季 軒，韓春艷，陳 艷

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇儀征 211900；2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

分析測試

滌綸短纖維摩擦系數(shù)測試及其影響因素的研究

季 軒1，2，韓春艷1，2，陳 艷1

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇儀征 211900；2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

利用Y151型纖維摩擦系數(shù)測試儀對滌綸短纖維樣品進行摩擦系數(shù)測試，從張力夾重量、纖維測試根數(shù)、摩擦輥轉(zhuǎn)速、測試環(huán)境溫濕度等多個方面對儀器測試結(jié)果的影響因素進行了分析，提出了保證測試結(jié)果準確性的方法及纖維摩擦系數(shù)測試儀的使用建議。

滌綸短纖維 摩擦系數(shù) 影響因素

在滌綸纖維生產(chǎn)與后加工過程中，纖維與纖維、纖維與設(shè)備之間均存在著摩擦作用。纖維的摩擦性質(zhì)，不僅影響著纖維的紡制成型過程，而且與纖維的可紡性及其織物的手感、起毛起球等服用性能息息相關(guān)[1]。

纖維與纖維、纖維與設(shè)備之間的摩擦作用一般用摩擦系數(shù)來表示。摩擦系數(shù)是纖維摩擦力與法向力的比值，它又分為靜摩擦力和動摩擦力及相應(yīng)的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)[2]。纖維摩擦系數(shù)的大小可綜合反映出上油纖維的油劑質(zhì)量及上油率、纖維的粗細、卷曲性能等質(zhì)量性能，也與紡織生產(chǎn)和紡紗性能關(guān)系十分密切。

目前滌綸短纖維出廠定等指標中不包括纖維的摩擦性能，而在纖維的后道紡紗加工過程中用戶反映的梳棉困難、棉卷或棉條膨松、纏輥、紗疵多、靜電大等問題多數(shù)都與纖維的摩擦性能有關(guān)，因此纖維的摩擦系數(shù)是一個非常重要的性能指標[3]。短纖維摩擦系數(shù)測試一般用纖維摩擦系數(shù)儀來完成，可測試纖維與纖維、纖維與金屬、橡膠、陶瓷等之間的摩擦系數(shù)。由于目前短纖維摩擦系數(shù)測定無國標方法，而纖維的摩擦系數(shù)測試結(jié)果與儀器的狀態(tài)、纖維輥制作質(zhì)量、測試人員手法熟悉程度、環(huán)境溫濕度等影響因素有很大關(guān)系。為提高摩擦系數(shù)測試結(jié)果的準確性，通過纖維的摩擦系數(shù)測試結(jié)果進行纖維可紡性能評價，筆者對滌綸短纖維摩擦系數(shù)測試過程中的多種因素進行了研究。

1 試 驗

1.1 試驗設(shè)備

Y151型纖維摩擦系數(shù)儀，常州第二紡織機械有限公司；HSX-300型恒溫恒濕試驗箱，上海海向儀器設(shè)備廠。

1.2 試驗材料

1.56 dtex×38 mm滌綸短纖維樣品，中國石化儀征化纖有限責任公司生產(chǎn)。

1.3 測試原理及方法

1.3.1 測試原理[5]

短纖維摩擦系數(shù)測試使用的是絞盤法。纖維在摩擦輥上包圍成一定角度θ(見圖1，圖中包角θ=π=3.1416)，纖維A端的張力為T1，B端以張力T2牽引纖維，由于纖維與摩擦輥表面存在著摩擦力，所以張力T2大于張力T1。

圖1 纖維摩擦系數(shù)測試原理圖

根據(jù)歐拉定律，纖維在摩擦輥上的摩擦系數(shù)(μ)計算公式為：

(1)

e為自然對數(shù)，經(jīng)公式推導(dǎo)，摩擦系數(shù)的計算公式為：

(2)

1.3.2 測試方法

1.3.2.1 試樣準備

按照GB/T 14334-2006《化學(xué)纖維 短纖維取樣方法》[6]的規(guī)定抽取試驗樣品，放置在試驗所需溫濕度條件下平衡4 h以上。

1.3.2.2 制作纖維測試輥

從經(jīng)過溫濕度平衡后的試樣中抽取適量纖維放在黑絨板上，用手輕輕地將纖維扯齊，并用鑷子和梳子將纖維層中的游離纖維去掉；把纖維梳成30 mm寬的纖維片，用鑷子將纖維放到成型器上，用夾子夾住一端，另一端貼上透明膠帶；去掉夾子和成型器，將纖維片粘在纖維摩擦系數(shù)測試專用金屬輥軸頂端并用螺絲加以固定，用梳子梳理不整齊的一端，使纖維平行于金屬軸表面并均勻排布；用金屬軸上的套螺母將纖維層緊緊固定，即制作出一個纖維測試輥。按上述方法制作出多個纖維測試輥，以備測試使用。

1.3.2.3 纖維與纖維間摩擦系數(shù)測試

將制作好纖維測試輥置于規(guī)定的溫濕度條件下平衡，然后將測試輥固定于Y151纖維摩擦系數(shù)測試儀的主機軸內(nèi)，抽取一根待測纖維，在纖維兩端掛上一定重量f的預(yù)加張力夾，保證纖維處于伸直而不伸長狀態(tài)。將纖維垂直懸掛于測試輥上，調(diào)節(jié)測試輥的位置，使纖維一端自由下垂，另一端騎跨在測力裝置(扭力天平)的秤鉤上，并保證纖維與測試輥間夾角為180°。測試輥旋轉(zhuǎn)后，由于纖維與纖維輥之間發(fā)生摩擦，纖維兩端張力不平衡，這時扭力天平的平衡指針偏向一邊，轉(zhuǎn)動扭力天平手柄，使扭力天平平衡指針回復(fù)到零位，讀取扭力天平讀數(shù)m，則纖維的摩擦系數(shù)計算式可轉(zhuǎn)換為：

(3)

靜摩擦系數(shù)測試：使纖維測試輥不轉(zhuǎn)動，以約5 mg/s的速度緩慢轉(zhuǎn)動扭力天平手柄，直到纖維與纖維輥之間發(fā)生突然滑移，讀取扭力天平讀數(shù)m，按公式3計算得到纖維的靜摩擦系數(shù)；

動摩擦系數(shù)測試：調(diào)節(jié)纖維測試輥轉(zhuǎn)速，開動馬達，使扭力天平指針偏向左邊，緩慢轉(zhuǎn)動扭力天平手柄，直到指針回到中央并在平衡點等幅左右擺動，讀取天平讀數(shù)m，按公式3計算得到纖維的動摩擦系數(shù)。試驗時每根掛絲重復(fù)測試2～3次，記錄平均值得到該根纖維的摩擦力。

1.3.2.4 纖維與金屬間摩擦系數(shù)測試

纖維與金屬間摩擦系數(shù)所用測試輥為直徑8 mm的鋼制輥，測試時將測試輥固定于Y151纖維摩擦系數(shù)測試儀主機內(nèi)，依照上述方法測試纖維與金屬間的靜、動摩擦系數(shù)。

由于測試過程中操作人員手上的水分、油污及工器具的清潔程度等都會影響摩擦系數(shù)測試結(jié)果的準確性，因此測試前需用無水乙醇將所用工器具擦洗干凈，并做好手的清潔工作，操作過程中手盡量不要接觸試樣。此外儀器的摩擦力測試是通過扭力天平讀數(shù)獲得的，因此試驗前需要調(diào)節(jié)好天平的平衡點位置，保證天平讀數(shù)的準確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維測試輥質(zhì)量對測試結(jié)果的影響

在纖維與纖維之間的摩擦系數(shù)測試中，纖維測試輥的質(zhì)量直接關(guān)系到測試結(jié)果的準確度。由于實驗人員在制作纖維測試輥時熟練程度不同，所制得的纖維測試輥可能會有纖維排布不整齊、表面有毛絲、測試輥表面蓬松等問題；并且，由于制作纖維測試輥所用纖維片的寬度是確定的，纖維片的重量直接影響到纖維片的厚度，而纖維片的厚薄不均會影響到測試結(jié)果的準確性，不利于摩擦性能評價的正常開展。圖2為預(yù)加張力為0.064 cN/detx條件下用不同重量的纖維片制作纖維測試輥的靜摩擦系數(shù)(μs F/F)、動摩擦系數(shù)(μd F/F)測試結(jié)果。

圖2 不同重量的纖維制作的纖維測試輥測試結(jié)果

從圖2中的測試結(jié)果可以看出，使用不同重量的纖維片制作纖維測試輥所得到的測試結(jié)果存在差異。當纖維片質(zhì)量為60 mg時，纖維測試輥上覆蓋的纖維較薄，無法完全覆蓋測試輥表面，造成纖維測試輥表面高低不平，起伏較多，直接導(dǎo)致纖維的摩擦系數(shù)較大。隨著纖維片重量的增加，測試輥表面覆蓋的纖維逐漸飽滿、平整，測試結(jié)果也有一定的減小并趨于穩(wěn)定。當纖維片質(zhì)量達到100 mg以上時，纖維在測試輥表面發(fā)生堆積，造成測試輥蓬松，表面毛絲增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大。經(jīng)過對不同重量的纖維片制得的測試輥測試結(jié)果的比較，將纖維片質(zhì)量控制在80～90 mg時，測試輥上纖維厚薄程度適中，測試結(jié)果較為穩(wěn)定。

2.2 測試次數(shù)對測試結(jié)果的影響

由于纖維生產(chǎn)設(shè)備及工藝條件的波動，每一批次產(chǎn)品的卷曲性能及上油狀態(tài)存在差異，同批產(chǎn)品中的不同纖維摩擦性能差異也較大，試驗的纖維數(shù)量過少，樣品代表性不夠，會影響結(jié)果的準確度和精密度，測試數(shù)量過多則會影響到測試效率。此處所指的測試纖維數(shù)量包括制作的纖維測試輥數(shù)量及每個輥子上測試的纖維數(shù)量，每個纖維輥上測試纖維的根數(shù)過多，纖維輥表面油劑磨損，會影響測試結(jié)果，因此實際進行纖維動靜摩擦系數(shù)測試時，一般是制作數(shù)只纖維測試輥，在每只測試輥上不同位置測試5根左右纖維，計算所測各根纖維的摩擦系數(shù)平均值。為掌握不同纖維測試數(shù)量對結(jié)果的影響，筆者對測試不同數(shù)量的纖維輥的摩擦系數(shù)結(jié)果的穩(wěn)定性進行了對比。

表1及圖3、圖4為纖維樣品在不同纖維測試輥上靜摩擦系數(shù)(μs F/F)、動摩擦系數(shù)(μd F/F)測試結(jié)果及試驗結(jié)果變異系數(shù)(CV)情況(預(yù)加張力：0.064 cN/detx)。

表1 不同數(shù)量的纖維測試輥的摩擦系數(shù)測試結(jié)果

圖3 不同數(shù)量的纖維測試輥的摩擦系數(shù)測試結(jié)果

圖4 測試不同數(shù)量的纖維測試輥的變異系數(shù)情況

從表1及圖3、圖4可以看出不同測試輥數(shù)、不同測試根數(shù)情況下，纖維摩擦系數(shù)的平均值基本相近，測試數(shù)據(jù)的標準偏差及變異系數(shù)也相差不大，表示測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。對表1中的測試結(jié)果進行方差分析，分別將不同測試輥數(shù)時的標準偏差結(jié)果與測試10個輥子的標準偏差結(jié)果進行比較，見表3。

表2中方差分析結(jié)果均小于F檢驗的臨界值表，表示測試不同測試輥數(shù)、不同纖維根數(shù)下靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)的方差沒有顯著差異。從試驗結(jié)果可看出，對均勻性好的樣品，制作3個纖維測試輥，測試15根纖維，得到的摩擦系數(shù)平均值即可保證試驗結(jié)果的準確，做過多的纖維輥，測試纖維根數(shù)多，會延長每批樣品的測試時間，影響測試效率，但對樣品均勻性穩(wěn)定性不好的樣品，需增加測試輥數(shù)，加大纖維測試根數(shù)，才能保證測試結(jié)果的準確性。因此在實際進行纖維樣品的摩擦系數(shù)測試時要根據(jù)樣品的實際均勻性情況確定樣品測試根數(shù)。

表2 對不同數(shù)量的纖維測試輥的摩擦系數(shù)測試結(jié)果的方差分析(與10個輥相比)

表3和圖5為短纖維樣品在預(yù)加張力為0.064 cN/detx條件下，金屬測試輥的靜摩擦系數(shù)(μs F/M)及動摩擦系數(shù)(μd F/M)測試結(jié)果。

表3 纖維與金屬測試輥間摩擦系數(shù)測試結(jié)果

圖5 纖維與金屬測試輥間摩擦系數(shù)測試結(jié)果

從表中可以看出，對于生產(chǎn)穩(wěn)定、均勻性好的樣品，當測試根數(shù)≥20時，即可滿足試驗要求。由于每一根纖維的卷曲形態(tài)和油劑的附著狀態(tài)不盡相同，在抱合力等于零時，纖維與金屬之間的摩擦力波動被放大，導(dǎo)致測試的變異系數(shù)較高。因此，在進行纖維與金屬摩擦系數(shù)測定時，除了盡量保證測試次數(shù)外，還要嚴格按照取樣標準的規(guī)定進行取樣，保證所取樣品具有代表性。

2.3 張力夾重量對測試結(jié)果的影響

根據(jù)摩擦系數(shù)儀測試纖維摩擦系數(shù)的原理及計算公式，摩擦系數(shù)測試結(jié)果與纖維所加張力密切相關(guān)。在滌綸短纖維物理指標測試中，給纖維施加張力的目的是使纖維的卷曲伸直而不伸長，但不同測試項目的國家標準或行業(yè)標準中所規(guī)定的保證纖維卷曲伸直但不伸長的張力各不相同。如滌綸短纖維長度、線密度、拉伸性能試驗方法中規(guī)定的張力為按纖維名義線密度乘以0.15 cN/dtex計算，而在卷曲性能及干熱收縮率的測試方法中規(guī)定的數(shù)值為0.075 cN/dtex。并且，根據(jù)摩擦系數(shù)測試原理，對纖維施加的張力會對纖維產(chǎn)生法向壓力，法向壓力的變化會直接導(dǎo)致纖維與測試輥之間摩擦狀態(tài)的變化，并影響到測試結(jié)果。為了解張力夾重量對測試結(jié)果的影響，筆者選擇了不同重量的張力夾對滌綸短纖維標準樣品進行測試，表4和圖6為使用不同重量張力夾時纖維與纖維的靜摩擦系數(shù)(μs F/F)、動摩擦系數(shù)(μd F/F)變化情況，圖7為使用不同重量張力夾時纖維靜、動摩擦系數(shù)變異系數(shù)(CV)的變化情況。

表4 不同重量的張力夾測試摩擦系數(shù)結(jié)果

圖6 不同重量的張力夾測試摩擦系數(shù)結(jié)果

圖7 不同重量的張力夾測試變異系數(shù)的變化

從表4和圖6的測試結(jié)果可以看出，隨著張力夾重量的增加，纖維與纖維之間的靜、動摩擦系數(shù)均有逐漸下降的趨勢。在張力夾重量為80 mg時，靜、動摩擦系數(shù)測試結(jié)果均較大，隨著張力夾重量的增加，靜、動摩擦系數(shù)均有一個急劇減小的階段，隨后數(shù)值趨于平穩(wěn)。根據(jù)測試結(jié)果分析，在張力夾重量較輕時纖維的卷曲未完全拉直，纖維與測試輥之間的摩擦抱合作用較大，導(dǎo)致測試結(jié)果偏大。隨著張力夾重量的增加，纖維對測試輥的法向壓力逐漸增大，導(dǎo)致纖維與測試輥的接觸面上微小的卷曲在法向壓力的作用下逐漸變得平整，樣品的摩擦系數(shù)下降。摩擦系數(shù)測試的目的是為了評價纖維的抱合性和平滑性，在測試時提供過大的法向壓力會對纖維造成擠壓作用，導(dǎo)致纖維原有的摩擦特性不能體現(xiàn)出來，測試結(jié)果不具有代表性。同時，從圖7中可以看出，隨著張力夾重量的增加，測試結(jié)果的CV值也有逐漸上升的趨勢，尤其是動摩擦系數(shù)的CV值。經(jīng)過對不同重量的張力夾測試結(jié)果的比較，張力夾的重量選擇在按名義線密度計(0.063～0.078) cN/dtex范圍內(nèi)比較合適。在實際測試中，考慮到測試結(jié)果的可比性，同一規(guī)格的纖維應(yīng)當使用固定重量的張力夾進行試驗。

2.4 摩擦輥轉(zhuǎn)速對測試結(jié)果的影響

在樣品動摩擦系數(shù)測試中，測試輥的轉(zhuǎn)速也是測試結(jié)果的影響因素之一。不同的測試轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致纖維與測試輥之間相對運動的改變，從而對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。Y151型纖維摩擦系數(shù)儀提供0.9 r/min，12 r/min，30 r/min，50 r/min，90 r/min等多種轉(zhuǎn)速供操作人員選擇，以滿足不同的試驗要求。圖8是預(yù)加張力為0.064 cN/detx條件下，不同轉(zhuǎn)速下滌綸短纖維樣品動摩擦系數(shù)測試結(jié)果。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)測試結(jié)果

從圖8的測試結(jié)果中可以看出，當儀器轉(zhuǎn)速為0.9 r/min時，樣品的摩擦系數(shù)很大，接近靜摩擦系數(shù)(0.315 7)；當轉(zhuǎn)速為12 r/min時，樣品的動摩擦系數(shù)下降很快；隨著轉(zhuǎn)速的進一步提高，樣品的動摩擦系數(shù)有上升的趨勢。纖維在后道加工過程中不同工序設(shè)備的運轉(zhuǎn)速率不同，纖維與纖維、纖維與設(shè)備間摩擦系數(shù)也不同，如在常規(guī)紡紗工藝中開清棉、并條、粗紗等過程，運轉(zhuǎn)速度相對較慢，細紗過程則運轉(zhuǎn)速度很快，而一些新型紡紗工藝，紡紗速度很高，因此進行不同品種纖維摩擦系數(shù)測試，評價纖維的可紡性時可根據(jù)不同的后加工要求，選擇不同的摩擦輥轉(zhuǎn)速進行測試，在試驗結(jié)果中注明試驗條件，便于分析纖維在不同加工工序中的可紡性。

2.5 測試環(huán)境溫濕度對測試結(jié)果的影響

滌綸纖維上油的目的是為改善其抱合性、平滑性及抗靜電性能，提高纖維的可紡性。紡紗油劑在不同的溫濕度條件下對纖維摩擦性能的改善程度存在差異。在低濕條件下，油劑吸濕少，纖維的摩擦系數(shù)變高；在中濕條件下，油劑吸濕增多，纖維的摩擦系數(shù)下降；在高濕條件下，由于油劑吸濕發(fā)粘，纖維的摩擦系數(shù)可能會出現(xiàn)變大的趨勢。圖9是預(yù)加張力為0.064 cN/detx條件下，不同相對濕度對滌綸短纖維樣品的靜摩擦系數(shù)(μs F/F)、動摩擦系數(shù)(μd F/F)測試結(jié)果的影響。

圖9 纖維在不同相對濕度條件下摩擦系數(shù)測試結(jié)果

從圖9的測試結(jié)果中可以看出，隨著相對濕度的提高，樣品的動、靜摩擦系數(shù)有一個明顯的下降趨勢，相對濕度每提高10%，樣品的靜、動摩擦系數(shù)就有明顯的變化；在低濕條件下，樣品摩擦系數(shù)的變化趨勢更加明顯。因此，在測試過程中，要時刻關(guān)注環(huán)境溫濕度是否發(fā)生變化，保證環(huán)境相對濕度的波動不超過5%，才能得到準確、穩(wěn)定的測試結(jié)果。此外，不同地區(qū)、不同季節(jié)下紡紗廠的加工環(huán)境會發(fā)生變化，存在高溫高濕或低溫低濕的環(huán)境條件，不同條件下纖維的摩擦性能會發(fā)生變化，對纖維可紡性產(chǎn)生影響。因此進行纖維摩擦性能測試評價時可測試纖維在不同溫濕度條件下平衡處理后的摩擦系數(shù)，為指導(dǎo)用戶控制纖維的紡紗加工環(huán)境，改善纖維可紡性能提供參考。

3 結(jié) 論

a) 纖維測試輥的質(zhì)量對于測試結(jié)果的影響較大，制作測試輥所用纖維片質(zhì)量約80～90 mg為宜，且應(yīng)保證纖維輥上纖維排列整齊、厚薄均勻，不能有毛絲。

b) 對于生產(chǎn)穩(wěn)定、均勻性好的樣品，每個纖維測試輥測試5根纖維，共測試3～4個纖維輥即可達到試驗要求；對于均勻性差的樣品，需增加測試輥數(shù)及纖維測試根。纖維與金屬間摩擦系數(shù)需要至少測試20根樣品才能達到試驗要求。

c) 滌綸短纖維摩擦系數(shù)測試張力夾重量的選擇范圍較小且張力夾的重量對于測試結(jié)果影響較大，在測試時對于同一規(guī)格的纖維最好使用固定重量的張力夾，以保證測試結(jié)果的穩(wěn)定。

d) 測試輥轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)測試結(jié)果影響較大，測試纖維的摩擦系數(shù)測試評價其可紡性時，可根據(jù)纖維在后道加工過程中不同工序的評價要求，選擇不同的轉(zhuǎn)速進行測試，但必須在試驗報告中注明測試條件。

e) 環(huán)境溫濕度對于纖維摩擦系數(shù)測試結(jié)果影響較大，在測試過程中最好控制相對濕度波動在5%以下為宜；測試纖維在不同溫濕度條件下的摩擦性能，可以掌握纖維在不同溫濕度條件下的抱合性、平滑性等，為指導(dǎo)用戶控制纖維的紡紗加工環(huán)境，改善纖維可紡性能提供參考。

[1] 姜懷，鄔福麟，梁潔，等.紡織材料學(xué)[M]. 北京：中國紡織出版社，2003：252.

[2] 姚穆.紡織材料學(xué)[M]. 第3版. 北京：中國紡織出版社，2009：268.

[3] 翟建增.摩擦、摩擦系數(shù)與質(zhì)量管理(一)[J].棉紡織技術(shù)，1978，1(6)：39-42.

[4] 鄭幗，劉燕軍，徐進云，等.滌綸短纖維油劑及其摩擦性能[J].紡織學(xué)報，2005，26(3)：87.

[5] 國家標準局纖維檢驗局. 化學(xué)纖維檢驗技術(shù)[M]. 北京：國家標準局纖維檢驗局，1983，285-286.

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Analysis of the influence factors on fibers’ frictional coefficient test

Ji Xuan1，2，Han Chunyan1，2，Chen Yan1

(1.ResearchInstitudeofSinopecYizhengChemicalFibreCo.，Ltd.，YizhengJiangsu211900，China;2.JiangsuKeyLaboratoryofHighPerformanceFiber，YizhengJiangsu211900，China)

In this paper， polyester fiber samples were tested with Y151 frictional coefficient instrument， and influence factors on fibers’frictional coefficient result such as weight of fiber’ clip， number of test fibers，rotational speed of the roller， environmental temperature and humidity etc. were analyzed， the method of ensuring the test results’ accuracy， reliability and the using suggestion of instrument were presented.

polyester fiber；frictional coefficient；influence factors

2017-01-23

季軒(1989-)，江蘇儀征人，助理工程師，主要從事聚酯分析及應(yīng)用研究工作。

TQ340.7

B

1006-334X(2017)01-0056-06