雙組分混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系

周宇陽(yáng), 王旭斌, 曹巧麗, 李 豪, 錢麗莉, 郁崇文,2

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620; 2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

如今,紡織品越來(lái)越多地作為基礎(chǔ)材料應(yīng)用到航空航天[1]、交通運(yùn)輸[2]和建筑[3]等各行各業(yè)中,這也要求它具有相應(yīng)的性能。大部分的紡織品由紗線組成,紗線的拉伸性能對(duì)最終產(chǎn)品的性能影響較大。紡織工業(yè)中通常將不同的纖維混合,通過(guò)紡紗工藝紡制成混紡紗,達(dá)到綜合多種纖維優(yōu)點(diǎn)、提高成紗性能以及降低成本的目的[4]。雙組分混紡紗的紡紗難度較小,技術(shù)更為成熟,也是最為常見(jiàn)的混紡品種。為此,研究雙組分混紡紗的拉伸性能具有重要意義。

斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂比功等都屬于混紡紗的拉伸性能指標(biāo)。長(zhǎng)期以來(lái),斷裂強(qiáng)度作為最常用的指標(biāo),受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[5-6],但在實(shí)際使用中混紡紗通常是受到反復(fù)拉伸或軸向沖擊作用,斷裂強(qiáng)度只能衡量力的大小,在該情況下無(wú)法準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)混紡紗的抗破壞能力。而斷裂比功是指拉斷單位線密度、單位長(zhǎng)度的紗所需要做的功,能夠衡量混紡紗的堅(jiān)牢度、耐久性[7-8]與抗軸向沖擊性能[9]。例如,在織造生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)紗會(huì)受到反復(fù)的拉伸作用,強(qiáng)度高但斷裂比功小的麻紗易斷頭;而強(qiáng)度低但斷裂比功大的棉紗斷頭較少。又如強(qiáng)度高但斷裂比功小的環(huán)錠紗斷頭較多;而強(qiáng)度較低但斷裂比功大的轉(zhuǎn)杯紗斷頭就較少。這些都表明紗的斷裂比功能更好地反映紗的抗破壞能力。實(shí)際上,它是斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的綜合體現(xiàn),可表示為拉伸曲線(強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率曲線)下方的面積。

混紡紗的斷裂比功與各組分的混紡比關(guān)系密切,所以預(yù)測(cè)斷裂比功隨混紡比變化的規(guī)律,在混紡紗的生產(chǎn)加工以及產(chǎn)品應(yīng)用中至關(guān)重要;但是目前相關(guān)研究較少,且主要是經(jīng)驗(yàn)上的定性分析。1979年, Duckett等[10]通過(guò)將純棉紗與純滌綸紗的拉伸曲線簡(jiǎn)化為直線,并假設(shè)在滌棉混紡紗中二組分之間沒(méi)有相互作用,建立了斷裂比功與混紡比的關(guān)系式。但該式只有在混紡紗斷裂伸長(zhǎng)率已知的條件下才能計(jì)算出混紡紗的斷裂比功,所以無(wú)法用于斷裂比功的預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上探討了混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系。楊慶斌等[11]發(fā)現(xiàn),在大豆蛋白復(fù)合纖維與棉或與滌綸混紡時(shí),斷裂比功隨混紡比變化的趨勢(shì)與斷裂強(qiáng)度隨混紡比變化的趨勢(shì)相似;于璐等[12]則發(fā)現(xiàn),聚乳酸纖維與Modal纖維混紡時(shí)斷裂比功變化趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與斷裂伸長(zhǎng)率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致。上述研究都沒(méi)有進(jìn)行深入討論。

為深入探究混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系,本文從預(yù)測(cè)混紡紗拉伸曲線的角度出發(fā),在前人對(duì)混紡紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率研究[13]的基礎(chǔ)上,建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的拉伸曲線模型。通過(guò)推算曲線下方的面積,建立雙組分混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系式;并通過(guò)混紡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證該關(guān)系式的適用性與可靠性。

1 混紡紗斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率分析

雙組分纖維混紡時(shí),定義純紡紗斷裂伸長(zhǎng)率較小的組分為A組分,伸長(zhǎng)率較大的為B組分。假設(shè):A組分純紡紗的斷裂強(qiáng)度為SA,斷裂伸長(zhǎng)率為εA;B組分純紡紗的斷裂強(qiáng)度為SB,當(dāng)伸長(zhǎng)率為εA時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為S′B,斷裂伸長(zhǎng)率為εB。A組分在混紡紗中的含量(即混紡比)為a,B組分在混紡紗中的含量(即混紡比)為b=1-a。A組分和B組分的純紡紗拉伸曲線如圖1所示。

圖1 A組分純紡紗與B組分純紡紗的拉伸曲線Fig.1 Tensile curves of 100% A yarn and 100% B yarn

1.1 混紡紗斷裂強(qiáng)度

1975年,Gupta等[14]發(fā)現(xiàn),將Hamburger提出的混紡紗強(qiáng)度公式[5]中纖維的強(qiáng)伸性能轉(zhuǎn)換成其純紡紗的強(qiáng)伸性能,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值會(huì)有較好的吻合度。郁崇文等[13]的研究也進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。斷裂強(qiáng)度S的表達(dá)式如下:

S=max{S1,S2}

(1)

其中

S1=aSA+bS′B

(2)

S2=bSB

(3)

圖2中的實(shí)線即混紡紗斷裂強(qiáng)度隨混紡比變化的曲線。當(dāng)S1=S2時(shí),對(duì)應(yīng)的B組分含量稱為臨界混紡比bC,通過(guò)式(2)、(3)可推導(dǎo)出bC的計(jì)算式:

圖2 混紡紗斷裂強(qiáng)度與混紡比的關(guān)系Fig.2 Relationship between bended ratio and tenacity of blended yarn

(4)

1.2 混紡紗斷裂伸長(zhǎng)率

通過(guò)對(duì)混紡紗斷裂過(guò)程的分析以及對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié),郁崇文等[13]發(fā)現(xiàn)斷裂伸長(zhǎng)率隨混紡比變化的趨勢(shì)基本呈現(xiàn)圖3所示的規(guī)律,于是提出了混紡紗斷裂伸長(zhǎng)率ε的表達(dá)式:

圖3 混紡紗斷裂伸長(zhǎng)率與混紡比的關(guān)系Fig.3 Relationship between blended ratio and breaking extension of blended yarn

(5)

2 混紡紗斷裂比功分析

混紡紗斷裂比功在數(shù)值上等于其拉伸曲線(強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率曲線)下方的面積,因此,預(yù)測(cè)出混紡紗的拉伸曲線,就能夠推算出其斷裂比功。通過(guò)式(1)～(5)可預(yù)測(cè)出混紡紗拉伸曲線上部分點(diǎn)的坐標(biāo)。將這些點(diǎn)以及坐標(biāo)原點(diǎn)用直線連接,就得到簡(jiǎn)化的拉伸曲線,進(jìn)而可推導(dǎo)出拉伸曲線下方圖形面積(即斷裂比功)的表達(dá)式。通過(guò)文獻(xiàn)[13]對(duì)混紡紗斷裂過(guò)程的分析可以發(fā)現(xiàn),以臨界混紡比bC為界,可將混紡紗的斷裂過(guò)程分為2種,不同的斷裂過(guò)程對(duì)應(yīng)著不同的表達(dá)式。

2.1 混紡比b小于或等于bC

混紡紗受到拉伸作用時(shí),在初始階段A、B二組分共同承受外力。當(dāng)伸長(zhǎng)率達(dá)到εA時(shí),混紡紗的強(qiáng)度為S1。如果繼續(xù)拉伸,A組分將斷裂,所有的外力主要由B組分承受。此時(shí),由于B組分含量較小(b≤bC), 其承載極限S2小于S1,所以整個(gè)紗體斷裂。S1與εA就是混紡紗的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。將混紡紗拉伸曲線簡(jiǎn)化為拉伸起始點(diǎn)O(0,0)與紗體斷裂點(diǎn)P(εA,S1)的連線OP,則線段OP下方三角形的面積即為斷裂比功W,如圖4所示。其中灰色斜紋部分的面積即預(yù)測(cè)斷裂比功:

圖4 混紡紗實(shí)際與預(yù)測(cè)拉伸曲線(b≤bC)Fig.4 Practical and predicted tensile curve of blended yarn (b≤bC)

(6)

2.2 混紡比b大于bC

隨著B組分含量的增大,其承載極限S2也逐漸增大。當(dāng)B組分含量超過(guò)臨界值bC時(shí),S1小于S2,所以A組分?jǐn)嗔押?B組分仍能夠單獨(dú)承受拉伸,繼續(xù)伸長(zhǎng),直到伸長(zhǎng)率為ε時(shí)B組分也斷裂,即整個(gè)紗體斷裂。S2與ε即為混紡紗的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率?？蓪⒒旒徏喞烨€簡(jiǎn)化為:拉伸起始點(diǎn)O(0,0)、A組分?jǐn)嗔腰c(diǎn)P(εA,S1)和紗體斷裂點(diǎn)M(ε,S2)的連線OPM,折線OPM下方圖形(即三角形加梯形)的面積則為斷裂比功W,如圖5所示。圖5(a)、 (b)分別為2種典型的混紡紗拉伸曲線示意圖?；疑奔y部分的面積即為預(yù)測(cè)斷裂比功:

圖5 混紡紗實(shí)際與預(yù)測(cè)拉伸曲線(b>bC)Fig.5 Practical and predicted tensile curve of blended yarns (b>bC).(a)Convex curve; (b)Concave curve

(7)

綜上所述,混紡紗斷裂比功與純紡紗拉伸性能、混紡比之間的關(guān)系式為

(8)

由式(8)可見(jiàn),與斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率相似,斷裂比功隨混紡比變化的趨勢(shì)在臨界混紡比bC處發(fā)生轉(zhuǎn)變。

3 斷裂比功-混紡比關(guān)系式的驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述斷裂比功-混紡比關(guān)系式的可靠性,設(shè)計(jì)了棉與粘膠2種纖維的混紡實(shí)驗(yàn),紡制了線密度為25 tex、捻系數(shù)為355的純棉紗、純粘膠紗和4種棉/粘膠混紡紗(混紡比分別為20∶80、40∶60、60∶40、 80∶20)。使用YG061F型電子單紗強(qiáng)力儀,按照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》測(cè)試了成紗的拉伸性能。純紡紗的拉伸曲線如圖6所示,可以得到純紡紗拉伸性能:SA=13.68 cN/tex,SB=9.71 cN/tex,S′B=8.90 cN/tex,εA=6.93%,εB=7.90%(A組分為棉,B組分為粘膠)。

圖6 純棉紗與純粘膠紗拉伸曲線Fig.6 Tensile curves of cotton yarn and viscose yarn

根據(jù)式(1)～(8)計(jì)算出不同混紡比下混紡紗的拉伸性能,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。計(jì)算得出臨界混紡比bC為94%。通過(guò)圖7(a)可以看出,預(yù)測(cè)的斷裂比功變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。

圖7 棉/粘膠纖維混紡紗拉伸性能Fig.7 Tensile properties of cotton/viscose fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

本實(shí)驗(yàn)中,斷裂比功隨著粘膠纖維含量的增加,以臨界混紡比bC為界,呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。斷裂比功的實(shí)測(cè)值總是高于預(yù)測(cè)值,主要原因是棉/粘膠混紡紗拉伸曲線呈凸?fàn)?而預(yù)測(cè)拉伸曲線為直線。實(shí)際曲線總高于預(yù)測(cè)曲線,其下方面積大于預(yù)測(cè)曲線下方面積。例如,當(dāng)棉與粘膠混紡比為60∶40 時(shí),實(shí)測(cè)拉伸曲線明顯呈凸?fàn)?致使斷裂比功預(yù)測(cè)值偏小,如圖8(a)所示。當(dāng)棉與粘膠混紡比為20∶80時(shí),預(yù)測(cè)拉伸曲線明顯低于實(shí)際凸?fàn)罾烨€,導(dǎo)致斷裂比功預(yù)測(cè)值偏小;同時(shí),斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率預(yù)測(cè)值偏大,會(huì)導(dǎo)致斷裂比功預(yù)測(cè)值偏大,從而部分抵消了實(shí)際拉伸曲線呈凸?fàn)顜?lái)的誤差見(jiàn)圖8(b)。

圖8 棉/粘膠混紡紗拉伸曲線Fig.8 Tensile curves of cotton/viscose yarn.(a)cotton/viscose(60/40) yarn; (b)cotton/viscose(20/80) yarn

3.2 文獻(xiàn)案例驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證斷裂比功-混紡比關(guān)系式的適用性與可靠性,使用文獻(xiàn)中混紡案例的純紡紗拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)預(yù)測(cè)混紡紗的拉伸性能隨混紡比變化的情況,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,如圖9～15所示。上述文獻(xiàn)主要討論混紡比與斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系,并未深入討論斷裂比功。部分案例中的原始數(shù)據(jù)為斷裂功,此處為方便討論,均根據(jù)下式換算為斷裂比功:

表1 文獻(xiàn)中各種純紡紗的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of various pure spun yarns in literatures

圖9 棉/竹漿纖維混紡紗拉伸性能Fig.9 Tensile properties of cotton/bamboo pulp fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖10 棉/腈氯綸混紡紗拉伸性能Fig.10 Tensile properties of cotton/modacrylic yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

(9)

由圖9～15可看出,與斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率相似,斷裂比功的變化趨勢(shì)在臨界混紡比bC附近發(fā)生轉(zhuǎn)變。針對(duì)不同種類的混紡紗,斷裂比功預(yù)測(cè)值隨混紡比變化的趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符,證明本文提出的關(guān)系式具有一定普適性。

圖11 棉/大豆蛋白復(fù)合纖維混紡紗拉伸性能Fig.11 Tensile properties of cotton/soybean protein fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖12 棉/高強(qiáng)錦綸混紡紗拉伸性能Fig.12 Tensile properties of cotton/high strength polyamide yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖13 大麻/錦綸混紡紗拉伸性能Fig.13 Tensile properties of hemp/polyamide yarn. (a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖14 羊絨/羊毛混紡紗拉伸性能Fig.14 Tensile properties of cashmere/wool yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

圖15 滌綸/大豆蛋白復(fù)合纖維混紡紗拉伸性能Fig.15 Tensile properties of polyester/soybean protein fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

部分混紡實(shí)驗(yàn)中,斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂比功的預(yù)測(cè)結(jié)果仍存在一定誤差。斷裂比功的誤差與斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)誤差相似,處于可接受范圍內(nèi)。造成斷裂比功預(yù)測(cè)誤差的主要原因有2方面:對(duì)拉伸曲線的簡(jiǎn)化以及斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)誤差。一方面,混紡紗的實(shí)際拉伸曲線往往呈光滑的凹凸?fàn)?而預(yù)測(cè)曲線被簡(jiǎn)化為直線或折線,如圖5所示。實(shí)際曲線呈凸?fàn)顣r(shí),例如棉/竹漿纖維混紡和滌綸/大豆蛋白復(fù)合纖維混紡時(shí),斷裂比功預(yù)測(cè)值就會(huì)偏小;相反,當(dāng)實(shí)際曲線呈凹狀時(shí),例如高比例腈氯綸混紡以及高比例羊毛混紡時(shí),斷裂比功預(yù)測(cè)值就會(huì)偏大。另一方面,斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)值偏大,斷裂比功預(yù)測(cè)值也會(huì)偏大;相反,斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長(zhǎng)率預(yù)測(cè)值偏小,例如棉/大豆蛋白復(fù)合纖維、棉/高強(qiáng)錦綸以及大麻/錦綸混紡,斷裂比功預(yù)測(cè)值也會(huì)偏小。

雖然預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定誤差,但該關(guān)系式能較好地預(yù)測(cè)出斷裂比功隨混紡比變化的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文探究了雙組分混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系。通過(guò)對(duì)混紡紗斷裂過(guò)程的分析,提出了一種簡(jiǎn)單的混紡紗拉伸曲線模型,并根據(jù)該模型建立了混紡紗斷裂比功與混紡比的關(guān)系式。由該式可知,與斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率相似,混紡紗斷裂比功隨混紡比變化的趨勢(shì)在臨界混紡比附近發(fā)生轉(zhuǎn)變。之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該關(guān)系式的適用性與可靠性。該式為預(yù)測(cè)混紡紗的斷裂比功提供了一種簡(jiǎn)單的方法,且預(yù)測(cè)誤差與現(xiàn)有的斷裂強(qiáng)度或斷裂伸長(zhǎng)率表達(dá)式的預(yù)測(cè)誤差相似,處于可接受范圍內(nèi),為生產(chǎn)中合理地選擇混紡比提供了指導(dǎo)。

致謝感謝上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究基地對(duì)本文的資助。