氧化鋁紗線的合股數(shù)與捻度對(duì)其強(qiáng)度的影響

李久剛, 金鑫鵬, 鄧文韜, 秦 雪, 張 賀, 黃 叢, 劉可帥

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200; 2.武漢紡織大學(xué) 紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430200; 3.航天科工空間工程發(fā)展有限公司, 北京 100854)

20世紀(jì)以來,航空航天科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,已成為當(dāng)今人類認(rèn)識(shí)和改造自然中非?；钴S并有深遠(yuǎn)影響的科學(xué)技術(shù)之一。航空航天工程發(fā)展所涉及的內(nèi)容錯(cuò)綜復(fù)雜,所以需要綜合應(yīng)用各種技術(shù),其中就包括紡織材料技術(shù)[1]。航空航天領(lǐng)域的材料與大多數(shù)日常使用的材料不同,要根據(jù)不同部位的需求進(jìn)行特殊研制,以滿足每個(gè)航天器不同部位的不同功能需求[2-3]。氧化鋁纖維作為陶瓷纖維具有耐高溫、抗拉伸等優(yōu)點(diǎn),又具有普通纖維的可加工性等諸多優(yōu)異的性能,其在高新型工業(yè)上的使用備受青睞。

姜如[4]制備了氧化鋁纖維復(fù)合材料,在常溫下測試了其層間剪切強(qiáng)度和斷裂韌性等。丁一等[5]采用XQ-1C型高強(qiáng)高模纖維強(qiáng)度儀對(duì)氧化鋁纖維的勾接強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試,并使用捻度儀測試其捻系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),該新型氧化鋁維的強(qiáng)力雖然滿足紡紗要求,但抗彎能力和抗扭能力差。楊序綱等[6]使用Instorn力學(xué)拉伸儀測定單根純氧化鋁纖維和氧化鋁-氧化鋯纖維的拉伸性能。謝治云等[7]測試研究了熱處理后氧化鋁纖維的結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能。我國要突破氧化鋁纖維生產(chǎn)技術(shù)難題,杜絕國外的壟斷,需要對(duì)氧化鋁纖維的性能進(jìn)行多方面深入的研究。

紡織纖維的力學(xué)性能,是關(guān)乎纖維及其制品在使用過程中性能好壞的性質(zhì)之一。在纖維及其制品的使用過程中,纖維的力學(xué)性能對(duì)其性能優(yōu)劣影響十分明顯,可通過纖維在外力作用下表現(xiàn)出的耐破壞性進(jìn)行評(píng)價(jià)。纖維在外力作用下被破壞的形式有很多種,目前最重要的研究形式是拉伸斷裂強(qiáng)力。本文研究了不同合股數(shù)下的氧化鋁紗線在常溫下的力學(xué)性質(zhì),以及不同捻度下氧化鋁紗線的力學(xué)性質(zhì),通過數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析后全面評(píng)價(jià)氧化鋁纖維的力學(xué)性能,可為氧化鋁纖維的后續(xù)應(yīng)用及進(jìn)一步開發(fā)提供參考[8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

75 tex連續(xù)氧化鋁纖維(山東東珩責(zé)任有限公司)、高性能AB膠水(上?？颠_(dá)新材料股份有限公司)、硬紙板(上海海尚紙品有限公司)、5967型電子強(qiáng)力萬能試驗(yàn)機(jī)(美國INSTRON公司)。

1.2 氧化鋁紗線的制備

1.2.1 不同合股數(shù)紗線的制備

不同合股數(shù)氧化鋁紗線樣品制備過程:制備單股(線密度為75 tex)的氧化鋁纖維樣品,即剪取單根長度為180 mm的氧化鋁纖維,兩端施加0.5 N張力使纖維伸直而不緊繃,纖維試樣兩端用裁剪好的硬紙板和高性能膠水黏住固定,保證纖維不滑脫,當(dāng)試樣兩端夾持后,確保試樣中間部分測試距離為 100 mm; 制備合股數(shù)為2(線密度為150 tex)的氧化鋁紗線樣品,則需剪取2段長度為180 mm的氧化鋁纖維,將其并線成1根紗線再在兩端施以一定張力,并用硬紙板和高性能膠水固定;制備合股數(shù)為3的氧化鋁紗線(線密度為225 tex),則取3段長度為180 mm的氧化鋁纖維,將3段并線成1根紗線,將兩端用硬紙板和膠水黏住固定。以此類推制備合股數(shù)為4、5的氧化鋁紗線(線密度分別為300、375 tex), 不同合股數(shù)氧化鋁紗線拉伸制樣模擬圖如圖1所示,中間省略2、3、4、5股,圓圈部分為放大示意圖。多倍并線的氧化鋁紗線并合時(shí)要注意纖維之間要緊湊貼合,并且伸直程度要相同,避免后續(xù)測試產(chǎn)生纖維斷裂不同時(shí)性。

圖1 合股氧化鋁紗線的拉伸制樣模擬圖Fig.1 Simulation diagram of tensile drawing of composite alumina yarn

1.2.2 不同捻度紗線的制備

將不同合股數(shù)的氧化鋁紗線分為5組,每組至少5個(gè),其中第1組不加捻,其它4組按設(shè)計(jì)的捻度分別進(jìn)行加捻。對(duì)氧化鋁紗線加捻可增加單絲之間的抱合力而形成穩(wěn)定的形態(tài),同時(shí)也使纖維中較松軟的部位變得緊密,有利于增加單絲的斷裂同時(shí)性,合適的捻系數(shù)能增加紗線的強(qiáng)度[9-11]。將不同合股數(shù)的氧化鋁紗線樣品兩端用膠水凝固后,分別加捻0、2、4、6、8個(gè)捻回?cái)?shù),即每個(gè)相同線密度氧化鋁紗線中的相同捻度至少制作5個(gè)樣品,所得到的捻度則分別為0、2、4、6、8 捻/(10 cm),由加捻產(chǎn)生的捻縮距離很小,可忽略不記。不同加捻數(shù)氧化鋁紗線的制備示意圖如圖2所示,把制備的樣品一端用硬紙板固定,另一端用手將其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)捻回?cái)?shù),加捻過程要注意纖維保持平直,不發(fā)生彎曲和卷縮。加捻結(jié)束后將其平鋪在有紙張的托盤上,必要時(shí)將兩端硬紙板用膠帶固定在白紙上,使其保持伸直而不緊繃,防止在調(diào)節(jié)平衡時(shí)樣品發(fā)生收縮或解捻造成不必要的力學(xué)損失[12-14]。

圖2 不同捻度氧化鋁紗線的制備示意圖Fig.2 Preparation schematic diagram of alumina yarn with different twist yarn

1.3 斷裂強(qiáng)度測試與捻系數(shù)計(jì)算

首先,將樣品兩端分別用2片30 mm×30 mm的紙板黏著固定,使得上機(jī)夾持時(shí)不易發(fā)生滑移及夾持處斷裂現(xiàn)象。夾持距離為100 mm。所有樣品在室溫環(huán)境下調(diào)濕24 h至平衡狀態(tài)再通過電子強(qiáng)力萬能測試儀進(jìn)行拉伸測試,測試夾頭豎直夾持樣品兩端的硬紙板,使得樣品中間部分的纖維保持垂直。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:夾持長度100 mm;運(yùn)行速率 20.00 mm/min; 預(yù)加張力0.001～0.002 N。

每組至少測試5個(gè)樣品,去掉最大值和最小值后計(jì)算其斷裂強(qiáng)度平均值。紗線的捻系數(shù)[8]計(jì)算公式為

式中:αt為捻系數(shù);Tt為捻度,捻/(10 cm);Nt為線密度tex。

2 結(jié)果與分析

2.1 合股數(shù)對(duì)紗線力學(xué)性能的影響

測試合股數(shù)對(duì)氧化鋁紗線強(qiáng)力的影響,不同合股數(shù)氧化鋁紗線斷裂強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示。可以看出,隨著合股數(shù)的不斷增加,氧化鋁紗線的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢,這是由于氧化鋁紗線中的纖維斷裂不同時(shí)性增加導(dǎo)致的。氧化鋁紗線隨著合股數(shù)的增加,斷裂強(qiáng)度不斷減小,與單股相比,2股紗線、3股紗線、4股紗線和5股紗線的斷裂強(qiáng)度分別下降了0.9%、2.9%、7.4%、9.9%。

圖3 氧化鋁紗線合股數(shù)與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between ply number of alumina yarn and fracture strength

2.2 捻度與合股數(shù)對(duì)紗線力學(xué)性能的影響

不同合股數(shù)氧化鋁紗線在不同捻度下的斷裂強(qiáng)度測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?加捻后不同合股數(shù)的紗線都呈現(xiàn)隨著捻度的增加,斷裂強(qiáng)度先增加后減少的趨勢,其峰值各有不同但大小相近,最大斷裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的臨界捻度也不同。其中,單股氧化鋁紗線在6 捻/(10 cm)時(shí)斷裂強(qiáng)度最大,為32.62 cN/tex; 2股氧化鋁紗線在6捻/(10 cm)時(shí)斷裂強(qiáng)度最大,為32.73 cN/tex;3股氧化鋁紗線在4 捻/(10 cm)時(shí)斷裂強(qiáng)度最大,為 32.34 cN/tex; 合股數(shù)為4時(shí),氧化鋁紗線在4 捻/(10 cm)時(shí)斷裂強(qiáng)度最大,為31.25 cN/tex;合股數(shù)為5時(shí),氧化鋁紗線在4 捻/(10 cm)時(shí)斷裂強(qiáng)度最大,為 30.31 cN/tex。 加捻能加強(qiáng)單絲之間的抱合力,增加纖維之間斷裂的同時(shí)性,使得其斷裂強(qiáng)度有所增加,但是若加捻產(chǎn)生過大的傾斜角度反而使得單絲剪切方向的分力變大,造成斷裂強(qiáng)度變小,這是斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生峰值的原因[15]。

圖4 不同合股數(shù)下氧化鋁紗線捻度與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between twist and fracture strength of alumina yarn under different ply numbers

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單股氧化鋁紗線加捻至8 捻/(10 cm)時(shí),放置24 h后出現(xiàn)部分單絲斷裂,而其它線密度的紗線未出現(xiàn)該現(xiàn)象,因此造成該捻度下測試的斷裂強(qiáng)度下降比其它線密度的紗線較大。當(dāng)單股氧化鋁紗線加捻到8捻/(10 cm)以上時(shí),會(huì)發(fā)生自然斷裂。這說明氧化鋁紗線的扭轉(zhuǎn)性較差,纖維剪切方向的斷裂強(qiáng)度較小。但在相同的加捻程度時(shí),即捻系數(shù)相同時(shí)的其它更粗的紗線中卻未出現(xiàn)該情況。這是因?yàn)閱谓z數(shù)量較少時(shí),紗線較細(xì),加捻時(shí)纖維外層纖維向內(nèi)層纖維擠壓產(chǎn)生向心力[15],使得纖維在較細(xì)處受到的壓強(qiáng)較大,在低捻度時(shí),壓強(qiáng)的存在起到一個(gè)積極作用,可增加纖維之間的抱合力,提高強(qiáng)度;而隨著捻度的增加,壓強(qiáng)增大反而對(duì)氧化鋁纖維的強(qiáng)度起到消極作用,壓強(qiáng)較大使得較細(xì)的纖維片段受壓強(qiáng)擠壓,而未拉伸就開始有大部分單絲發(fā)生斷裂。

2.3 捻系數(shù)對(duì)紗線力學(xué)性能的影響

捻度并非衡量不同粗細(xì)紗線加捻程度的標(biāo)準(zhǔn),而捻系數(shù)可反映纖維與纖維軸線的傾斜角度,用于衡量不同線密度紗線的加捻程度[15]。根據(jù)公式計(jì)算相應(yīng)的捻系數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 不同合股數(shù)的氧化鋁紗線在不同捻度下的捻系數(shù)Tab.1 Twist coefficient of alumina yarn with different ply number under different twist

以捻系數(shù)為橫坐標(biāo),斷裂強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖,結(jié)果如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn),氧化鋁紗線的斷裂強(qiáng)度隨著捻系數(shù)的增加而呈先增加后減小的趨勢。除單股氧化鋁紗線外,其它合股數(shù)的氧化鋁紗線的臨界捻系數(shù)在60～80之間。這也再次說明氧化鋁纖維在剪切向的承受力小,這在加捻與織造加工時(shí)是需要注意的。

圖5 氧化鋁紗線捻系數(shù)與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between twist coefficient and fracture strength of alumina yarn

若要氧化鋁紗線保持良好的性能,可對(duì)其適當(dāng)加捻,增加纖維之間的抱合力,提高斷裂同時(shí)性,但加捻程度不應(yīng)過大,捻系數(shù)應(yīng)控制在80以下。對(duì)于75 tex的氧化鋁紗線,對(duì)其加捻程度要適當(dāng)減小,避免加捻過程使其在纖維片段中擰斷。

3 結(jié) 論

本文通過改變氧化鋁紗線的捻度與合股數(shù),測試其在常溫下的拉伸斷裂強(qiáng)度,又對(duì)不同線密度的氧化鋁紗線進(jìn)行加捻并對(duì)其拉伸斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測試,得出如下結(jié)論。

1) 氧化鋁紗線隨著合股數(shù)的增加,斷裂強(qiáng)度不斷減小。與75 tex單紗相比,2股紗線、3股紗線、4股紗線和5股紗線的斷裂強(qiáng)度分別下降了0.9%、2.9%、7.4%、9.9%。

2) 對(duì)不同合股數(shù)氧化鋁紗線進(jìn)行加捻后,其斷裂強(qiáng)度隨著捻度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。不同合股數(shù)的氧化鋁紗線在0～8捻/(10 cm)的捻度下,均出現(xiàn)斷裂強(qiáng)度峰值,而臨界捻系數(shù)位于60～80之間。