非織造布拉伸斷裂強力測量不確定度分析

1. 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院， 上海 200233；2. 東華大學紡織學院， 上海 201620

與機織物不同，非織造布不是通過經(jīng)、緯紗線相互交織而形成的，而是由短纖或長絲按一定方向或隨機排列形成纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)機械作用、熱黏合或化學反應(yīng)等方法加固而形成的。

拉伸斷裂強力[1]是指試樣在拉伸試驗中被拉伸至斷裂時所測得的的最大力值。其是評定非織造布內(nèi)在質(zhì)量的重要指標之一，也常用于評定非織造布經(jīng)日曬、洗滌、磨損以及各種后整理后內(nèi)在的質(zhì)量變化情況。條樣法是最簡單且最常用的織物拉伸性能測試方法。

通常，非織造布的斷裂強力越高，其品質(zhì)越好、強度越優(yōu)異。因此，準確分析斷裂強力測量的不確定度，對試驗測試中需要注意的因素有一定的指導作用。正確理解并合理評估測試結(jié)果的不確定度是非常重要的[2]。本文探討非織造布斷裂強力測量不確定度的主要來源及評定方法，運用不確定度的相關(guān)理論得出斷裂強力測量的合成不確定度，最后分析得出斷裂強力測量的擴展不確定度。

1 測試原理和方法

1.1 原理

根據(jù)GB/T 24218.3—2010，將規(guī)定尺寸的試樣垂直地夾持在強力機夾持器的中心，啟動儀器，沿著試樣長度方向施加使試樣產(chǎn)生等速伸長的力，拉伸直至試樣斷脫，記錄相比時織物的斷裂強力值。試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 試樣與儀器

根據(jù)文獻[3]，在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±4)%的環(huán)境下對試樣進行調(diào)濕平衡。按照文獻[4]分別沿機器輸出方向(縱向)和布匹幅寬方向(橫向)各裁取5塊試樣。要求所裁取試樣的邊沿距離布邊至少100.0 mm，并且沿試樣的縱向和橫向均勻分布。試樣寬度為(50.0±0.5)mm，長度應(yīng)滿足名義夾持距離200.0 mm，本試驗規(guī)定試樣長度為(300.0±1.0)mm。采用英斯特朗(INSTRON)5567型強力機(圖2)進行拉伸試驗。

圖2 英斯特朗5567型強力機

1.3 試驗方法

試驗在文獻[3]規(guī)定的標準大氣環(huán)境中進行。使用英斯特朗5567型強力機，調(diào)試至等速伸長(Constant Rate Extension， CRE)拉伸模式下進行試驗。設(shè)定拉伸試驗隔距為(200.0±1.0)mm，拉伸速度為100 mm/min。將試樣夾持在夾持器的中心位置，保證夾口線和拉力線相互垂直。然后啟動儀器，拉伸至試樣斷裂為止，記錄斷裂強力的峰值。計算5塊試樣的斷裂強力均值并修約至0.1 N。

2 測量不確定度評定模型

測量不確定度的評定模型[5]為

Y=X+ΔX

(1)

式中：Y——斷裂強力的測量值；

X——斷裂強力平均值；

ΔX——斷裂強力修正值。

3 測量不確定度的來源及分析

不確定度的評定方法包括A類和B類評定法[6]。A類評定法指的是在規(guī)定測量條件下用統(tǒng)計方法對測量值進行處理的一種評定方法，測試過程中試樣的不確定度由隨機效應(yīng)所產(chǎn)生，如樣品均勻性、織物調(diào)濕及均勻性、樣品夾持狀態(tài)等產(chǎn)生的不確定度；B類評定法是指在規(guī)定測量條件下用非統(tǒng)計方法對測量值進行處理的一種評定方法，測試過程中試樣的不確定度由系統(tǒng)效應(yīng)產(chǎn)生，如儀器校準、數(shù)值修約等產(chǎn)生的不確定度。

3.1 隨機效應(yīng)導致的不確定度

3.1.1 試樣的均勻性

纖維的線密度、卷曲度、表面性狀，纖維原料是否均勻喂入，以及非織造布加工工藝的分散性均會導致不同試樣斷裂強力的測試結(jié)果出現(xiàn)差異。測試非織造布的斷裂強力時，試樣最后將被破壞掉，考慮到成本，試樣的數(shù)量不可能很大，因此條樣法測試只能有一定的樣本量，故這種方法的不確定度是由試樣的代表性所導致的。為避免選擇布邊批次的試樣，需要從試樣中間選擇裁取試樣，以提高試樣的均勻性。

3.1.2 測量中的不準確性導致的不確定度

量具直尺的精確度不佳：由測量試樣寬度的鋼直尺的誤差所導致的不確定度。

調(diào)濕平衡時間：吸濕對紡織材料的斷裂強力有明顯的影響，由于不同紡織材料(如麻織物和黏膠織物)的及濕性能不同，調(diào)濕時間或濕度的波動偏差將導致斷裂強力的值出現(xiàn)波動。

夾持狀態(tài)不理想：按標準要求夾口方向應(yīng)與拉伸線保持垂直，但在實際操作中，由于非織造布的結(jié)構(gòu)較為特殊，難以達到理想的夾持狀態(tài)，從而導致不確定度。

拉伸速度不勻：在測試過程中，拉伸速度的不均勻使得強力值在轉(zhuǎn)換過程中不能完全傳達到儀器中，導致轉(zhuǎn)換失真，從而產(chǎn)生不確定度。

3.2 系統(tǒng)效應(yīng)導致的不確定度

儀器的靈敏性不佳和測量結(jié)果修約的規(guī)則不一致都會產(chǎn)生誤差。

不確定度的主要來源如圖3所示。

圖3 非織造布斷裂強力測量不確定度來源

4 測量不確定度的評定

4.1 試樣不均勻性引入的不確定度u1

試樣縱、橫向斷裂強力測試結(jié)果見表1和表2。

表1 非織造布的縱向斷裂強力

表2 非織造布的橫向斷裂強力

通過多次測量得到結(jié)果，用平均值的標準差表示由隨機效應(yīng)導致的不確定度，即應(yīng)用貝塞爾公式[7]計算斷裂強力的標準差，按式(2)計算。

(2)

式中：xi——單次測試結(jié)果；

n——試驗次數(shù)。

非織造布縱、橫向斷裂強力的標準差分別為

4.2 器具精確性引入的不確定度u2

樣品寬度測量的不確定度主要來源為鋼直尺的最大允許誤差和分辨率。

(1) 根據(jù)鋼直尺說明使用書，測試所用鋼直尺的最大允許誤差為±1.0 mm，按均勻分布計算，則其不確定度分量u21為

(2) 根據(jù)鋼直尺說明使用書，鋼直尺的分辨率為0.5 mm，按均勻分布計算，則其不確定度分量u22為

(3) 合成質(zhì)量校準引入的不確定度u2為

4.3 儀器基本誤差引入的不確定度u3

儀器示值的準確性是由儀器跟蹤應(yīng)力的靈敏度和模量轉(zhuǎn)換的準確性所導致的示值誤差，根據(jù)INSTRON 5567型強力機的使用說明書，示值相對誤差限定為0.5%，按照矩形分布，k=3[8]。

縱向：u3=uz=90.3×0.002 89=0.261 (N)

橫向：u3=uh=64.3×0.002 89=0.186 (N)

4.4 數(shù)值修約引入的不確定度u4

按照標準要求，電子裝置計算的平均斷裂強力應(yīng)精確至0.100 N。

5 合成不確定度

分別測試相對不確定度分量，各分量彼此獨立，因此

2.305 (N)

2.566 (N)

6 擴展不確定度

包含因子是為求得擴展不確定度所乘的數(shù)字因子。包含因子根據(jù)擴展不確定度的置信水平確定。由合成標準不確定度乘以一個倍數(shù)，得到擴展不確定度。

若沒有特殊要求，一般取包含因子k=2[9]，置信概率P=95%，則

縱向：Uz=ucz×2=4.608≈4.700 (N)

橫向：Uh=uch×2=5.114≈5.100 (N)

7 結(jié)論

測試分量對不確定度的貢獻度及分析總結(jié)如下：

(1) 非織造布縱向斷裂強力為(90.300±4.700)N，橫向斷裂強力為(64.300±5.100)N，取包含因子k=2，置信概率近似95%。

(2) 從非織造布的斷裂強力的不確定度貢獻可以看出，儀器基本誤差引入的不確定度u3和數(shù)值修約引入的不確定度u4可以忽略，試樣不均勻引入的不確定度u1和器具精確性引入的不確定度u2為主要因素。

(3) 隨著試驗次數(shù)的增加，重復(fù)性在不確定度中貢獻度逐漸減小，并趨近于某個固定值。