電子玻璃纖維紗線集束性評價方法與標(biāo)準(zhǔn)

李 博 唐予遠(yuǎn) 陳 洋 鄭天勇 楊開道

1. 中原工學(xué)院 紡織學(xué)院(中國)2. 河南省功能性紡織材料重點實驗室(中國)3. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院(中國)4. 杭州新生印染有限公司(中國)

電子玻璃纖維通常是指單絲直徑在7 μm及以下的用于生產(chǎn)電絕緣用品的玻璃纖維。這種玻璃纖維紗經(jīng)過玻纖浸潤劑涂覆并施加弱捻后，紗線內(nèi)部的纖維可以有效聚集[1]。玻纖浸潤劑是玻纖生產(chǎn)過程中涂覆于纖維表面的一種表面處理劑，它可以在纖維表面形成一層涂層，從而改變原有裸露纖維的表面性能，對纖維起到保護(hù)與集束的作用，增強(qiáng)纖維的力學(xué)性能，同時可有效減小纖維加工過程中摩擦力和靜電的產(chǎn)生，起到防止纖維損傷并確保其具有集束性能的作用[2-3]。

纖維集束性是評價纖維性能的主要指標(biāo)之一。集束性良好的電子玻纖紗，可以避免玻纖紗從管筒上退繞時形成散絲，能夠有效減少后續(xù)加工過程中飛絲和斷頭現(xiàn)象的產(chǎn)生[4-5]，提升紗線的外觀、品質(zhì)與可織性。由于缺少客觀評價纖維集束性能的測量儀器，很少有研究工作者對浸潤劑浸潤后玻璃纖維紗橫截面上纖維的分布情況進(jìn)行研究與分析。測量儀器的缺失使得大多數(shù)紗線截面的表征均采用肉眼觀察，在這一過程中，觀察者的主觀因素會對觀察結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，從而使結(jié)果產(chǎn)生偏差[6-7]。周琴等[8]通過肉眼觀察掃描電子顯微鏡(SEM)圖像的方法，分析了熱處理后對位芳綸纖維內(nèi)部纖維的聚集情況，其觀察結(jié)果在一定程度上受主觀因素的影響。顧俊捷[9]利用纖維在偏光顯微鏡下呈現(xiàn)的特征干涉色,實現(xiàn)了對纖維類別的快速定性，并確定了不同類別纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但其研究中缺少對纖維集束性的觀察。彭密雪等[10]使用絲束懸垂度指標(biāo)來衡量和評價中間相瀝青纖維，但其指標(biāo)評價所適用的纖維局限性較大，不適用于玻璃纖維的集束性評價。

本文通過計算機(jī)輔助技術(shù)，提出電子玻璃纖維紗線集束性的評價指標(biāo)。同時使用激光顯微鏡觀察纖維橫截面，對觀察的紗線試樣進(jìn)行集束性評價，給出對應(yīng)的評價等級。再對比肉眼觀察結(jié)果與計算機(jī)自動獲取纖維參數(shù)得到的評價結(jié)果，分析本文提出的評價指標(biāo)的合理性，并進(jìn)一步給出電子玻纖紗集束性的評價標(biāo)準(zhǔn)。

1 電子玻纖紗集束性觀察試驗

1.1 材料與儀器

電子玻璃纖維紗線(D900型，5.6 tex，東莞富喬玻纖有限公司)；剪刀；玻璃片；雙面膠帶；Keyence VK-X110型激光顯微鏡。

1.2 橫截面切片的制備和觀察

分別取5種涂覆不同批次浸潤劑的電子玻纖紗絲束，分別命名為試樣A～試樣E。受浸潤劑影響，5種紗線的集束性存在差異。使用剪刀各剪出長約50 mm的紗線試樣，用雙面膠帶的一面垂直粘貼紗線截面，另一面粘貼潔凈玻璃片，制作玻纖紗橫截面切片。使用剪刀將固定后的紗線試樣剪短至長約15 mm，獲得平整的紗線截面外觀。將制備好的玻纖紗橫截面切片放置在載物臺上，使用Keyence VK-X110型激光顯微鏡觀察，在1 000倍放大倍數(shù)下，可觀察到清晰的紗線絲束截面圖像。5種不同批次電子玻纖紗試樣的橫截面圖如圖1所示。

1.3 橫截面圖像分析

通過觀察圖1中5種不同電子玻纖紗試樣的橫截面圖，可以發(fā)現(xiàn)浸潤劑能夠?qū)Σ＠w紗產(chǎn)生一定的集束作用，但纖維整體仍然較為分散，沿橫向分散排列，整體呈“一”字型而非理想的圓形輪廓。同時，由于浸潤劑的作用，纖維與纖維之間相互黏連、聚集成團(tuán)，呈簇狀分布在紗線橫截面中。其中大多數(shù)相鄰纖維之間的距離小于纖維直徑的3倍，小部分纖維與纖維團(tuán)分離，它們與相鄰纖維間的距離大于纖維直徑的3倍。由圖1還可以從肉眼觀察角度判斷出：試樣E中的纖維較分散，形成的纖維團(tuán)數(shù)較多，且纖維分散的跨度較大，表明其纖維集束度相對較差；試樣C中的纖維分布較集中，大量纖維整體成團(tuán)，纖維分散的跨度最小，表明其纖維集束度較好。

圖1 5種不同批次電子玻纖紗的橫截面圖

1.4 纖維參數(shù)自動獲取

使用Image-Pro Plus (IPP)軟件對5種不同電子玻纖紗試樣的橫截面圖進(jìn)行分析處理。IPP軟件可將紗線橫截面圖中的纖維圖像轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的纖維參數(shù)，如纖維直徑、橫截面積等，并自動對所識別的纖維進(jìn)行標(biāo)號，從而計算出每根紗線橫截面上纖維的數(shù)量。

2 紗線集束性評價方法

2.1 成團(tuán)纖維數(shù)和纖維成簇率

作為纖維集束性的一個重要特征，紗線中的纖維會在浸潤劑的作用下相互聚集成團(tuán)、成簇。但紗線截面纖維團(tuán)的數(shù)量存在差異，可能同時存在多個纖維聚集團(tuán)和獨立于纖維團(tuán)之外的游離纖維。因此，纖維聚集團(tuán)的數(shù)量和團(tuán)內(nèi)纖維根數(shù)之比是評價纖維集束性的一項重要指標(biāo)。

通過計算并判斷兩根相鄰纖維之間的距離是否小于纖維間距閾值u，可完成對紗線中成團(tuán)纖維的識別。使用Image-Pro Plus圖像軟件對紗線橫截面圖進(jìn)行分析處理時，可根據(jù)各纖維所在的位置畫出對應(yīng)纖維的橫縱坐標(biāo)位置圖。再通過相關(guān)算法，判斷相鄰纖維點之間的距離是否小于纖維間距閾值u。若兩根相鄰纖維中心點之間的距離大于u，則判定這兩根相鄰纖維不在同一個纖維聚集團(tuán)中；反之，則判定這兩根相鄰纖維在同一個纖維聚集團(tuán)中，從而完成纖維聚集團(tuán)數(shù)量的判斷。

在判斷紗線中纖維聚集團(tuán)數(shù)量時，存在部分纖維距離纖維聚集團(tuán)較遠(yuǎn)的情況，當(dāng)單根纖維與相鄰纖維的距離大于3d(d表示成團(tuán)纖維的平均直徑)時，則認(rèn)為該纖維是脫離纖維聚集團(tuán)而處于游離狀態(tài)，判定其為單獨存在的單根纖維。纖維成簇率用于表征所有纖維聚集團(tuán)的團(tuán)內(nèi)纖維根數(shù)占橫截面中纖維總根數(shù)的比例，計算式如式(1)所示。

(1)

2.2 紗線外輪廓圖形

纖維填充系數(shù)是評價纖維集束性的重要指標(biāo)，紗線橫截面的纖維輪廓面積越小，則代表纖維填充系數(shù)越大，紗線的集束性越好。

紗線橫截面的外輪廓因纖維的不規(guī)則分散而呈現(xiàn)出不規(guī)則的多邊形形態(tài)。確定紗線橫截面外輪廓的具體方法如下：使用Image-Pro Plus圖像分析軟件獲取紗線橫截面上所有纖維中心點的坐標(biāo)，選取坐標(biāo)系中縱坐標(biāo)值最大的纖維點(若有多根纖維中心點的縱坐標(biāo)相同且均為最大，則選取其中橫坐標(biāo)值最小的纖維點)為起始點，并將其命名為纖維點A。接著以纖維點A為基準(zhǔn)，沿坐標(biāo)橫向依次搜尋象限中的纖維點，選取順時針掃描角最小的一個纖維點，將其命名為纖維點B，循環(huán)此過程，依次命名為纖維點C、纖維點D，……，直至再次掃描至纖維點A，形成閉環(huán)。將掃描所得的各纖維點用直線連接起來，即可得到紗線橫截面最外圍纖維中心點所形成的不規(guī)則多邊形。最終形成的紗線橫截面外輪廓圖如圖2所示。

圖2 紗線外輪廓圖

2.3 紗線橫截面外輪廓面積及纖維填充率

在確定紗線橫截面外輪廓圖形后，計算輪廓內(nèi)包含的纖維的橫截面面積總和，即得出纖維填充率。纖維填充率(RF)的計算式如式(2)所示。

(2)

計算紗線橫截面外輪廓面積的方法如下：紗線橫截面外輪廓為不規(guī)則多邊形，該多邊形具有n個頂點，選取其中一個頂點A為原點，順時針選取多邊形輪廓上的第二個點和第三個點，即圖2所示的B點和C點，連接A點與C點，即可得到△ABC；連接A點與D點，即可得到△ACD；以此類推，最終可將紗線橫截面外輪廓多邊形拆分成n-2個三角形。這n-2個三角形面積的總和即為紗線橫截面外輪廓面積。

纖維的理論相對平均距離(l/d)也是評價紗線集束效果的一項指標(biāo)。如圖3所示，假設(shè)紗線的外輪廓多邊形是一個邊長為2l的正方形，紗線橫截面內(nèi)分布的纖維之間的平均距離為l，纖維的平均直徑為d，則可以用纖維間的平均距離與纖維平均直徑的比值表示纖維的理論相對平均距離。圖3中，F(xiàn)1、F2和F3分別代表1號、2號和3號纖維；r為纖維半徑。纖維的理論相對平均距離計算式如式(3)所示。

圖3 紗線內(nèi)部纖維均勻分布圖

(3)

3 紗線集束性評價結(jié)果與分析

本文借助計算機(jī)，通過開發(fā)基于Microsoft Visual Studio 2010的應(yīng)用程序，以有效避免肉眼觀測對測量結(jié)果帶來的主觀影響。該應(yīng)用程序可自動輸出計算得的紗線橫截面外輪廓面積、纖維填充率和纖維的理論相對平均距離等測試結(jié)果。5種不同批次電子玻纖紗的集束性評價指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。在該應(yīng)用程序中，將相鄰纖維間距閾值u設(shè)置為2d(d表示成團(tuán)纖維的平均直徑)。兩根相鄰纖維之間的距離小于或等于u時，判定其屬于同一個纖維聚集團(tuán)。

表1 不同試樣的集束性評價指標(biāo)測試結(jié)果

由表1可知，將纖維的間距閾值設(shè)定為2d時，5種不同電子玻纖紗線橫截面上的纖維總數(shù)幾乎一致，但紗線的集束性評價指標(biāo)存在差異。5個評價指標(biāo)中，成簇纖維數(shù)、纖維成簇率及纖維填充率這3個指標(biāo)值越大，表明紗線的集束性能越好；而纖維成團(tuán)數(shù)量和纖維的理論相對平均距離這2個指標(biāo)值越小，表明紗線的集束性能越好。根據(jù)成簇纖維數(shù)指標(biāo)，5種紗線試樣的集束性優(yōu)劣排序為：試樣C>試樣D>試樣A>試樣B>試樣E；根據(jù)纖維成團(tuán)數(shù)量指標(biāo)，5種紗線試樣的集束性優(yōu)劣排序為：試樣C>試樣A>試樣D>試樣B=試樣E；根據(jù)纖維成簇率指標(biāo)，5種紗線試樣的集束性優(yōu)劣排序為：試樣C=試樣D>試樣A>試樣B>試樣E；根據(jù)纖維填充率指標(biāo)，5種紗線試樣的集束性優(yōu)劣排序為：試樣C>試樣A>試樣D>試樣B>試樣E；根據(jù)纖維的理論相對平均距離指標(biāo)，5種紗線試樣的集束性優(yōu)劣排序為：試樣C>試樣A>試樣D>試樣B>試樣E。綜合5個評價指標(biāo)的排名，可得出5種紗線試樣集束性優(yōu)劣的綜合排序為：試樣C>試樣A>試樣D>試樣B>試樣E，即試樣C的纖維集束性最好，試樣E的纖維集束性最差。這一結(jié)果與采用激光顯微鏡肉眼觀察得到的結(jié)果一致。

綜合上述評價指標(biāo)信息，表2給出了基于表1的電子玻纖紗橫截面中纖維集束性等級評價標(biāo)準(zhǔn)(纖維的間距閾值設(shè)定為2d)。由于該評價標(biāo)準(zhǔn)在評定不同品種、批次的紗線試樣時，所截取的紗線橫截面的纖維數(shù)量不固定，故未將成簇纖維數(shù)作為紗線集束程度的評價指標(biāo)。

表2 紗線集束性等級評價標(biāo)準(zhǔn)

表2中，評價等級為優(yōu)秀，表明玻纖紗橫截面中纖維的集束性較好；評價等級為良好，表明集束性達(dá)中等水平；評價等級為普通，表明集束性較差。對各評價等級進(jìn)行賦值，普通得1分，良好得2分，優(yōu)秀得3分。分別計算5種電子玻纖紗線在不同指標(biāo)下的等級得分平均值，即可得到其綜合評定得分。按照平均得分劃分試樣的纖維集束程度平均等級，結(jié)果如表3所示。

表3 基于評價標(biāo)準(zhǔn)的紗線試樣纖維集束程度等級評估

4 結(jié)語

本文提出了電子玻纖紗集束性能的評價指標(biāo)和評價方法，并通過激光顯微鏡觀察電子玻纖紗的橫截面微觀纖維形態(tài)，進(jìn)一步驗證了評價指標(biāo)和評價方法的可行性。依據(jù)評價指標(biāo)對電子玻纖紗橫截面纖維的集束程度進(jìn)行了等級評價，并根據(jù)評價結(jié)果設(shè)立了對應(yīng)的等級評價標(biāo)準(zhǔn)體系，將電子玻纖紗按纖維集束性評價分為優(yōu)秀、良好和普通3個等級，提高了電子玻纖紗集束性評價的靈活性。研究結(jié)果對評價和改善浸潤劑質(zhì)量也具有一定的參考價值。