孔繁榮 康志陽 陳莉娜

(河南工程學(xué)院，河南鄭州,450007)

咖啡炭改性纖維是把廢棄的咖啡殘?jiān)?jīng)過1 000 ℃以上的高溫煅燒，形成納米級顆粒加入到紡絲液體中生產(chǎn)出來的，具有除臭環(huán)保、負(fù)離子發(fā)散、防紫外線等特性，尤其重要的是可以有效利用咖啡廢棄物。相關(guān)研究主要集中在相關(guān)纖維和紗線的結(jié)構(gòu)及常規(guī)物理性能方面[1-3]，以及織物的開發(fā)和性能方面[4-7]。纖維的性能對其加工和制品的影響較大，其中扭轉(zhuǎn)疲勞在自捻紗加工中會(huì)影響紗線的捻回[8]，還對織物的起毛起球有著重要的作用[9]。滌綸短纖維制品在使用中容易產(chǎn)生毛球，而目前纖維的扭轉(zhuǎn)疲勞研究多集中在羊毛和高性能纖維上[10-12]，因此本文選擇了幾種改性滌綸進(jìn)行纖維扭轉(zhuǎn)疲勞的測試研究。

1 利用紗線捻度儀進(jìn)行扭轉(zhuǎn)極限測試

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料共有5種，分別是咖啡炭改性滌綸(以下簡稱咖啡炭滌綸)、椰炭改性滌綸(以下簡稱椰炭滌綸)、竹炭改性滌綸(以下簡稱竹炭滌綸)、親水改性滌綸(以下簡稱親水滌綸)和普通滌綸，纖維名義細(xì)度和長度分別為1.65 dtex和38 mm。實(shí)測到的各材料基本規(guī)格和強(qiáng)伸性能見表1。

表1 纖維的基本規(guī)格

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

關(guān)于纖維的扭轉(zhuǎn)疲勞性能測試，并沒有統(tǒng)一的方法和儀器，本文先借助紗線捻度儀進(jìn)行纖維的扭轉(zhuǎn)極限測試，再進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞性能測試。纖維的扭轉(zhuǎn)極限測試，共分為兩個(gè)試驗(yàn)，一個(gè)是單向扭轉(zhuǎn)極限測試，另一個(gè)是重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限測試。采用Y331N+型紗線捻度儀進(jìn)行測試。

制作試驗(yàn)試樣：使用的纖維試樣直徑比較細(xì)，所以在夾持試樣前，先用透明膠帶將纖維兩端黏貼一下，方便把試樣夾持在捻度儀的夾頭上，處理后的試樣有效長度為30 mm。

設(shè)置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速：纖維與紗線比起來細(xì)度要小得多，所以試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速不宜設(shè)置太大，設(shè)置為800 r/min時(shí)，數(shù)據(jù)離散程度過大，設(shè)置為200 r/min則試驗(yàn)時(shí)間太長，綜合考慮后，設(shè)置轉(zhuǎn)速為400 r/min；纖維預(yù)加張力為0.15 cN/dtex，測試次數(shù)50次。

單向扭轉(zhuǎn)極限測試：將處理后的試樣夾持在捻度儀上。設(shè)置捻向?yàn)閆捻或S捻，啟動(dòng)捻度儀，纖維轉(zhuǎn)動(dòng)至纖維斷裂，停止機(jī)器，記錄下斷裂時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限測試：將試樣夾持在紗線捻度儀上；先設(shè)置捻度儀的捻向?yàn)閆捻，讓纖維轉(zhuǎn)動(dòng)170 r，然后設(shè)置捻度儀為S捻，讓纖維轉(zhuǎn)動(dòng)170 r，此為一個(gè)周期。為了保證纖維在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)正反方向均勻扭轉(zhuǎn)，在進(jìn)行第一個(gè)周期時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)只進(jìn)行半數(shù)，即在Z捻方向纖維轉(zhuǎn)動(dòng)85 r，然后在S捻方向纖維轉(zhuǎn)動(dòng)85 r，而后才按照170 r轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的選擇，是在進(jìn)行完單向扭轉(zhuǎn)極限測試后，分別取極限值最小纖維的1/4、1/3、1/2后分析，當(dāng)取值太小時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間過長，參考相關(guān)文獻(xiàn)后取170 r時(shí)最佳，這樣的取值不至于試驗(yàn)時(shí)間過長，又能在一定程度上保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1.3 結(jié)果與分析

5種纖維的單向扭轉(zhuǎn)極限試驗(yàn)結(jié)果見表2，重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 單向扭轉(zhuǎn)極限結(jié)果

表3 重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限結(jié)果

從表1中可以看出，5種纖維中，普通滌綸的拉伸性能比較好，親水滌綸次之，咖啡炭滌綸、椰炭滌綸和竹炭滌綸的拉伸性能沒有太大差異。從表2可以看出，普通滌綸在單向扭轉(zhuǎn)極限測試中，扭轉(zhuǎn)至斷裂所需轉(zhuǎn)動(dòng)的平均圈數(shù)最大，3種含碳類滌綸相差不大，親水滌綸介于兩者之間?？Х忍繙炀]、椰炭滌綸、竹炭滌綸在生產(chǎn)工藝上有類似性，都是將高溫處理得到的碳顆粒加入滌綸紡絲液中紡制而得，在加入這些顆粒時(shí)，可能會(huì)影響纖維中大分子之間的結(jié)合，從而影響纖維的力學(xué)性質(zhì)；親水滌綸中親水性基團(tuán)的加入在提高纖維吸濕的同時(shí)也降低了纖維的力學(xué)性質(zhì)，因此可以認(rèn)為4種改性滌綸的拉伸性能和單向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果呈正相關(guān)性。

從表2中可以看出，碳顆粒摻雜滌綸的扭轉(zhuǎn)極限比普通滌綸弱。在設(shè)置為Z捻情況下得到的扭轉(zhuǎn)極限都略大于S捻，說明本測試條件下旋轉(zhuǎn)方向不同對測試結(jié)果具有影響，究竟是纖維結(jié)構(gòu)還是儀器狀態(tài)原因暫不做測試分析。

從表3中可以看出，普通滌綸的重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限性能是5種纖維中最好的，3種含碳類纖維相差不大，而親水滌綸介于兩者之間，這和單向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時(shí)得到的結(jié)論一致。纖維在重復(fù)扭轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)周期都是正轉(zhuǎn)170 r，反轉(zhuǎn)170 r，這個(gè)數(shù)值超過了3種含碳類纖維單向扭轉(zhuǎn)極限的一半，是親水滌綸單向扭轉(zhuǎn)極限的一半，不足普通滌綸單向扭轉(zhuǎn)極限的一半，三者在每一個(gè)周期進(jìn)行中，扭轉(zhuǎn)損傷不同，含碳類纖維損傷最大，普通滌綸最小，經(jīng)過多個(gè)周期的積累，含碳類滌綸最易發(fā)生破壞。

把重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限周期統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成斷裂轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)=[170+(周期數(shù)-1)×340]?？Х忍繙炀]、椰炭滌綸、竹炭滌綸、親水滌綸、普通滌綸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)依次是6 970 r、7 004 r、7 106 r、8 024 r、12 138 r。把結(jié)果與單向扭轉(zhuǎn)極限結(jié)果對比時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，抗破壞能力強(qiáng)弱具有相似性。

2 使用扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)儀的制作[13]，并采用其進(jìn)行纖維扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。

2.1 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方法

夾持長度如圖1所示。在纖維進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的過程中，螺旋角(捻角)θ會(huì)隨著纖維變形角度的增加而增大。

設(shè)纖維的直徑為d，則有：

(1)

式中：θ為捻角(°)；d為纖維直徑(μm)；φ為纖維截面的扭轉(zhuǎn)角(°)；L為夾持纖維的長度(mm)。

當(dāng)夾持長度為L的纖維共扭轉(zhuǎn)n次時(shí)，可以得到：

(2)

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)纖維發(fā)生扭轉(zhuǎn)，纖維的扭轉(zhuǎn)次數(shù)可以由電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)獲得，當(dāng)捻角θ及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)一定時(shí)，測出每根纖維的直徑d，即可算出該根纖維的夾持長度L。

L=πdn×cotθ×10-3

(3)

咖啡炭滌綸、椰炭滌綸、竹炭滌綸、親水滌綸、普通滌綸在試驗(yàn)時(shí)的夾持長度：捻角為10°時(shí)，依次為19.2 mm、18.8 mm、18.3 mm、18.3 mm、18.6 mm；捻角為20°時(shí)，依次為9.3 mm、9.1 mm、8.9 mm、8.9 mm、9.0 mm；捻角為30°時(shí)，依次為5.9 mm、5.8 mm、5.6 mm、5.6 mm、5.7 mm。

夾持纖維：將纖維夾持在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)儀上，因?yàn)楦骼w維的強(qiáng)力比較好，先進(jìn)行張力選擇試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)張力過小時(shí)試驗(yàn)時(shí)間太長，過大時(shí)纖維容易斷裂，所以預(yù)加張力選擇的是1.2 cN/dtex、1.6 cN/dtex、2.0 cN/dtex。

設(shè)置參數(shù)：因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的限制，只能進(jìn)行計(jì)時(shí)，所以設(shè)置正轉(zhuǎn)時(shí)間為56.6 s，反轉(zhuǎn)時(shí)間為56.6 s，轉(zhuǎn)速為180 r/min，即儀器會(huì)正轉(zhuǎn)170 r，然后再反轉(zhuǎn)170 r，為保證扭轉(zhuǎn)均勻，第一次時(shí)正轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)置為28.3 s，反轉(zhuǎn)時(shí)間為28.3 s，即正轉(zhuǎn)85 r，反轉(zhuǎn)85 r。

試樣：啟動(dòng)儀器，等到纖維斷裂，張力夾落下時(shí)，停止機(jī)器，記錄下轉(zhuǎn)動(dòng)的周期。

2.2 結(jié)果及分析

扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，普通滌綸的扭轉(zhuǎn)疲勞性能是最好的，其次是親水滌綸，咖啡炭滌綸、椰炭滌綸、竹炭滌綸的扭轉(zhuǎn)疲勞性能并沒有多大差距，這一點(diǎn)與用紗線捻度儀做單向扭轉(zhuǎn)極限測試和重復(fù)扭轉(zhuǎn)極限測試所得結(jié)論相同。

隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加，纖維斷裂時(shí)的重復(fù)周期數(shù)逐漸減少，這反映了纖維的扭轉(zhuǎn)疲勞性能隨著扭轉(zhuǎn)角的增加而逐漸變差，原因是隨著角度的增加，纖維扭轉(zhuǎn)更加劇烈，加劇了纖維的損傷，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)疲勞性能的下降。

隨著預(yù)加張力的增大，纖維斷裂時(shí)的重復(fù)周期數(shù)逐漸減少，說明纖維的扭轉(zhuǎn)疲勞性能變差，預(yù)加張力的增加，導(dǎo)致纖維在扭轉(zhuǎn)測試時(shí)，受到了更強(qiáng)力的作用，加劇了疲勞的積累，所以扭轉(zhuǎn)疲勞性能才會(huì)減弱。

表4 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過對幾種改性滌綸扭轉(zhuǎn)疲勞性能的對比測試可以看出：抗扭破壞和扭轉(zhuǎn)疲勞性能的表現(xiàn)規(guī)律與普通滌綸規(guī)律一致，且均弱于普通滌綸。紗線捻度儀法和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)儀法的對比表明,雖然各纖維在結(jié)構(gòu)、條件方式上有所不同，但測試結(jié)果的規(guī)律表現(xiàn)具有一致性。對滌綸進(jìn)行改性會(huì)降低纖維的力學(xué)性能，進(jìn)而影響纖維的扭轉(zhuǎn)性能，因此在其生產(chǎn)及后續(xù)產(chǎn)品加工中，必須對此進(jìn)行注意。