短化纤夹距与拉伸性能关系的研究

邓凤玲 , 杨 梅 , 杜旭宜

(1. 广州纺织服装研究院有限公司， 广东 广州 510663；2. 广州市无纺布产品质量检验中心， 广东 广州 510663)

短化纤夹距与拉伸性能关系的研究

邓凤玲1,2, 杨 梅1,2, 杜旭宜1

(1. 广州纺织服装研究院有限公司， 广东 广州 510663；2. 广州市无纺布产品质量检验中心， 广东 广州 510663)

根据《GB/T 14337-2008 化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》， 重点分析夹持距离对聚乙烯醇、 丙纶及腈纶纤维伸长率、 断裂强力、 抗拉强度及弹性模量的影响。结果表明： 夹距对短化纤的断裂强力和抗拉伸强度没有明显的影响， 而夹距越大， 短化纤的断裂伸长率越小， 初始弹性模量越大。

化学短纤维； 夹距； 伸长率； 弹性模量

利用合成纤维作为增强添加材料掺入到水泥混凝土、 砂浆、 沥青中， 已在道路施工中广泛应用。聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维具有耐酸、 耐碱、 耐磨、 耐水解的特性， 且具极高的化学稳定性， 比较适合混凝土/砂浆工程的防裂抗裂和增韧； 聚丙烯腈纤维具有高强度、 高模量， 较好的热稳定性， 掺入到沥青路面能明显提高沥青路面的抗压强度和抗劈裂强度、 改善高温稳定性、 低温抗裂性、 疲劳耐久性。

目前， 国内应用于工程方面的合成纤维的要求有一系列国家标准和行业标准， 主要有《JT/T 525-2004公路水泥混凝土纤维材料_》、 《JT/T 534-2004聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》、 《GB/T 21120-2007水泥混凝土和砂浆用合成纤维》、 《TB/T 2965-2011铁路混凝土桥面防水层技术条件》、 (CECS 38-2004)《纤维混凝土结构技术规程》， 各标准中对所使用的合成纤维的性能都有指标要求， 但是在测试方法上各不相同。有标准采用的是《GB/T3916-1997纺织品卷装纱单根纱线断裂强力和纱线伸长率的测定》[1]， 但此方法夹距长(250 mm或500 mm)， 一方面纤维比较细， 不适合较长的夹持距离， 且在实际使用中的纤维长度较短， 如掺和在沥青路面用聚合物纤维长度约为6 mm或12 mm， 掺和在水泥混凝土、 砂浆中的合成纤维一般长度为19 mm或12 mm； 另一方面， 合成纤维的力值一般情况下在几厘牛到几十厘牛， 量程较大的仪器不适合， 只有专用的纤维强力测定仪比较适用。本文根据《GB/T 14337-2008 化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》[2]， 重点分析夹持距离对纤维伸长率、 抗拉强度、 伸长率及弹性模量的影响。

1 试验部分

1.1材料

1.826 dtex聚乙烯醇， 5.742 dtex丙纶， 1.470 dtex腈纶， 纤维相对密度分别为： 1.29 g/cm3、 0.91 g/cm3、 1.18 g/cm3(由深圳市维特耐工程材料有限公司提供)。

1.2仪器

LLY-06E电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)。

1.3测试[2-4]

抗拉强度测试方法根据GB/T 14337化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法，试验条件如表1所示。

表1 纤维拉伸试验的测试条件

经过LLY-06E电子单纤维强力仪的测定， 结合弹性模量的计算公式， 得到聚乙烯醇、 丙纶及腈纶纤维的夹距与断裂伸长率、 断裂强力、 抗拉强度及弹性模量等拉伸性能参数。

短化纤单纤的断裂伸长率按式(1)计算，

(1)

式中： ε—纤维的断裂伸长率， %;

L0—拉伸前纤维的长度(即夹距)，mm；

L1—纤维伸长至断裂时的长度，mm。

短化纤单纤初始弹性模量按式(2)计算[5]，

(2)

式中：M—初始弹性模量， MPa；

Δε—在横坐标上截取的一段伸长率， %；

FD—对应与伸长率Δε的强力， N；

ρ1—纤维的实测线密度， dtex；

ρ2—纤维相对密度， g/cm3。

2 结果与分析

2.1夹距对纤维伸长率的影响

夹距对纤维伸长率的影响见表2。

表2 夹距对纤维伸长率的影响

如表2所示， 拉伸时夹距越大， 纤维的断裂伸长率越小。在拉伸的初始阶段， 纤维在外力的作用下， 非结晶区的聚合物大分子链被拉直， 包括分子内的键长增大、 键角增大， 分子链段的运动， 以及分子间产生相对位移， 这个过程是纤维比较均匀拉细； 继续施加压力， 根据弱环定理， 纤维长度方向上各截面处的纤维结构不相同， 纤维中存在许多裂隙、 空洞、 气泡及缺陷、 杂质等， 纤维在弱环附近局部所受的应力相对集中[6-9]， 直至这个部位类似“颈缩”形成(见图1)， 发生颈缩后， 应变在试样的标距内是不均匀， 随后的变形都会在“颈缩”附近发生， 颈缩处就变得越来越小， 局部应力不断增大， 直到试样在“颈缩”处被拉断。单根纤维在拉伸过程中， 一般只有一处“颈缩”， 而发生“颈缩”处的绝对伸长值差值很小， 可以忽略， 根据公式(1)， 夹距越大， 伸长率越小。

图1 纤维拉伸形变颈缩现象

2.2夹距对纤维断裂强力及抗拉强度的影响

夹距对纤维断裂强力和抗拉强度的影响见表3所示。

表3 夹距对纤维断裂强力及抗拉强度的影响

由表3可知，拉伸时夹距对纤维的断裂强力和抗拉强度的影响不是十分明显。根据弱环定理：夹持距离越长，出现弱环的机会就越大，断裂强力和抗拉强度愈低。因为纤维在沿长度方向呈不均匀分布，总在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的概率越大，越容易发生断裂，理论上是夹持距离越长，抗拉强度就越小。由于单根纤维细度小，夹距对纤维的断裂强力和抗拉强度的影响不明显。

2.3夹距对纤维弹性模量的影响

夹距对纤维弹性模量的影响见表4。

表4 夹距对纤维弹性模量的影响

由表4可得， 弹性模量随着夹距的增大而增大。 弹性模量是应力-应变曲线的起始阶段直线部分的斜率，此阶段应力和应变成正比例关系， 它主要是由于大分子的键角和键长在外力的作用下发生改变， 是非结晶区的分子链发生变形的结果[10]， 试验过程中， 夹距越短， 受力大分子或基原纤越多， 大分子的游离端越少， 所需应力增大， 而夹距对应变的影响较小， 可忽略不计， 根据公式(2)可得， 弹性模量随着夹距的增大而增大。

参考相关的标准[3～4]可知， 掺和在水泥混凝土、 砂浆、 沥青中的化学短纤其检测方法对短纤夹距没有明确要求， 经以上分析可知， 短纤夹距对纤维的伸长率及初始弹性模量有较大的影响。标准中对夹距没有明确要求会影响检测数据的准确性， 因为不同的夹距所得的拉伸性能参数差距较大， 各实验室的测试结果也没有可比性。

3 小结

(1)化学短纤维的夹距对断裂强力和抗拉强度没有明显的影响， 而夹距越大， 纤维的伸长率越小， 初始弹性模量越大；

(2)目前各有关标准对测试混凝土、 砂浆及沥青中化学短纤维拉伸性能测试的夹距没有明确要求， 造成各实验室的测试数据偏差较大， 给短纤检测带来一定的混乱， 因此， 需要制定一个更加科学的标准， 通过建立合理的测试方法， 以增强数据的可信度。

[1] 徐鑫耀.GB/T3916纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和纱线伸长率的测定[S].北京：中国标准出版社，1997.

[2] 刑春花.GB/T 14337化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法[S]. 北京:中国标准出版社，2008.

[3] 谈永泉.GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维[S].北京:中国标准出版社，2007.

[4] 马林.TB/T 2965铁路混凝土桥面防水层技术条件[S].北京:中国标准出版社，2011.

[5] 翁效明.GB/T 19975 高强化纤长丝拉伸性能试验方法[S].北京:中国标准出版社，2005.

[6] 蔡再生.纤维物理化学[M]. 北京:中国纺织出版社,2004:131-132.

[7] 党向婷,张鹏飞,康小明.纱线强力与夹持距离及拉伸速度的关系[J]. 纤维标准与检验. 2007(5):37-39.

[8] Brow. HM,亢秀杰.不同隔距长度的纤维强度同成纱强力的关系[J]. 纤维标准与检验.1990(4):15-17.

[9] 张成峰,怀宇.Anette Heijnesson. 等.麦草化学浆纤维位错点的表征和分析[J]. 中国造纸. 2008(1):9-12.

[10] 吴宏仁.纺织材料学[M]. 北京:纺织工业出版社,1985:131.

RELATIONSHIPBETWEENMAN-MADESTAPLEFIBERCLIPDISTANCEANDTENSILEPROPERTIES

DENG Feng-ling1,2, YANG Mei1,2, DU Xu-yi1

(1.Guangzhou Textiles and Garments Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China;2.Guangzhou Nonwovens Quality Testing Center, Guangzhou 510663, China)

Based on GB/T 14337-2008 testing method for tensile prosperities of man-made staple fibers, the effect of clip distance on single staple fiber’s elongation percentage, breaking strength, tensile strength and elastic modulus was analyzed emphatically. The results found that there is little effect of clip distance on breaking strength and tensile strength, while, the larger the clip distance, the smaller the elongation percentage and the bigger the initial elastic modulus of staple fiber.

man-made staple fiber; clip distance; elongation percentage; elastic modulus

2013-04-22

邓凤玲(1965-)，女，湖南益阳人，工程师，主要从事纺织品及无纺布检测工作。

1672-500X(2013)02-0016-04

TS 101.921.4

B

10.3969/j.issn.1672-500x.2013.02.005