文/周 雪 黃新林 紀 峰

柔性的紡織纖維材料在各種加工過程中以及其制成品在使用過程中都會因外力作用產(chǎn)生彎曲變形。纖維的抗彎性能直接或間接地影響纖維制品的性能和品質(zhì)，如服裝的懸垂風格及穿著合體舒適性、靠墊的回彈性、不同纖維毛刷的柔軟度和清潔能力等。滌綸是目前世界上產(chǎn)量最大的合成纖維，廣泛應用于服裝、家紡及工業(yè)用纖維制品，如毛刷、印刷絲網(wǎng)、過濾材料等，其單絲的抗彎性能嚴重影響甚至決定了相應產(chǎn)品的品質(zhì)，因此，如何精確測量滌綸單纖維的抗彎性能尤其成為關注的重點。

當前文獻中，評價纖維抗彎性能主要用彎曲剛度和纖維抗彎力作為指標。測量彎曲剛度的方法有三點彎曲法、心形法、懸臂梁法和線圈掛重法等。三點彎曲法測試原理如圖1(a)所示，固定試樣兩端，在試樣中部施加載荷力，彎曲剛度可由試樣長度、試樣變形程度及載荷力計算，該方法主要用于測量硬質(zhì)材料的彎曲剛度，不適合測試柔性纖維材料的彎曲剛度；心形法測試原理如圖1(b)所示，將纖維圈呈心形夾持在夾頭中，以心形的面積表示其彎曲剛度，該方法多用于測量織物材料的抗彎剛度，對于纖細柔軟的纖維制樣困難，不適合測纖維彎曲；懸臂梁法測試原理如圖1(c)所示，試樣一端固定，因試樣自重或外加載荷而發(fā)生彎曲，通過載荷大小及自由端的撓度計算彎曲剛度，該方法一般適用于硬挺度大的材料，不適合測柔軟的纖維材料；線圈掛重法測試原理如圖1(d)所示，通過外加載荷下線圈的變形來研究試樣的彎曲剛度，該方法一般適用于剛度大的長絲的測量。

圖1 彎曲剛度的測試方法

上海中晨數(shù)字設備有限公司研制了單端固定式單纖維壓縮彎曲儀，如圖2所示。纖維豎直放置，下端由夾持器固定，上端為自由端。測試時，夾持器握持纖維上移，纖維上端刺入測試盤的微坑中發(fā)生彎曲，傳感器與測試盤相連，感應纖維軸向的張力。但纖維自由端在微坑中仍會發(fā)生滑移，彎曲發(fā)生時，纖維對測試盤的壓力方向隨纖維所觸微坑方向變化而改變，導致纖維彎曲過程不可控，試驗可重復性較差。東華大學提出了測量束纖維的壓縮力來表征纖維柔軟性的方法措施，如圖3所示。將5～25根單纖維構成的纖維束彎成環(huán)狀兩端夾持在模具中，對束纖維中部施加壓力，以試樣的抗壓力表征纖維的柔軟性。但多根纖維同時測量，只能得到束纖維的總體抗彎性，無法得到單根纖維的抗彎測試數(shù)據(jù)。

圖2 單端固定式單纖維彎曲測試

圖3 束纖維壓縮力測試

為了研究和表征纖維材料的抗彎性能，獲得準確、可靠的測試結果，本文提出了雙端固定式軸向壓彎試驗方法測量單纖維的抗彎性能，并依據(jù)該方法開發(fā)了單纖維彎曲儀。以纖維材料的最大抗彎力為指標，測量滌綸單纖維的抗彎性能，研究方法的可行性及測試穩(wěn)定性。在此基礎上，分析影響滌綸單纖維抗彎性能的主要因素。

1 雙端固定式軸向壓彎法

1.1 試驗原理

圖4顯示雙端固定式軸向壓彎法測量單纖維抗彎性能的試驗原理。取50mm～70mm的纖維試樣，纖維豎直放置，上下兩端分別由上、下夾持器所夾持，在下夾持器閉合前，由定重張力夾確保纖維處于伸直但不伸長的狀態(tài)。裝置中的上夾持器位置固定不動，并與測力傳感器相連，可實時獲取纖維軸向的應力大小及纖維抗彎力。下夾持器與傳動機構相連，在步進電機驅(qū)動下可在豎直方向上勻速移動。單纖維抗彎測試中，下夾持器首先以設定的速度勻速上升，纖維受到軸向壓彎力，隨著下夾持器上升位移逐漸增加，纖維在軸向上被壓縮至發(fā)生彎曲，且彎曲變形逐步增大。

圖4 雙端固定式軸向壓彎法測試原理

測試過程中，與上夾持器相連的力傳感器及信號處理器裝置實時測量纖維軸向的應力變化，傳輸至電腦，并繪制纖維抗彎力隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 單纖維抗彎測試試驗曲線

單纖維抗彎試驗曲線橫坐標為下夾持器上升的時間（單位:s），也可由速度換算為下夾持器上升的位移量（單位:mm），縱坐標為纖維試樣的實時抗彎力大小（單位:10cN）。

t

：纖維由上、下夾持器握持，處于伸直不伸長的狀態(tài)，對應纖維形態(tài)如圖4(a)所示。

t

：纖維受到逐漸增大的軸向壓力，產(chǎn)生軸向壓縮應力并迅速增大，對應纖維形態(tài)如圖4(b)所示。

t

：下夾持器繼續(xù)勻速上升，纖維在

t

時刻開始發(fā)生彎曲，對應纖維形態(tài)如圖4(c)所示，此階段中，隨著纖維彎曲變形的增加，纖維抗彎力緩慢增大，增幅變緩。

t

：如圖4(d)所示，此時的纖維抗彎力達到最大值，此后，隨著纖維彎曲變形繼續(xù)增加，纖維抗彎力緩慢減小。

t

：纖維彎曲變形顯著，如圖4(e)所示。

從單纖維抗彎試驗曲線總體趨勢來看，纖維在受到軸向壓力發(fā)生彎曲后，抗彎力首先逐漸增大，在達到峰值后再緩慢減小。整個抗彎測試過程中，抗彎試驗曲線的峰值，即傳感器測量得到的最大抗彎力(單位：10cN），代表纖維抵抗彎曲變形的能力，因此被用作表征纖維抗彎性能的指標。

1.2 測試儀器

雙端固定式軸向壓彎法單纖維彎曲測試儀整體設備如圖6所示。儀器由主機與計算機控制系統(tǒng)兩部分組成，兩者由多芯電纜相連。在纖維抗彎性能測試過程中，纖維抗彎力信息傳輸并保存至計算機，在顯示屏上實時顯示抗彎力曲線變化，測試結束后顯示纖維試樣的最大抗彎力值。

圖6 雙端固定式軸向壓彎法抗彎力測試儀

儀器操作步驟如下：

對儀器進行調(diào)零、校準，取下校準砝碼，計算機顯示張力數(shù)值歸零；用鑷子將纖維試樣引至上下夾持器6、7鉗口中間部位，纖維下端夾持定重張力夾使其伸直；按下自動按鈕9或上夾按鈕5使上夾持器6閉合；稍等試樣穩(wěn)定后再次按下自動按鈕9或下夾按鈕8，下夾持器7閉合；取下張力夾，按啟動按鈕11，下夾持器7開始以設定速度上升，傳感器實時測量纖維試樣的軸向張力變化并傳輸至計算機。當下夾持器7達到預設的位移量后，下夾持器7停止向上移動，上、下夾持器6、7鉗口自動打開，下夾持器7返回至初始位置，一次單纖維抗彎試驗完成。

2 試驗

2.1 試驗樣品

選取線密度不同的7種滌綸長絲樣品，進行抗彎性能測試，試樣線密度如表1所示。滌綸長絲線密度的單位為tex，表示1000m長的纖維在公定回潮率時的質(zhì)量克數(shù)。

表1 滌綸樣品線密度

2.2 試驗參數(shù)設置

隨機取樣，取不同線密度滌綸長絲樣品各10m，末端掛上30g砝碼，在標準大氣環(huán)境中垂直懸掛24h，消除滌綸長絲因儲存或運輸產(chǎn)生的彎曲，使長絲伸直。

從上述各類型滌綸長絲樣品中分別隨機抽取90根纖維試樣進行抗彎性能測試，試樣長度為60mm。試驗參數(shù)如表2所示。其中，試樣夾持隔距為10mm，試樣夾持隔距是指測試開始前上下夾持器之間的距離，是滌綸試樣實際參與試驗的長度。用鑷子將纖維試樣引至夾持器上時，纖維下端夾持定重張力夾使其伸直但不伸長，1滌綸試樣選取1.00cN的定重張力夾, 2、3和4滌綸試樣選取1.35cN的定重張力夾, 5、6和7滌綸試樣選取2.00cN的定重張力夾。

表2 試驗參數(shù)

使用雙端固定式單纖維抗彎測試儀對上述滌綸試樣進行測試，監(jiān)測纖維彎曲過程中的抗彎力變化情況，記錄試樣的最大抗彎力。對每一種滌綸試樣，計算各次試驗的最大抗彎力的平均值及變異系數(shù)，分析測試結果的穩(wěn)定性；在此基礎上，分析滌綸單纖維的線密度對其抗彎性能的影響效果。

3 結果與分析

3.1 測量結果的穩(wěn)定性

7種不同線密度的滌綸長絲樣品，每份試樣測量90次，計算最大抗彎力的平均值和變異系數(shù)，結果如表3所示。

表3 抗彎性能測試結果

從表3中的變異系數(shù)大小可看出，除最細的1.78tex滌綸試樣外，其他試樣的最大抗彎力變異系數(shù)都在20%以內(nèi)。2.67tex及以上線密度的滌綸抗彎測試變異系數(shù)均小于15%，3.33tex及以上線密度的滌綸抗彎測試變異系數(shù)均小于10%，16.67tex滌綸的抗彎測試變異系數(shù)則低至0.3%。

采用雙端固定式軸向壓彎法測量纖維的抗彎力，纖維兩端同時受到夾持，測試中，纖維的彎曲過程可控，確保了測量過程的可重復性。結果表明，該方法能夠獲得穩(wěn)定、可靠的測量數(shù)據(jù)。同線密度的滌綸纖維間結構差異性小，也令其力學性能的測試結果離散度小。

但對于低線密度的滌綸纖維，如1試樣，纖維由于生產(chǎn)過程中的拉伸固化等工序更易造成結構不勻甚至弱節(jié)，并在細小的截面中表現(xiàn)出來，令彎曲性能測量數(shù)據(jù)離散大。

從表3中同時可以看到，隨著滌綸纖維線密度的增加，最大抗彎力測量值也呈增加趨勢，初步證明，纖維最大抗彎力與線密度有顯著的正相關關系。

3.2 滌綸纖維線密度對抗彎性能的影響

為了更直觀地反映測試結果，對上述7種滌綸試樣作最大抗彎力柱狀圖，如圖7所示。為使不同粗細的纖維在抗彎性測量時能夠進行比較，對各試樣計算標準化的最大抗彎力(單位:10cN/tex)，即最大抗彎力與線密度之比，得到數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 不同線密度滌綸的抗彎性能

從圖7可以看出，當線密度較?。ā?.44tex）時，纖維抗彎力與其線密度數(shù)據(jù)近似為線性關系，但隨著線密度繼續(xù)增加至4.44tex以上，纖維的抗彎力增幅迅速增大，呈現(xiàn)非線性增長。

為了更加清晰地體現(xiàn)纖維抗彎力與其線密度的關系，選用冪函數(shù)、一元二次函數(shù)及一元三次函數(shù)對表3中的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，擬合過程采用origin軟件實現(xiàn)，得到擬合程度較好的曲線如圖8所示。對應的擬合方程如表4所示。

圖8 滌綸最大抗彎力-線密度擬合曲線

表4 滌綸最大抗彎力-線密度擬合方程

表4中，

X

表示滌綸線密度（單位：tex），

Y

表示滌綸抵抗彎曲變形時的最大抗彎力（單位：10cN）；

R

代表相關系數(shù)，其數(shù)值越接近1，則表示變量

X

對

Y

值的解釋能力越強，說明曲線擬合效果越好。由圖8和表4可看出，冪函數(shù)擬合方程、二次曲線擬合方程、三次曲線擬合方程的

R

均大于0.999，擬合方程對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的擬合效果均不錯。其中，三次曲線擬合的

R

最大，擬合效果最好，但其方程式中三次項的系數(shù)很小，因此該項式對

Y

值的影響也很小，可以將其忽略。同時考慮了方程計算的方便性和實用性，可以選擇二次曲線擬合方程作為滌綸纖維最大抗彎力-線密度的經(jīng)驗回歸方程。

滌綸最大抗彎力-線密度經(jīng)驗回歸方程的意義之一在于，可以通過對單纖維的線密度測量，來大致預測該纖維的最大抗彎力，為產(chǎn)品研發(fā)和實際應用提供指導和依據(jù)。

4 結論

（1）本文介紹了雙端固定式軸向壓彎試驗方法測量單纖維抗彎性能的工作原理，分析了采用此方法獲取的纖維抗彎試驗曲線的形態(tài)特征和基本變化趨勢，提出以最大抗彎力作為表征纖維抗彎性能的重要指標。

（2）將雙端固定式軸向壓彎法應用于測量滌綸單纖維的抗彎性能，對于2.67tex及以上線密度的滌綸纖維，得到的最大抗彎力變異系數(shù)均小于15%，使用雙端固定式軸向壓彎法測試單纖維的抗彎性能，表明該方法實施過程合理可行，并且數(shù)據(jù)可靠、測試結果可重復性好。

（3）從滌綸單纖維的抗彎性測試結果中同時發(fā)現(xiàn)，滌綸單纖維的最大抗彎力與其線密度成顯著的非線性正相關關系。采用數(shù)值擬合方法對滌綸單纖維的最大抗彎力-線密度經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，初步建立了滌綸單纖維線密度

X

與最大抗彎力

Y

的一元二次回歸方程，從而可對普通滌綸絲的抗彎性能進行合理有效的預測。