孔繁榮，張琮珞，陳莉娜

(河南工程學院 紡織學院，河南 鄭州 450007)

滌綸產(chǎn)品的規(guī)模和產(chǎn)量長期以來一直居于我國化纖行業(yè)的榜首，隨著科技發(fā)展，通過物理或化學方法對滌綸纖維進行改性處理，可得到功能型產(chǎn)品，以滿足人們的不同需求。滌綸纖維在扭轉力矩作用下會產(chǎn)生扭轉變形和剪切應力[1]，扭轉程度越大，纖維受到的剪切應力也越大，最終造成結晶區(qū)破碎和無定形區(qū)中的大分子鏈斷裂。由于進行纖維扭轉疲勞實驗的儀器需要自制，并且實驗的難度較高，國內(nèi)外相關研究較少，B. C. Goswami等人[2，3]曾進行過聚乙烯、聚酯的扭轉疲勞研究，王寶根[4]以自制的扭轉疲勞實驗裝置對PBO纖維進行扭轉疲勞測試，徐衛(wèi)林、姚穆[5]對羊毛纖維的重復扭轉疲勞性能進行了研究，此外，劉曉艷等人[6，7]、董紅明和王善元[8]、封紅艷[9]也對高性能纖維的扭轉疲勞和機理進行了研究。目前已有文獻多集中在高性能纖維和羊毛纖維重復扭轉疲勞測試研究，而對纖維扭轉力學性能的變化卻涉及較少。因此，本文選擇廣泛應用的滌綸纖維作為研究對象，分析扭轉對其力學性能的影響。

1 滌綸纖維扭轉后性能的變化分析

1.1 纖維的扭轉實驗設計

已有文獻中多數(shù)以自制扭轉裝置進行扭轉疲勞性能的研究，大致可分為兩類：一是王寶根自制的實驗裝置[4]，二是自制單纖維扭轉疲勞實驗儀[5]。本實驗依照王寶根[4]自制實驗裝置的原理，選用Y331N型捻度儀進行扭轉實驗。實驗用材料為普通滌綸纖維：名義長度38 mm，名義細度1.56 dtex。

1.1.1試樣制備

如圖1所示，將要測定的試樣的兩端粘貼在黑紙片上(紙片兩端有白線作為試樣長度的標記)，然后剪下紙片，將試樣兩端與紙片一道夾在儀器上，測量前撕去紙片[10]。

圖1 纖維試樣制備

1.1.2滌綸纖維的單次扭轉極限

實驗條件：試樣長度30 mm；預加張力0.2 cN；試驗次數(shù)為20次；扭轉性能指標為扭斷轉數(shù)(即在預加張力下，纖維扭轉到斷裂時所需的轉數(shù))。

實驗方法：(1)將捻度儀設置為直接計數(shù)法，使得在纖維扭轉過程中可通過點動的方法進行扭轉，在纖維斷裂時停止扭轉；夾頭隔距調(diào)整為30 mm，同時調(diào)整儀器至工作狀態(tài)，如圖2所示。(2)將制備好的試樣夾持在捻度儀上，固定定位片，使得纖維在夾頭之間的張力盡可能保持穩(wěn)定，用美工刀裁掉中間多余的黑紙片。(3)啟動儀器，對纖維進行扭轉，期間注意觀察纖維的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)纖維臨近斷裂，及時停止扭轉，記錄扭斷的轉數(shù)并觀察纖維斷裂點的規(guī)律。

圖2 夾頭隔距圖

實驗過程中發(fā)現(xiàn)纖維的斷頭大多出現(xiàn)在金屬夾頭處，原因是所使用捻度儀上的張力錘最小為1 cN，因此在纖維末端施加1 cN預張力時導致出現(xiàn)實驗誤差，后經(jīng)改進選用0.2 cN的張力夾進行實驗，在夾頭之間固定定位片，使纖維預加張力盡可能的穩(wěn)定，并且撕掉多余紙片時在夾頭附近預留一小節(jié)紙片，以減少金屬夾頭對纖維扭轉的影響。經(jīng)過系列調(diào)整發(fā)現(xiàn)，普通滌綸纖維的斷裂點相對隨機，有時會在兩頭，有時會在中間的任意處。經(jīng)實驗得到滌綸纖維的單次扭斷轉數(shù)為548轉。

1.2 扭轉對滌綸纖維拉伸和彈性的影響

拉伸性能實驗條件：試樣長度30 mm；預加張力0.2 cN；試驗次數(shù)為50次。

拉伸彈性實驗條件：夾持距離20 mm；拉伸速度20 mm/min；預加張力值0.20 cN；循環(huán)次數(shù)1次；定伸長值10.0%；停頓時間30 s；回復時間30 s；負荷5 cN；試驗次數(shù)為50次。

實驗方法：在已知纖維單次扭斷轉數(shù)的前提下，計算纖維在不同程度(單次扭轉極限的30%、50%和70%)扭轉下所需要的轉數(shù)，在捻度儀上設置好轉數(shù)之后進行測試，這時進行扭轉的纖維不會被扭斷。實驗完成后將其從捻度儀上取下，需要注意的是取下纖維時要兩頭一起取下，以避免僅有一端取下時，纖維會自動退捻產(chǎn)生糾纏打結，影響到后續(xù)實驗。完成扭轉實驗后的試樣使用XQ-2纖維強力儀進行拉伸和彈性測試。

2 實驗結果與分析

2.1 纖維的拉伸性能

普通滌綸纖維的一次拉伸斷裂測試結果見表1。

表1 纖維的拉伸性能測試結果

由表1可知，滌綸纖維扭轉后的斷裂強度、初始模量和斷裂比功均有降低，且隨著扭轉程度的增加，三者的下降程度也越來越大，但斷裂伸長率卻隨著扭轉轉數(shù)的增加先減小后增加，特別是在70%的扭轉后的斷裂伸長率超過了未扭轉時的數(shù)值。由纖維拉伸斷裂機理可知，纖維中次價鍵的斷裂會使纖維變形比較顯著，主要表現(xiàn)為模量的減小和斷裂伸長率的增加，由此推測在扭轉過程中，除了分子間的鍵長鍵角發(fā)生了變化，部分分子鏈被拉斷之外，剪切力還使得纖維中部分次價鍵發(fā)生斷裂，另外纖維在扭轉70%之后發(fā)生了外觀上的扭結，在拉伸中扭結也有利于纖維的伸長，因此扭轉后的纖維的強度、初始模量與斷裂比功會下降，但是斷裂伸長率有可能變大。

2.2 纖維的拉伸彈性

普通滌綸纖維的拉伸彈性測試結果見表2。

表2 纖維拉伸彈性測試結果

纖維的變形回復能力是紡織品具有彈性的主要原因之一，因此滌綸纖維制品具有較好的尺寸穩(wěn)定性。由表2可知，滌綸纖維扭轉后進行拉伸彈性測試時，30%扭轉后的急彈性變形比未扭轉的要小， 50%扭轉后纖維的急彈性變形比未扭轉的大，70%扭轉后纖維的急彈性變形比未扭轉的??；在進行30%、50%和70%扭轉后，普通滌綸纖維的塑性變形均比未扭轉的小，緩彈性變形均比未扭轉的大。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的變化情況及彈性變形的原理可知，纖維在進行扭轉時，由于剪切應力的作用，大分子之間的鍵長鍵角發(fā)生變化，部分分子鏈被扭斷，使得纖維產(chǎn)生部分不可逆的變形，在已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形的纖維的基礎上進行拉伸彈性的測試，纖維的塑性變形相較于未扭轉時的纖維是減少的，而扭轉也使纖維的柔性變大，因此整體上纖維的彈性回復率有所增加。

3 結語

滌綸纖維在進行扭轉過后的斷裂強度、斷裂比功、初始模量與未扭轉纖維相比均有所減小，而斷裂伸長率沒有明顯規(guī)律；滌綸纖維在進行扭轉后，其彈性回復率、緩彈性變形均比未扭轉纖維的大，急彈性變形沒有明顯規(guī)律。