振动仪法测试纤维线密度的影响因素分析

季 轩，韩春艳，2，王 伟，2

（1.中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900；2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900）

分析测试

振动仪法测试纤维线密度的影响因素分析

季 轩1，韩春艳1，2，王 伟1，2

（1.中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900；2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900）

利用VIBROMATM振动式细度仪对不同规格纤维样品的线密度进行测试，从仪器的稳定性、张力夹重量、测试纤维根数、取样的均匀性、样品的含湿量等方面对VIBROMATM细度仪测试线密度结果的影响因素进行了分析，介绍了振动式细度仪法测试结果的修正方法，提出了保证测试结果准确可靠的方法及仪器的应用建议。

振动式细度仪 线密度 影响因素

线密度表示纤维的粗细程度，一般用单位长度纤维的重量来表示。化学纤维的线密度是反映纤维生产过程及质量稳定性的重要指标，纤维线密度大小及其分布均匀性对后道纺纱、织造、染色等过程有着非常重要的影响。国家标准GB／T 14335-2008《化学纤维短纤维线密度试验方法》［1］中规定了两种测试化学短纤维线密度的方法——束纤维中段称重法及单纤维振动仪法。束纤维中段称重法测试纤维线密度的方法是根据纤维线密度的定义，将一束整理平行伸直的纤维束，切取规定长度的中段纤维，根据中段纤维束的质量及根数计算得到纤维的平均线密度，利用束纤维中段称重法测试得到的是数百根纤维的平均线密度，无法得到单根纤维的线密度及单纤维间线密度不匀率方面的信息，而且测试结果受测试人员的测试手法、测试环境、仪器设备状态等方面的影响较大。单纤维振动仪是利用振动式细度仪测试单根纤维的线密度，不仅可以测试成品纤维的线密度，也可以用于测试纤维原丝的线密度，利用此测试方法在得到待测样品的平均线密度时，还可以得到各单根纤维间的粗细不匀等方面的信息。将单纤维细度仪与强力仪联机，还可以得到单根纤维的实际拉伸应力-应变图形等信息，对纤维生产过程的质量控制及分析纤维后加工中产生的一些质量问题，指导纤维的后加工过程有很好的参考作用。

由于测试原理的不同及纤维生产厂测试仪器的配备、测试人员的测试习惯等原因，目前应用仪器法进行纤维线密度测试的纤维生产厂还较少，多数单位仍是采用束纤维中段称重法，涤纶短纤维国家标准样品的平均线密度也是用束纤维中段称重法进行测试后定值的。为分析振动仪法测试结果的准确性，比较两种短纤维线密度测试方法测试结果之间的相关性，更好地利用单纤维细度仪进行线密度测试，得到更多的纤维质量信息，笔者对振动式线密度仪测试涤纶短纤维线密度过程中影响试验结果的因素进行了研究。

1 仪器及样品

1.1 仪器

VIBROMAT M型振动式线密度测试仪，德国TEXTECHNO公司。

1.2 样品

1.56 dtex×38 mm涤纶短纤维国家标准样品及不同线密度的纤维样品，中国石化仪征化纤股份有限公司生产。

2 测试原理及方法

2.1 测试原理

振动法测定纤维线密度采用弦振动原理［2］，加以一定张力的纤维被夹持器夹住并限定在上下刀口之间的长度内受力激振，根据振动理论，纤维弦振动的固有频率为：

式中，f-纤维弦振动的固有频率，Hz；L-纤维的振动长度，cm；P-纤维的线密度，g／cm；d-纤维的直径，cm；T-纤维所受张力，g·cm／s2；E-为纤维的杨氏模量，cN／dtex。

当纤维直径d与长度L之比非常小时，纤维固有振动频率可表示为：

经单位换算，线密度单位转为dtex（分特），张力T单位转换为cN（厘牛顿），仪器振弦长度L固定为20 mm时，纤维的线密度为：

该式即为振动式线密度仪设计的基本公式。在已知张力T的情况下，测量出纤维的振动频率f，便可由公式计算出纤维的线密度。

2.2 测试方法

按GB／T 14335-2008《化学纤维短纤维线密度试验方法》的取样方法，从经调湿平衡的待测样品中取出不少于2 000根纤维作为试验样品，平铺在和纤维呈对比色的绒板上，用镊子从每10根左右的纤维中取出1根用作试验，根据纤维线密度大小选择不同重量的张力夹夹持纤维试样一端，将另一端加入振动仪的夹持器内，启动仪器进行测试，待仪器振动图形及数据稳定后，记录所测试纤维的线密度值。

3 结果与讨论

3.1 仪器的稳定性试验

根据振动式线密度仪测试纤维线密度的原理及计算公式，线密度测试结果与纤维所加张力及其产生的弦振动频率有关，预加张力固定后，弦振动频率的稳定是保证测试结果稳定的关键。为了验证VIBROMAT M振动仪测试线密度的稳定性，笔者利用不同样品进行了仪器的测试结果稳定性试验。结果见表1、2和图1。

表1 同一根纤维多次测试的结果

表2 涤纶短纤维标准样品多次测试结果

图1 不同规格纤维样品的多次测试结果

从表1的测试结果中可看出，对线密度为4.48 dtex的同一根纤维的30次测试结果基本稳定，极差只有0.04 dtex，测试数据变动率只有0.27%；表2中对涤纶短纤维标准样品的多次测试，线密度平均值在0.03 dtex的波动范围；但从测试的每批样品线密度最大值及最小值及不匀率可看出，样品中不同纤维间粗细相差较大，因此测试结果间的差异主要是由样品自身不均匀带来的。图1中，不同规格的纤维多次测试，结果的稳定性也很好。对不同样品的多次试验结果表明，在保证仪器的测试环境无气流、振动等外界影响的情况下，纤维的弦振动频率稳定性较好，测试结果能够满足纤维线密度测试的精密度要求。

3.2 张力夹重量对测试结果的影响

给纤维施加张力的目的是使纤维的卷曲伸直而不伸长，但在测试方法国家标准或行业标准中规定的保证纤维卷曲伸直但不伸长的张力各不相同，如涤纶短纤维长度、线密度、拉伸性能试验方法中规定的张力为按纤维名义线密度计算为0.15 cN／dtex，而在卷曲性能及干热收缩率的测试方法规定为0.075 cN／dtex。从振动式线密度仪测试纤维线密度的设计原理及计算公式可知，除去影响纤维自身线密度不匀的因素外，测试过程中对纤维所加的张力是影响线密度测试结果的主要因素。为了解张力夹重量对测试结果的影响，笔者选择不同重量的张力夹对不同品种短纤维样品进行了测试，表3为使用不同张力夹对同一根纤维的测试结果，表4为不同张力夹多次测试同一根纤维的线密度统计结果，表5为不同张力夹测试涤纶短纤维标样线密度的结果，图2、3为使用不同张力夹测试时纤维的弦振动图。

表3 不同重量张力夹测试同一根纤维线密度结果

表4 不同张力夹多次测试同一根纤维线密度结果

表5 不同张力夹测试涤纶短纤维标样线密度结果

图2 正常弦振动图形

图3 异常弦振动图形

从表3、4及表5的测试结果可看出，同一根纤维选用不同重量的张力夹，线密度测试结果波动很小，而涤纶短纤维标准样品在用不同张力夹时测试结果相对稳定，但在线密度测试过程中发现，如张力夹过小，纤维的卷曲不能完全伸直，纤维的振动图前端抖动、不光滑，起振几次的图形变化较大，测试结果难以稳定。张力夹过大时，纤维难以起振，仪器会经常显示功率过小、检测不到纤维的情况或出现纤维振动图的振幅过小的情况，有时选择最大功率仍不能起振，需反复起振或重新夹取纤维，虽然最终的测试结果比较稳定，但影响测试效率，如图3所示。表4及表5的试验结果也可看出，张力夹重量偏大时，测试结果CV值提高了。经过对不同重量张力夹试验过程中纤维弦振动图形及测试结果的比较，常规形态的纤维，张力夹重量选择在按名义线密度计（0.065～0.11）cN／dtex范围内比较合适。考虑到在纤维生产过程中，由于工艺波动造成的同一批样品中各单根纤维间线密度波动较大及纤维不同卷曲形态、不同卷曲度的差异，在具体测试时可结合振动波形图的情况选择合适的张力夹，以适应不同粗细及不同卷曲状态纤维的测试要求。对于未知名义线密度的样品，可以选择大小不同的张力夹进行试验，根据振动图形及数据稳定性再选择合适的张力夹。但在测试前要准确称量张力夹的重量，输入到仪器上，才能保证测试结果的准确性。

3.3 测试次数对测试结果的影响

纤维生产设备及工艺条件的波动会造成同一批产品中不同纤维的线密度有差异。测试次数过少，会影响结果的准确度和精密度；测试次数过多会影响到测试效率。表6为涤纶短纤维标准样品及普通涤纶短纤维样品的测试次数对试验结果的影响。

表6中两种规格样品的试验结果反映出两批样品的线密度均匀性均较好，当测试纤维的根数大于30根时，线密度测试结果基本稳定，测试结果的变异系数也基本一致，没有明显下降，因此在日常测试时，对生产稳定、均匀性好的样品，测试样品量n＝50即可满足试验要求；对均匀性差、CV值高的样品应适当增加测试数量，以保证测试结果的准确、稳定。

表6 不同测试次数对线密度结果的影响

3.4 振动仪法测试结果的修正

由于振动仪法与束纤维中段称重法测试原理的差异，两种方法的测试结果之间会存在一定的系统偏差，从表2及表5对涤纶短纤维标准样品的测试结果可看出，振动仪法测试的平均值为1.49 dtex，而涤纶短纤维标准样品采用纤维中段称重法测试的线密度定值数据为1.54 dtex，因为VIBROMAT M振动式细度仪没有校正拨盘，需按照GB／T 14335-2008《化学纤维短纤维线密度试验方法》附录B中试验结果的修正方法，得到仪器的修正系数K，然后对仪器实测结果进行修正。

3.5 湿度对测试结果的影响

从振动式线密度仪测试纤维线密度的原始计算公式中可知，纤维的弦振动频率f与纤维的直径d及模量E有关，纤维吸湿后会引起其直径d及模量的变化，为了研究湿度对振动线密度仪测试结果的影响，笔者通过对正常调湿平衡的样品及含湿高的纤维进行了线密度测试对比，见表7、8。表7中样品为常规涤纶样品，表8为吸湿性高的纤维样品。湿纤维的测试结果是将纤维在蒸馏水中浸泡并用吸水纸吸干后测试所得。

表7 湿度对线密度结果的影响

表8 同一根纤维干湿状态下的线密度结果／dtex

试验结果反映出，无论是吸湿性小的样品还是吸湿性高的样品，干、湿状态的纤维线密度测试结果基本一致，表明湿度对振动仪法测试线密度的结果基本没有影响。虽然纤维吸湿后会有溶胀，导致直径d及模量E增大，但从线密度计算公式中可看出，由于纤维的长径比很大，增加的量在公式中可以忽略不计，对纤维的弦振动频率f基本没有影响，因此基本不会影响线密度测试结果。

3.6 取样均匀性对测试结果的影响

振动式线密度仪法是通过测试少量根数的纤维线密度值，计算得到其平均值代表整批纤维的平均线密度，从表2的试验结果中可看出，在同一批样品中，不同纤维之间的线密度差异比较大，如果取样不均匀，会直接影响测试结果的准确性。因此在用振动式线密度仪进行样品线密度测试时，保证取样的均匀性、代表性非常重要，必须严格按标准规定的方法取样、测试。

4 结 论

a）振动式线密度仪在稳定的无外来振动影响的环境下，选择合适的张力夹，对不同线密度范围的纤维样品，线密度测试结果均比较稳定且能够满足测试的精密度要求；

b）张力夹重量可以在一个较宽的范围内选择而不会对测试结果产生影响。在测试时可以根据纤维的不同粗细、卷曲状态等，结合振动图形综合判断，选择合适的张力夹，但输入到仪器的张力夹重量必须准确；

c）对工艺条件稳定状态下生产的纤维，测试次数达到50根时，测试数据即可满足试验要求，当待测纤维样品线密度不匀率较大时可适当增加测试次数，以保证测试结果的稳定；

d）利用振动式细度仪进行纤维线密度测试前，应先对仪器进行校正，得到仪器的修正系数K值，以保证仪器测试结果与束纤中段称重法测试结果的一致性；

e）样品取样的均匀与否会直接影响振动仪法测试结果的准确性，因此必须严格按标准规定的取样方法规范取样；

f）利用振动仪法进行纤维线密度测试可以同时得到线密度平均值及不匀率等方面的信息，且结果受纤维的含湿量影响较小，可以用于对纤维原丝线密度及其粗细不匀率的快速测试。

［1］GB／T 14335-2008.化学纤维短纤维线密度试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2008：4-6.

［2］李汝勤，宋钧才.纤维和纺织品测试技术［M］.上海：东华大学出版社，2009：81-82.

［3］GB／T14334-2006.化学纤维短纤维取样方法［S］.北京：中国标准出版社，2006：2.

Analysis of the in fluence factors on fibers′density test with vibrancy instrum ent

Ji Xuan1，Han Chunyan1，2，Wang Wei1，2

（1．Sinopec Research Institute of Yizheng chem ical fiber Co．，Ltd．，Yizheng Jiangsu 211900，China；2．Jiangsu Key Laboratory of Performance Fiber，Yizheng Jiangsu 211900，China）

In this paper，density of several specifications of fiber sampleswere tested with vibrancy instrument VIBROMAT M，and influence factors on fibers′density result such as stabilization of apparatus，weight of fiber′clip，number of test fibers，uniformity of fiber sample，moisture of fibers etc.are analyzed，and revisingmethod of the test results of apparatus is introduced，the method of ensuring the test results′accuracy and reliability and the using suggestion of instrument are presented.

vibrancy density instrument；density；influence factors

TQ340.7

B

1006-334X（2014）03-0053-05

2014-07-22

季轩（1989—），男，江苏仪征人，助理工程师，主要从事聚酯分析研究工作。