朱進忠，蘇玉恒

(河南工程學院 紡織工程系，河南 鄭州 450007)

玻璃纖維是一種重要的增強材料，最早用于制造復合材料的增強體.玻璃纖維具有高強低伸[1-2]、易彎曲脆斷等性能[3-4]，在加工過程中其紗線容易受到拉伸、彎曲、摩擦等外力作用而導致?lián)p傷，出現(xiàn)毛絲、斷頭等問題，嚴重影響加工和使用[5-7].但是，目前關(guān)于玻璃纖維紗線的加工損傷還缺少具體的試驗和分析.

本研究對玻璃纖維紗線的斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂功、接結(jié)強度、摩擦等力學性質(zhì)指標進行了測試與比較，分析了玻璃纖維紗線在加工過程中的損傷原因.

表1 實驗用玻璃纖維紗線規(guī)格Tab.1 Glass fibers in experiment

1 玻璃纖維紗線強伸度測試分析

1．1 實驗材料和主要儀器

1．1．1 實驗材料

兩種三股玻璃纖維紗線由洛玻晶緯玻璃纖維有限公司提供，規(guī)格見表1.

1．1．2 主要儀器

本實驗在HD026N型電子強力儀上進行測試.拉伸隔距設置為200 mm，速度設置為200 mm/min(定速拉伸)，每管紗線測試10次，測試結(jié)果見表2.

表2 紗線拉伸性能測試結(jié)果Tab.2 Result in the tensile test of yarns

1．2 結(jié)果與分析

從表2可以看出，玻璃纖維紗線強度是普通棉紗的4.8～5.2倍，可以承受普通紗線所不能承受的拉伸力，但它的斷裂伸長率卻很低，不到2%.這種高強低伸性即紗線的脆性大使得玻璃纖維紗線易受變形的影響，即使變形很小，產(chǎn)生的應力也會很大，從而容易在加工過程中造成紗線的斷裂損傷.

從表2還可以看出，Y1紗線比Y2紗線的各項力學性質(zhì)指標高，其原因是紗線的物理機械性質(zhì)是由組成紗線的纖維性質(zhì)和成紗結(jié)構(gòu)所決定的.紗線結(jié)構(gòu)最重要的影響因素是加捻[8]，加捻使紗線中原來平行伸直排列的纖維與紗軸傾斜成一定的角度，改變了紗線中纖維的內(nèi)外分布，使纖維在發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移的同時，自身也發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形，從而改變了紗線的物理機械性質(zhì).一般來說，紗線加捻后，緊密度增加，直徑變小，紗線內(nèi)纖維間的相互擠壓和摩擦力增加，紗線的強度增加.玻璃纖維越細,紗線單位截面內(nèi)的纖維根數(shù)就越多,排列越緊密,纖維之間的相互作用力增加,有利于提高紗線的強度.紗線的線密度也是影響紗線強度的一個重要因素.若組成紗線的纖維直徑相同，則紗線的線密度越大(紗線越粗)，紗線的強度也越大.Y1紗線的線密度大，紗線中的玻璃纖維細，故比Y2紗線的各項力學性質(zhì)指標高.

2 玻璃纖維紗線的接、結(jié)強度測試分析

2．1 實驗

接結(jié)強度反映了纖維紗線的抗彎曲性能，體現(xiàn)的是紗線的脆性.使玻璃纖維紗線按照特定的接結(jié)方式在YG061F 電子單紗強力儀上進行測試，測試結(jié)果見表3與表4.

表3 玻璃纖維紗線的鉤接強度Tab.3 Hook joint strength of glass yarn

表4 玻璃纖維紗線的打結(jié)強度Tab.4 The knot strength of glass yarn

2．2 結(jié)果與分析

對比表2、表3和表4可知，玻璃纖維紗線彎曲拉伸時的強度要遠低于其直拉強度，Y1紗線的鉤結(jié)強度只達到直拉強度的80%，Y2紗線的鉤結(jié)強度只有直拉強度的75%.另一個值得注意的現(xiàn)象是,玻璃纖維紗線的斷裂點全部發(fā)生在鉤結(jié)處，而棉紗的斷裂位置卻幾乎是隨機的，斷裂在直線段部分的次數(shù)居多，僅有少數(shù)發(fā)生在紗線彎折處.可以認為，上述結(jié)果主要是兩者彎曲拉伸斷裂機理的不同造成的.棉纖維的大分子結(jié)構(gòu)特點是細長而分子量大，造成屈服應力小、屈服區(qū)域大，使得產(chǎn)生在彎曲接觸點處的應力可以通過變形得到很好的釋放，因而其斷裂還是主要發(fā)生在弱環(huán)處且強度幾乎沒有什么損失；玻璃纖維是連續(xù)長絲，分子結(jié)構(gòu)短小，屬于無機物脆性材料，在拉壓過程中沒有屈服區(qū)，無法通過塑性變形來減少彎曲在纖維內(nèi)部引起的彎曲應力，因而接觸點處紗線承載的負荷增加，紗線斷裂強度降低.以上結(jié)果說明,雖然玻璃纖維紗線強度高,但由于其模量高,脆性大,在彎曲和扭轉(zhuǎn)時易發(fā)生斷裂，且彎曲的曲率越大越容易斷裂，所以可以得到，在加工過程中彎曲是玻璃纖維紗線易造成損傷的重要原因.

3 玻璃纖維紗線摩擦測試分析

圖1 LFY—20型紗線耐磨儀Fig.1 LFY—20 wear resistance instrument

3．1 實驗

實驗在LFY—20型紗線耐磨儀(見圖1)上進行，所用的砂紙是600號.實驗時，一定根數(shù)的紗線為一組(本實驗采用10根為一組)，在一定張力的作用下平行排列，固定在工作面上，包裹著砂紙的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(60 r/min)，砂紙對試樣產(chǎn)生摩擦作用，使試樣不同程度地受損.Y1所受張力為70.5 cN時的摩斷次數(shù)為613，Y2所受張力為50.4 cN時的摩斷次數(shù)為802.試樣所受張力變化時，紗線摩斷所用的摩擦次數(shù)如表5所示.

表5 張力不同時摩斷玻璃纖維紗線的摩擦次數(shù)Tab.5 Frictional times of broken glass yarn at different tension

3．2 結(jié)果與分析

3.2.1 摩斷次數(shù)變化曲線

由表5可得玻璃纖維紗線摩斷次數(shù)隨紗線張力變化的曲線，如圖2所示.隨著紗線張力的提高，玻璃纖維紗線所能承受摩擦的次數(shù)不斷下降.據(jù)實驗觀察，玻璃纖維紗線在摩擦中所能承受的張力很低，在所受張力接近彎曲拉伸強度時，往往僅摩擦幾次紗線就斷裂了.這是因為玻璃纖維分子結(jié)構(gòu)短小，屬于無機物脆性材料.因此，有時在很低的紗線張力下，紗線表面纖維也會斷裂，形成毛羽，導致紗線損傷.可以說，在加工過程中，摩擦是玻璃纖維紗線易造成損傷的另一重要原因.

圖2 玻璃紗線摩斷次數(shù)隨紗線張力變化曲線Fig.2 The change curve that the glass yarn frictional times with yarn tension

3.2.2 摩斷次數(shù)變化曲線回歸方程的建立

玻璃纖維紗線的摩擦損傷是逐步發(fā)生的,在紗線摩擦性能的影響因素中，紗線張力的影響很大.

從圖2可以看出，各試樣的曲線都是呈下降趨勢的，整體近似直線.應用Matlab數(shù)學分析軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得到玻璃纖維紗線摩斷的摩擦次數(shù)隨紗線張力變化曲線回歸方程，如式(1)和式(2)所示.

N1=1 694.6-12.18X，

(1)

N2=1 488.6-11.68X，

(2)

式中,N1、N2分別為玻璃纖維紗線Y1、Y2摩斷的摩擦次數(shù)；X為紗線張力，cN.

式(1)擬合相關(guān)系數(shù)R=0.987,計算F檢驗值=76.125，置信水平α=0.05下，查F臨界值F=10.13，回歸方程顯著.式(2)擬合相關(guān)系數(shù)R=0.987, 計算F檢驗值=76.09，置信水平α=0.05下，查F臨界值F=10.13，回歸方程顯著.

4 結(jié) 論

綜合上述測試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)與棉紗線相比，玻璃纖維紗線的強度大、延伸性差，即紗線的脆性大.彎曲、摩擦、脆性大是玻璃纖維紗線易在加工過程中造成損傷的重要原因.

(2)在打結(jié)、鉤結(jié)等彎曲拉伸時，玻璃纖維紗線的強度遠比其直拉強度低，彎曲應力對玻璃纖維紗線強度的影響很大.

(3)玻璃纖維紗線摩斷的摩擦次數(shù)與紗線張力直線相關(guān)，有時很低的紗線張力也會使紗線的表面纖維斷裂，形成毛羽，導致紗線損傷.

參考文獻:

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[8] 朱進忠，蘇玉恒.玻璃纖維紗線強力與捻度的關(guān)系[J].河南工程學院學報：自然科學版,2010(1)：8-10.