越嚴重。

1次斷絲率(B1)定義：在N次拉伸斷裂測試中，只發(fā)生1次斷絲的試樣數(shù)n1占總試樣數(shù)的比值，即

2次斷絲率(B2)定義：在N次拉伸斷裂測試中，發(fā)生2次斷絲的試樣數(shù)n2占總試樣數(shù)的比值，即

多次斷絲率(B3)定義：在N次拉伸斷裂測試中，發(fā)生3次及以上次斷絲的試樣數(shù)n3占總試樣數(shù)的比值，即

顯然，B=B1+B2+B3。

參考指標為分項指標，可對長絲紗的斷絲性進行更詳細地分析描述。比如，如果某種長絲紗2個樣品的斷絲率B相同，則2次斷絲率B2、多次斷絲率B3越高的紗線，相對越易發(fā)生斷絲。2次及多次斷絲率反映長絲紗中各單絲斷裂伸長的離散性，也可在一定程度上反映長絲紗的品質(zhì)。

頻次類指標只反映紗線在拉伸斷裂過程中發(fā)生斷絲的可能性大小，并未考慮發(fā)生斷絲時的應力、應變條件。因此，不能單純憑借這類指標比較不同種類長絲紗的斷絲性能。比如某種長絲紗的斷絲率比較高，但發(fā)生斷絲時的應力、應變比較大，相對于斷絲率低而應力、應變比較小的另一種長絲紗而言，是更不易發(fā)生斷絲的。這就需要引入表征斷絲條件類的應力、應變指標，對長絲紗的斷絲性進行必要的表征。

2.2 應力類指標

長絲紗一旦發(fā)生斷絲(1次斷絲)，就會導致紗線品質(zhì)下降，嚴重影響其可加工性，因此，本文在建立表征長絲紗斷絲性的應力、應變類指標時，只考慮第1根單絲斷裂時的應力、應變條件，不考慮2次及以上斷絲時的應力、應變條件。

應力-應變性能屬于由長絲紗種類決定的本征性能，不同種類的長絲紗具有較大的差異，即在相同的應力作用下，不同種類的長絲紗產(chǎn)生的應變可能差異很大，從而使應變值在不同種類的長絲紗間不具可比性。因此，本文在考慮建立表征長絲紗斷絲性的應力、應變類指標時，舍棄了應變類指標，只建立應力類指標。

2.2.1最小斷絲負荷

在N次拉伸斷裂測試中，所有發(fā)生斷絲的試樣，第1根單絲斷裂時拉伸斷裂曲線(鋸齒波頂點)對應的拉伸負荷值的最小值(FBm，單位cN)。

電子紗線強力機應用程序繪制的拉伸斷裂曲線可實現(xiàn)“指向-顯示”操作，用鼠標指向曲線上的一點，可顯示該點的拉伸負荷和拉伸位移值，由此可獲取發(fā)生單絲斷裂時鋸齒波頂點對應的拉伸負荷與拉伸位移。當然，也可編制專門的應用程序，從測試過程采集的數(shù)據(jù)中直接提取鋸齒形波頂點對應的拉伸負荷與拉伸位移值。

根據(jù)該指標的定義，其值越小表示越易發(fā)生斷絲，可用于比較不同種類紗線發(fā)生斷絲的可能性，也可用作制定后加工張力參數(shù)的依據(jù)。長絲紗發(fā)生斷絲的條件是機上張力波動的波峰值大于最小斷絲張力，對于易發(fā)生斷絲的長絲紗而言，要控制較小的加工張力并維持張力穩(wěn)定，減少張力的波動突變。

2.2.2平均斷絲負荷

在N次拉伸試驗中，所有發(fā)生斷絲的試樣第1根單絲斷裂時對應拉伸負荷的平均值(FBA，單位cN)。

顯然，該指標值越小，表示紗線越易發(fā)生斷絲。該類指標為絕對的負荷值指標，當然也可采用負荷與紗線線密度的比值將之轉(zhuǎn)化為相對的應力指標。但考慮到當長絲紗密度不同時，其單絲線密度也有可能有差異，對不同品種的長絲紗進行比較時，反而會造成可比性下降；因此，不建議轉(zhuǎn)化為相對指標。

2.2.3參考指標

最小斷絲負荷比(FRm)定義：在N次拉伸試驗中，所有發(fā)生斷絲的試樣，第1根單絲斷裂時對應的拉伸負荷值的最小值FBm，與其對應試樣斷裂強力的比值。

平均斷絲負荷比(FRA)定義：在N次拉伸試驗中，所有發(fā)生斷絲的試樣，發(fā)生第1根單絲斷裂時對應的拉伸負荷與其斷裂強力比值百分率的平均值。

上述2個參考指標描述的是斷絲負荷與紗線斷裂強力的相對大小，在一定程度上可反映斷絲的難易程度。負荷比值越小，表明長絲紗相對越易斷絲。

顯然，本文建立的表征長絲紗斷絲性的各指標值，均基于多次拉伸試驗結(jié)果的統(tǒng)計計算，即指標的結(jié)果值，依賴于拉伸試驗次數(shù)。試驗次數(shù)N越大，測試結(jié)果的可靠性越高。對于一般性的檢驗，參照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE)》對非短纖紗試樣最少數(shù)量的要求，建議試驗次數(shù)最少為20次；對結(jié)果可靠性要求高的評價，試驗次數(shù)應至少為100次。

3 應用實例

選擇工廠提供的滌綸(110 dtex/36 f全拉伸絲，以下簡稱滌綸FDY)、錦綸FDY(規(guī)格為40 dtex/ 12 f，以下簡稱錦綸FDY)與前述探索試驗所用錦綸DTY 3種包纏紡紗用無捻長絲紗進行試驗分析。所用測試儀器和參照測試標準同探索試驗，測試環(huán)境溫度為22 ℃，相對濕度為56%，每種試樣測試次數(shù)為20次。

3.1 試驗結(jié)果

3種長絲紗拉伸試驗測試結(jié)果見表1～3?？梢钥闯?，3種無捻長絲紗在20次的拉伸試驗中，均有斷絲現(xiàn)象發(fā)生，但發(fā)生斷絲的頻次和發(fā)生斷絲時的應力應變條件均有所不同。

3.2 表征指標計算結(jié)果與分析

3種長絲紗斷絲性指標計算結(jié)果見表4?？梢钥闯?，從斷絲頻次類指標來看，錦綸DTY在20次拉伸試驗中的斷絲率最高，且2次及多次斷絲的斷絲率也最高，滌綸FDY次之，錦綸FDY最小。從斷絲應力類指標來看：錦綸DTY除平均斷絲負荷外，其余指標準均最小；滌綸FDY的最小斷絲負荷、平均斷絲負荷和平均斷絲負荷比最大；錦綸FDY的最小斷絲負荷與錦綸DTY相當，因其線密度最小，斷裂強力最小平均斷絲負荷最小，最小斷絲負荷比最大，平均斷絲負荷比與滌綸FDY相差不多。

表1 錦綸6 DTY拉伸試驗測試結(jié)果Tab.1 Tensile test results of PA6 DTY

注：“—”未發(fā)生單絲斷裂，下文同。

表2 滌綸FDY拉伸試驗測試結(jié)果Tab.2 Tensile test results of PET FDY

3種長絲紗的單絲線密度分別為3.25、3.06、3.33 dtex，相差不大。雖然滌綸的單絲線密度最小，但因滌綸纖維自身強力高，所以其最小斷絲負荷和平均斷絲負荷最大；2種錦綸長絲紗單絲線密度及最小斷絲負荷也相近，但考慮到二者總線密度相差將近1倍，錦綸FDY的最小斷絲負荷和平均斷絲負荷均較大，且最小斷絲負荷比和平均斷絲負荷比也較大。原因在于與DTY長絲紗相比，F(xiàn)DY長絲紗中各單絲的強度高、伸直度好，強力和伸長率的離散性也要小得多。

綜合評價長絲紗的斷絲性，須從長絲紗斷絲的機制出發(fā)。如前所述，長絲紗斷絲是拉伸負荷(加工使用中機上張力波動的峰值)大于長絲紗中強力最小的單絲的強力時發(fā)生的，因此，判斷長絲紗的斷絲性首先要考察的是其應力類指標，應力類指標越大越不易發(fā)生單絲斷裂。其次再考察頻次類指標，頻次類指標越大，紗線越易發(fā)生斷絲。在本文試驗中，滌綸FDY長絲紗雖然也具有較高的斷絲率，遠大于錦綸FDY長絲紗，但因其最小斷絲負荷高達387.19 cN，是錦綸FDY長絲紗的2倍多，在實際應用中，只要機上張力適當，滌綸FDY長絲紗更不易發(fā)生斷絲。2種錦綸長絲紗相比，錦綸FDY長絲紗總線密度只有錦綸DTY長絲紗的一半，導致其平均斷絲負荷小于后者，但二者最小斷絲負荷相近，最小斷絲負荷比和平均斷絲負荷比均很高，所以在使用中更不易發(fā)生斷絲。從二者斷絲頻次類指標中可以得到相同結(jié)論，錦綸FDY長絲紗斷絲頻次率指標均是最低的，20次拉伸斷裂試驗中只發(fā)生了8次斷絲，其中只有2次發(fā)生2次斷絲，沒有發(fā)生3次及以上斷絲，而與之相比，錦綸DTY長絲紗發(fā)生了17次斷絲，其中2次斷絲發(fā)生了11次，3次斷絲發(fā)生了 6次，4次斷絲發(fā)生了2次。應該指出的是，隨著長絲紗經(jīng)過更多的加工工序，纖維磨損、疲勞的加劇，斷絲會更易發(fā)生。

表3 錦綸6 FDY拉伸試驗測試結(jié)果Tab.3 Tensile test results of PA6 FDY

4 結(jié)束語

長絲紗在使用過程中會發(fā)生單絲斷裂現(xiàn)象(斷絲)而產(chǎn)生毛絲，影響后續(xù)加工及其產(chǎn)品質(zhì)量。長絲紗的斷絲性可通過拉伸試驗進行表征與分析。在長絲紗拉伸過程中，如果在達到斷裂強力和斷裂伸長之前發(fā)生單絲斷裂現(xiàn)象，會在拉伸曲線上形成鋸齒狀波形，且每斷裂1根單絲，就會形成1個波形。

本文提出長絲紗的斷絲性可采用斷絲發(fā)生的頻次類指標以及單絲斷裂時的應力類指標進行表征。判斷長絲紗斷絲性主要依據(jù)的是發(fā)生斷絲時的應力類指標，其中最小斷絲負荷是最主要的依據(jù)。頻次指標在應力類指標大致相當時，可用于輔助判斷，能夠更好地反映各單絲性能的差異離散性大小。

參考文獻：

[1] 于偉東．紡織材料學[M]．北京：中國紡織出版社，2013：39-40．

YU Weidong．Textile Materials [M]. Beijing: China Textile & Apparel Press，2013：39-40．

[2] SINGH S P，KOROBCZUK M，薛文良．化纖長絲紗市場—類別及應用[J]．國際紡織導報，2010(3)：4-7．

SINGH S P，KOROBCZUK M，XUE Wenliang．Filament yarn markets-current titer segmentation and applications bifurcation[J].Melliand China，2010(3)：4-7．

[3] 姜展，史書真，陳國華．基于非均勻特性的長絲紗拉伸斷裂模型及強度預測[J]．青島大學學報(工程技術(shù)版)，2013，28(3)：52-59．

JIANG Zhan，SHI Shuzhen，CHEN Guohua．Tensile progress modeling and strength prediction of filament yarns based on non-even properties of the compo-nent[J]．Journal of Qingdao University(Engineering & Technology Edition)，2013，28(3)：52-59．

[4] 肖駱，閆暢，褚旭，等．玻璃纖維長絲紗斷絲的常見形態(tài)及成因分析[J]．國際紡織導報，2014(1)：30-32．

XIAO Luo，YAN Chang，CHU Xu，et al．Studies on the fuzz morphology of glass fiber and its source[J]．Melliand China，2014(1)：30-32．

[5] 陳群，宋會青，劉化虎，等．高強聚丙烯腈碳纖維復絲拉伸強度的測試[J]．合成纖維，2013，42(10)：18-20．

CHEN Qun，SONG Huiqing，LIU Huahu，et al．The study on the tensile strength testing of high strength polyacrylonitrile-based carbon fiber[J]．Synthetic Fiber in China，2013，42(10)：18-20．

[6] 楊延風，張學軍，田艷紅．碳纖維復絲的拉伸性能[J]．理化檢驗: 物理分冊，2012，48(12)：788-792．

YANG Yanfeng，ZHANG Xuejun，TIAN Yanhong．Tensile properties of carbon fiber multifilament[J]．Physical Testing and Chemical Analysis：Physical Testing，2012，48(12)：788-792．

[7] 楊延風，張學軍．聚酰亞胺纖維復絲拉伸性能測試影響因素的研究[J]．化工新型材料，2014，42(7)：199-201．

YANG Yanfeng，ZHANG Xuejun．Study on influence factors in tensile property test of polyimide fiber multifilament[J]．New Chemical Materials，2014，42(7)：199-201．

[8] 李鑫，李杰新，譚叢德，等．空心錠紡包纏紗工藝研究[J]．上海紡織科技，2000，28(5)：20-22．

LI Xin，LI Jiexin，TAN Congde，et al．Research on process of hollow spindle wrapping spinning[J]．Shanghai Textile Science & Technology，2000，28(5)：20-22．

[9] 蘆長椿．現(xiàn)代化纖生產(chǎn)中的空氣網(wǎng)絡技術(shù)[J]．合成纖維，2010(4)：1-5．

LU Changchun．Interlacing technology in current manmade fiber manufacture[J]．Synthetic Fiber in China，2010(4)：1-5．

[10] 段杏元，于偉東．氨綸絲與氨綸長絲紗的彈性測試方法介紹[J]．中國纖檢，2006(10)：45-48．

DUAN Xingyuan，YU Weidong. Introduction of elastic test method for spandex filament and spandex filament yarn[J]．Chinese Fiber Inspection，2006(10)：45-48．

[11] 趙炯心，吳宗鈴，吳嘉麟．滌綸長絲單絲拉伸性能與復絲拉伸性能的比較[J]．中國紡織大學學報，1990，16(2)：106-110．

ZHAO Jiongxin，WU Zongling，WU Jialin．Comparison of mechanical properties between single fiber drawing and multifilament drawing of PET filament[J]．Journal of China Textile University，1990，16(2)：106-110．