戶外運(yùn)動服纖維動態(tài)黏彈性能研究

劉 佳

（陜西學(xué)前師范學(xué)院 體育學(xué)院，陜西 西安 710100）

引 言

戶外運(yùn)動服是影響運(yùn)動員靈活性的關(guān)鍵因素之一,戶外運(yùn)動服通常是按照運(yùn)動項(xiàng)目的特定要求設(shè)計(jì)制作的，其面料材質(zhì)需要具有透氣、吸汗以及黏彈性高等特點(diǎn)。其中黏彈性指的是纖維對應(yīng)力響應(yīng)與彈性固體和黏性流體的雙重特性，在運(yùn)動員進(jìn)行戶外運(yùn)動的過程中，受到人體體溫與運(yùn)動頻率的影響，運(yùn)動服纖維內(nèi)部的黏彈性呈現(xiàn)一種動態(tài)的變化形式。由于戶外運(yùn)動服纖維的黏彈性是檢測一件運(yùn)動服性能的關(guān)鍵因素之一[1]，也可以通過優(yōu)化衣物纖維中的黏彈性來優(yōu)化運(yùn)動服的應(yīng)用價(jià)值，為此設(shè)計(jì)戶外運(yùn)動服纖維動態(tài)黏彈性能研究。纖維動態(tài)黏彈性是指在周期性變化的外力作用下，進(jìn)行變形過程中的能量損耗的力學(xué)松弛行為分析。隨著時間的推移，戶外運(yùn)動服中的復(fù)合材料纖維會產(chǎn)生蠕變或應(yīng)力松弛，材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢的塑性變形。因此動態(tài)黏彈性能研究主要針對運(yùn)動服纖維的應(yīng)力和應(yīng)變兩個方面來進(jìn)行具體研究。由于戶外運(yùn)動服中的纖維屬于一種合成復(fù)合材料，其黏彈性能較為復(fù)雜，因此在研究工作中存在以下難點(diǎn)：力學(xué)性能受多個組分材料共同作用影響，需要建立難度較大的力學(xué)模型；纖維蠕變機(jī)制和基體蠕變機(jī)制不同，即黏彈性本構(gòu)模型不相同；另外，基體和纖維界面的存在使得復(fù)合材料的整體力學(xué)性能變得更為復(fù)雜性[2]。針對上述工作難點(diǎn)開展性能研究工作，旨在得出精準(zhǔn)的戶外運(yùn)動服纖維動態(tài)黏彈性的分析結(jié)果，為運(yùn)動服復(fù)合材料的研究提供理論參考。

1 戶外運(yùn)動服纖維動態(tài)黏彈性能測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

纖維動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法根據(jù)振動模式的不同可以分為聲波傳播法、強(qiáng)波共振法、強(qiáng)波非共振法和衰減振動法。在實(shí)驗(yàn)中盡量模擬運(yùn)動員的實(shí)際戶外運(yùn)動過程，主要采用動態(tài)熱機(jī)械分析設(shè)備進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)從兩個方面進(jìn)行，首先模擬運(yùn)動員運(yùn)動產(chǎn)生溫度變化對戶外運(yùn)動服纖維的動態(tài)黏彈性能的影響[3]，另一個方面為運(yùn)動員的運(yùn)動產(chǎn)生頻率引起的纖維動態(tài)黏彈性能的變化情況。因此進(jìn)行測試的實(shí)驗(yàn)原理就是在不同的客觀條件下，對其施加一定頻率的交變力，探究戶外運(yùn)動服樣品纖維的熱機(jī)械行為，觀察并測定其內(nèi)部產(chǎn)生的動態(tài)模量參數(shù)隨溫度、頻率、應(yīng)力等變量之間的變化關(guān)系，根據(jù)得出的測試數(shù)據(jù)，總結(jié)出最終的戶外運(yùn)動服纖維動態(tài)黏彈性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1.1 制備實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 戶外運(yùn)動服原材料

市面上的戶外運(yùn)動服大多以全棉、滌綸、錦綸、CVC、T/C 等材質(zhì)為主，由于不同的面料得出的測試結(jié)果不同，因此本次實(shí)驗(yàn)選擇使用范圍最廣的聚酯纖維復(fù)合面料作為原材料進(jìn)行測試。

1.1.2 選擇材料樣本

為了提高測試實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免其他因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，需要在準(zhǔn)備的戶外運(yùn)動服原材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的選擇與加工[4]。盡量選擇白色無圖案的材料，方便觀察纖維的形變情況。去除掉運(yùn)動服上拉鏈、袖口、領(lǐng)口以及走線的位置，以免引入雜質(zhì)元素。另外在開始纖維抽絲處理之前，需要使用生理鹽水與漂色試劑的混合液來清洗運(yùn)動服表面，保證樣本中無其他雜質(zhì)。

1.1.3 運(yùn)動服纖維抽絲

以選擇預(yù)處理完成的材料樣本按照圖1 表示的工藝流程進(jìn)行纖維絲的制備。

圖1 戶外運(yùn)動服纖維抽絲工藝流程圖Fig. 1 The process flow of fiber drawing for outdoor sportswear

由于實(shí)驗(yàn)中使用的纖維樣品原料容易折損，因此在纖維抽絲的過程中盡量選擇長度大于5.8cm的纖維絲，準(zhǔn)備的纖維數(shù)量為2000 根左右。

1.2 測試儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的主要測試設(shè)備:爐體,CN61M,北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司；位移顯示器,YX-2201,余姚市永新電子有限公司；溫度調(diào)節(jié)器, XMT-2（0-2）00，余姚溫度儀表廠有限責(zé)任公司；低溫容器，YDZ-150，新鄉(xiāng)市豫新航空低溫容器有限責(zé)任公司；頻率放大器，Microsemi 9611B，北京創(chuàng)宇星通科技有限公司；動態(tài)黏彈譜儀，DVA-00 型，長春智能有限公司；動態(tài)力學(xué)分析設(shè)備，Q800 型，美國TA 公司；動態(tài)熱機(jī)械分析儀，EXSTAR6000DMS6100，北京賽思蒙公司；安全保險(xiǎn)控制器，SC26-2，美國邦納公司；力傳感器，200 系列，蚌埠高靈傳感系統(tǒng)工程有限公司；形變傳感器，Q_ZJWS 006-2017，星展測控科技股份有限公司。

其中動態(tài)力學(xué)分析設(shè)備為力控制型，該設(shè)備的可感知范圍為0.0001～18N，力解析度：0.00001N。控溫精度：0.1℃，頻率范圍：0.01～200Hz，一般采用1.0Hz。而動態(tài)熱機(jī)械分析儀的基本工作原理如圖2所示。

圖2 動態(tài)熱機(jī)械分析儀工作原理圖Fig. 2 The working principle of dynamic thermomechanical analyzer

當(dāng)爐體內(nèi)的纖維試樣發(fā)生形變時，通過位移傳感器可以記錄得到相關(guān)的形變量和動態(tài)力[5]，甚至包括儲能模量、損耗模量等多個動態(tài)模量的應(yīng)變圖譜。

1.3 設(shè)置實(shí)驗(yàn)客觀條件

在此次實(shí)驗(yàn)中分別從振動幅度、頻率、溫度浮動范圍、升溫速率等多個方面設(shè)置實(shí)驗(yàn)的客觀條件[6]。以運(yùn)動員的戶外運(yùn)動情況為參考，設(shè)置振動幅度為[1μm，20μm]，頻 率 為 [5Hz，1000Hz]，溫度在[35℃，42℃]，升溫速率為[0.1℃/min，2℃/min]，溫度的恒定時間為[1h，2h]。

1.4 確定動態(tài)黏彈性能測試指標(biāo)

1.4.1 蠕變量

在變溫條件下纖維動態(tài)黏彈性能的蠕變型本構(gòu)方程對應(yīng)的曲線如圖3 所示。

圖3 變溫蠕變曲線Fig. 3 The creep curve of temperature changing

圖 3 中的曲線 c 表示的變溫歷史 T（t），ε0表示的是實(shí)驗(yàn)的起始溫度Ts時的初始瞬時應(yīng)變，曲線a為沿變溫歷史的變溫蠕變曲線。

1.4.2 應(yīng)力松弛量

由纖維本構(gòu)關(guān)系可以將動態(tài)黏彈性中的應(yīng)力松弛本構(gòu)方程[7]，表示為：

其中T 表示的是溫度，t 為測試實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行時間，σi與εj分別表示的是沿戶外運(yùn)動服纖維主方向的應(yīng)力分量和總應(yīng)變分量[8]，Qij表示動態(tài)黏彈力大小，而表示的是在自由應(yīng)力狀態(tài)下的熱應(yīng)變分量。

1.4.3 動態(tài)模量

動態(tài)模量包括儲能模量和損耗模量兩個部分，動態(tài)模量的計(jì)算方法如公式2 所示。

其中E' 和E'' 分別表示的是儲能模量和損耗模量，其參數(shù)可以用公式3 計(jì)算。

其中δ 表示的是動態(tài)模量與儲能模量對應(yīng)曲線之間的夾角[9]。將公式3 中的參數(shù)計(jì)算結(jié)果代入到公式2 當(dāng)中，便可以得出動態(tài)模量的具體取值。

1.5 性能測試步驟

首先接通儀器穩(wěn)壓電源，當(dāng)電壓穩(wěn)定在220V 時，接通各個測試儀器的部分電源開關(guān)，預(yù)熱30min 后開始工作。建立動態(tài)黏彈性模型，并根據(jù)不同的測試環(huán)境準(zhǔn)備不同規(guī)格與形狀的纖維樣品[10～11]，并將其放置在搭建的分析模型上。調(diào)整機(jī)械設(shè)備上的顯示器與傳感器，并將其調(diào)試到工作狀態(tài)。調(diào)整溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，將維直接承受溫度調(diào)整到36℃，并模擬實(shí)際的運(yùn)動過程，按照一定的溫度變化規(guī)律提升對應(yīng)的溫度。實(shí)時記錄纖維的動態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變量，從而得出應(yīng)力與應(yīng)變量之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 4 The relation curve of stress-strain

通過分析應(yīng)力與應(yīng)標(biāo)量的實(shí)時變化，從而得出在不同溫度影響下，纖維微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)而得出對應(yīng)的測試結(jié)果。同理按照相同的測試流程，調(diào)整纖維的振動頻率，模擬運(yùn)動員的運(yùn)動過程，從而得出有關(guān)于運(yùn)動頻率的測試結(jié)果。

2 性能測試結(jié)果討論與分析

2.1 不同溫度下的動態(tài)黏彈性變化

通過對不同溫度下纖維應(yīng)力與應(yīng)變量的計(jì)算，得出對應(yīng)動態(tài)模量的變化數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 動態(tài)模量變化數(shù)據(jù)表Table 1 The dynamic modulus changing data

從表1 的數(shù)據(jù)中可以看出，動態(tài)黏彈性在溫度的影響下呈周期性變化，當(dāng)溫度為37.5℃時儲蓄模量最高、損耗模量最低，該溫度下對應(yīng)的動態(tài)黏彈性能最高。但溫度繼續(xù)升高，動態(tài)黏彈性能迅速降低。

2.2 不同頻率下的動態(tài)黏彈性變化

按照相同的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式得出不同運(yùn)動頻率影響下的動態(tài)黏彈性變化曲線，如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，運(yùn)動頻率從1.0Hz 上升到21.5Hz 時，儲能模量和損耗模量曲線依次往高溫方向移動。而當(dāng)頻率從21.5Hz 上升到100.0Hz 時，儲能模量和損耗模量曲線沒有向高溫方向移動。

圖5 頻率影響下的動態(tài)黏彈性變化曲線Fig. 5 The dynamic viscoelastic curve under the influence of frequency

2.3 戶外運(yùn)動服纖維的線性黏彈區(qū)

戶外運(yùn)動服纖維的動態(tài)黏彈區(qū)可以分為線性黏彈和非線性黏彈兩個部分，在動態(tài)黏彈區(qū)范圍內(nèi)，纖維的動態(tài)模量不會隨著溫度、頻率以及應(yīng)變或應(yīng)力的影響而發(fā)生變化。線性黏彈性與非線性黏彈性之間的分節(jié)點(diǎn)為臨界應(yīng)變點(diǎn)，如圖6 所示。

圖6 線性黏彈性區(qū)域示意圖Fig. 6 The schematic diagram of linear viscoelastic region

圖6 中P 點(diǎn)為動態(tài)黏彈性能的分界點(diǎn)，之后儲能模量下降到初始值的95%時，其應(yīng)變/應(yīng)力值也呈現(xiàn)下降狀態(tài)，說明在非線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)，動態(tài)黏彈性能按照圖5 和圖6 的變化規(guī)律而變化，即本研究得到有效驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

戶外運(yùn)動服復(fù)合材料是一種具有良好性能的工程材料，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域被廣泛使用，尤其在戶外運(yùn)動領(lǐng)域當(dāng)中，因此對其力學(xué)性能的研究也引起相關(guān)科研人員的關(guān)注。通過本次實(shí)驗(yàn)測試研究可以得出關(guān)于聚酯纖維復(fù)合面料黏彈性能的基本變化規(guī)律，呈周期性變化，可以為運(yùn)動服復(fù)合材料的研究及戶外運(yùn)動服材料的選擇提供理論參考。

然而由于戶外運(yùn)動服的面料眾多，此次的研究結(jié)果存在一定的局限性，針對這類問題有待在未來的研究工作中得以深化。