1. 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院， 上海 200233；2. 東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620

與機(jī)織物不同，非織造布不是通過經(jīng)、緯紗線相互交織而形成的，而是由短纖或長絲按一定方向或隨機(jī)排列形成纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)機(jī)械作用、熱黏合或化學(xué)反應(yīng)等方法加固而形成的。

拉伸斷裂強(qiáng)力[1]是指試樣在拉伸試驗(yàn)中被拉伸至斷裂時(shí)所測(cè)得的的最大力值。其是評(píng)定非織造布內(nèi)在質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也常用于評(píng)定非織造布經(jīng)日曬、洗滌、磨損以及各種后整理后內(nèi)在的質(zhì)量變化情況。條樣法是最簡(jiǎn)單且最常用的織物拉伸性能測(cè)試方法。

通常，非織造布的斷裂強(qiáng)力越高，其品質(zhì)越好、強(qiáng)度越優(yōu)異。因此，準(zhǔn)確分析斷裂強(qiáng)力測(cè)量的不確定度，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試中需要注意的因素有一定的指導(dǎo)作用。正確理解并合理評(píng)估測(cè)試結(jié)果的不確定度是非常重要的[2]。本文探討非織造布斷裂強(qiáng)力測(cè)量不確定度的主要來源及評(píng)定方法，運(yùn)用不確定度的相關(guān)理論得出斷裂強(qiáng)力測(cè)量的合成不確定度，最后分析得出斷裂強(qiáng)力測(cè)量的擴(kuò)展不確定度。

1 測(cè)試原理和方法

1.1 原理

根據(jù)GB/T 24218.3—2010，將規(guī)定尺寸的試樣垂直地夾持在強(qiáng)力機(jī)夾持器的中心，啟動(dòng)儀器，沿著試樣長度方向施加使試樣產(chǎn)生等速伸長的力，拉伸直至試樣斷脫，記錄相比時(shí)織物的斷裂強(qiáng)力值。試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 試樣與儀器

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±4)%的環(huán)境下對(duì)試樣進(jìn)行調(diào)濕平衡。按照文獻(xiàn)[4]分別沿機(jī)器輸出方向(縱向)和布匹幅寬方向(橫向)各裁取5塊試樣。要求所裁取試樣的邊沿距離布邊至少100.0 mm，并且沿試樣的縱向和橫向均勻分布。試樣寬度為(50.0±0.5)mm，長度應(yīng)滿足名義夾持距離200.0 mm，本試驗(yàn)規(guī)定試樣長度為(300.0±1.0)mm。采用英斯特朗(INSTRON)5567型強(qiáng)力機(jī)(圖2)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖2 英斯特朗5567型強(qiáng)力機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在文獻(xiàn)[3]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中進(jìn)行。使用英斯特朗5567型強(qiáng)力機(jī)，調(diào)試至等速伸長(Constant Rate Extension， CRE)拉伸模式下進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)定拉伸試驗(yàn)隔距為(200.0±1.0)mm，拉伸速度為100 mm/min。將試樣夾持在夾持器的中心位置，保證夾口線和拉力線相互垂直。然后啟動(dòng)儀器，拉伸至試樣斷裂為止，記錄斷裂強(qiáng)力的峰值。計(jì)算5塊試樣的斷裂強(qiáng)力均值并修約至0.1 N。

2 測(cè)量不確定度評(píng)定模型

測(cè)量不確定度的評(píng)定模型[5]為

Y=X+ΔX

(1)

式中：Y——斷裂強(qiáng)力的測(cè)量值；

X——斷裂強(qiáng)力平均值；

ΔX——斷裂強(qiáng)力修正值。

3 測(cè)量不確定度的來源及分析

不確定度的評(píng)定方法包括A類和B類評(píng)定法[6]。A類評(píng)定法指的是在規(guī)定測(cè)量條件下用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理的一種評(píng)定方法，測(cè)試過程中試樣的不確定度由隨機(jī)效應(yīng)所產(chǎn)生，如樣品均勻性、織物調(diào)濕及均勻性、樣品夾持狀態(tài)等產(chǎn)生的不確定度；B類評(píng)定法是指在規(guī)定測(cè)量條件下用非統(tǒng)計(jì)方法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理的一種評(píng)定方法，測(cè)試過程中試樣的不確定度由系統(tǒng)效應(yīng)產(chǎn)生，如儀器校準(zhǔn)、數(shù)值修約等產(chǎn)生的不確定度。

3.1 隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度

3.1.1 試樣的均勻性

纖維的線密度、卷曲度、表面性狀，纖維原料是否均勻喂入，以及非織造布加工工藝的分散性均會(huì)導(dǎo)致不同試樣斷裂強(qiáng)力的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)差異。測(cè)試非織造布的斷裂強(qiáng)力時(shí)，試樣最后將被破壞掉，考慮到成本，試樣的數(shù)量不可能很大，因此條樣法測(cè)試只能有一定的樣本量，故這種方法的不確定度是由試樣的代表性所導(dǎo)致的。為避免選擇布邊批次的試樣，需要從試樣中間選擇裁取試樣，以提高試樣的均勻性。

3.1.2 測(cè)量中的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致的不確定度

量具直尺的精確度不佳：由測(cè)量試樣寬度的鋼直尺的誤差所導(dǎo)致的不確定度。

調(diào)濕平衡時(shí)間：吸濕對(duì)紡織材料的斷裂強(qiáng)力有明顯的影響，由于不同紡織材料(如麻織物和黏膠織物)的及濕性能不同，調(diào)濕時(shí)間或濕度的波動(dòng)偏差將導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力的值出現(xiàn)波動(dòng)。

夾持狀態(tài)不理想：按標(biāo)準(zhǔn)要求夾口方向應(yīng)與拉伸線保持垂直，但在實(shí)際操作中，由于非織造布的結(jié)構(gòu)較為特殊，難以達(dá)到理想的夾持狀態(tài)，從而導(dǎo)致不確定度。

拉伸速度不勻：在測(cè)試過程中，拉伸速度的不均勻使得強(qiáng)力值在轉(zhuǎn)換過程中不能完全傳達(dá)到儀器中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失真，從而產(chǎn)生不確定度。

3.2 系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度

儀器的靈敏性不佳和測(cè)量結(jié)果修約的規(guī)則不一致都會(huì)產(chǎn)生誤差。

不確定度的主要來源如圖3所示。

圖3 非織造布斷裂強(qiáng)力測(cè)量不確定度來源

4 測(cè)量不確定度的評(píng)定

4.1 試樣不均勻性引入的不確定度u1

試樣縱、橫向斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果見表1和表2。

表1 非織造布的縱向斷裂強(qiáng)力

表2 非織造布的橫向斷裂強(qiáng)力

通過多次測(cè)量得到結(jié)果，用平均值的標(biāo)準(zhǔn)差表示由隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度，即應(yīng)用貝塞爾公式[7]計(jì)算斷裂強(qiáng)力的標(biāo)準(zhǔn)差，按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：xi——單次測(cè)試結(jié)果；

n——試驗(yàn)次數(shù)。

非織造布縱、橫向斷裂強(qiáng)力的標(biāo)準(zhǔn)差分別為

4.2 器具精確性引入的不確定度u2

樣品寬度測(cè)量的不確定度主要來源為鋼直尺的最大允許誤差和分辨率。

(1) 根據(jù)鋼直尺說明使用書，測(cè)試所用鋼直尺的最大允許誤差為±1.0 mm，按均勻分布計(jì)算，則其不確定度分量u21為

(2) 根據(jù)鋼直尺說明使用書，鋼直尺的分辨率為0.5 mm，按均勻分布計(jì)算，則其不確定度分量u22為

(3) 合成質(zhì)量校準(zhǔn)引入的不確定度u2為

4.3 儀器基本誤差引入的不確定度u3

儀器示值的準(zhǔn)確性是由儀器跟蹤應(yīng)力的靈敏度和模量轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性所導(dǎo)致的示值誤差，根據(jù)INSTRON 5567型強(qiáng)力機(jī)的使用說明書，示值相對(duì)誤差限定為0.5%，按照矩形分布，k=3[8]。

縱向：u3=uz=90.3×0.002 89=0.261 (N)

橫向：u3=uh=64.3×0.002 89=0.186 (N)

4.4 數(shù)值修約引入的不確定度u4

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，電子裝置計(jì)算的平均斷裂強(qiáng)力應(yīng)精確至0.100 N。

5 合成不確定度

分別測(cè)試相對(duì)不確定度分量，各分量彼此獨(dú)立，因此

2.305 (N)

2.566 (N)

6 擴(kuò)展不確定度

包含因子是為求得擴(kuò)展不確定度所乘的數(shù)字因子。包含因子根據(jù)擴(kuò)展不確定度的置信水平確定。由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以一個(gè)倍數(shù)，得到擴(kuò)展不確定度。

若沒有特殊要求，一般取包含因子k=2[9]，置信概率P=95%，則

縱向：Uz=ucz×2=4.608≈4.700 (N)

橫向：Uh=uch×2=5.114≈5.100 (N)

7 結(jié)論

測(cè)試分量對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)度及分析總結(jié)如下：

(1) 非織造布縱向斷裂強(qiáng)力為(90.300±4.700)N，橫向斷裂強(qiáng)力為(64.300±5.100)N，取包含因子k=2，置信概率近似95%。

(2) 從非織造布的斷裂強(qiáng)力的不確定度貢獻(xiàn)可以看出，儀器基本誤差引入的不確定度u3和數(shù)值修約引入的不確定度u4可以忽略，試樣不均勻引入的不確定度u1和器具精確性引入的不確定度u2為主要因素。

(3) 隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，重復(fù)性在不確定度中貢獻(xiàn)度逐漸減小，并趨近于某個(gè)固定值。