试验参数对氨纶丝弹性指标的影响

周方颖　王钢

摘要：利用电子单丝强力仪，按照L16（43）正交表设置拉伸速度、拉伸停置时间和松弛停置时间，测试纤度为33.3 dtex、定伸长率为300%的氨纶丝定伸长拉伸弹性。分析氨纶丝弹性回复率和应力松弛率两项指标发现，拉伸速度影响最为显著，拉伸停置时间和松弛停置时间的影响效果因指标不同而有差异；试验时，综合考虑试验效果和效率，可以選择较大的拉伸速度、较长的松弛停置时间和较短的拉伸停置时间。

关键词：弹性回复率；应力松弛率；松弛停置时间；拉伸停置时间；拉伸速度；氨纶丝

中图分类号：TS151.9

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）02-0021-04

Abstract：This paper sets stretching speed， stretching time and relaxation time according to L16（43） orthogonal table with electronic monofilament strength tester and tests specified elongation and tensile elasticity of spandex filament with fineness 33.3 dtex and specified elongation 300%. The analysis on elastic recovery rate and stress relaxation rate of spandex filament finds that stretching speed has the most significant influence and impact effect of stretching time and relaxation time is different due to difference in index. During the test， considering test effect and efficiency， high stretching speed， long relaxation time and short stretching time can be selected.

Key words：elastic recovery rate； stress relaxation rate； relaxation time； stretching time； stretching speed； spandex filament

氨纶丝是一种综合性能优良的新型纺织原料，其超高的伸长率和优良的弹性回复性能显著提高了服装的舒适性和耐用性，因此被广泛地应用于纺织行业[1]。采用专用于氨纶丝性能测试的HD009N电子单丝强力仪测试，可以获得氨纶丝定伸长拉伸弹性的多项指标，其参数设置大部分参照FZ/T 50007—2012《氨纶丝弹性试验方法》；但对于另一些对氨纶丝弹性回复性能有贡献的参数，目前已有的试验方法中没有提及，由于它们都是影响氨纶丝弹性性能的重要参数，因此有必要加以分析。

本文分析的试验参数有拉伸速度、拉伸停置时间、松弛停置时间。采用正交试验的方式，通过分析主次因素，得出对氨纶丝弹性回复性能影响较大的参数，以便为试验和生产中的参数设置提供借鉴。

1试验

1.1材料及仪器

材料：选纤度为33.3 dtex的氨纶丝（江苏双良氨纶有限公司）若干，在实验室条件下平衡24 h。均等地从每个卷装上以不少于2 m的不等间隔剪取，试样长约1.25 m，制成试验样本。

仪器：HD009N电子单丝强力仪（南通宏大实验仪器有限公司）。

1.2方案

在HD009N电子单丝强力仪上，对氨纶丝进行定伸长拉伸弹性试验。按照L16（43）正交表[2]设计试验参数，参数包括拉伸速度、拉伸停置时间和松弛停置时间的水平值，如表1所示。按表1进行试验，测试获得16组氨纶丝的弹性回复率及应力松弛率。

1.3试验条件

在HD009N电子单丝强力仪上，对氨纶丝进行定伸长条件下的多次循环弹性试验。上下夹持器隔距为50 mm，预加张力按照（0.01±0.001）cN/tex设置为0.03 cN，定伸长率为300%，重复拉伸次数为6次。

1.4指标定义

为了更好地表征氨纶丝的定伸长拉伸弹性性能，HD009N单丝强力仪采集数据并计算出定伸长负荷、弹性回复率、塑性变形率和应力松弛率4项指标，各指标的计算参照式（1）—（4），式中各变量的物理意义如图1所示。其中E1表示第一次拉伸达到的预加张力点；E2表示第一次拉伸达到的定伸长点；E3表示最后一次拉伸达到定伸长并松弛一段时间后的终点；E4表示最后一次拉伸结束回到的负荷零点；E5表示循环结束后达到的预加张力点；L0表示氨纶丝的拉伸起点，代入式（3），为上下夹持器设定隔距。计算时，代入公式中各变量所代表坐标点的对应力值或伸长值[3]。

2结果与讨论

2.1试验结果

按照L16（43）正交表的设计进行试验，得到氨纶丝定伸长拉伸弹性指标结果及数据处理[4]如表2所示。表2中，T1表示弹性回复率指标，T2表示应力松弛率指标；K1、K2、K3、K4分别表示各因素在各水平下对应的弹性回复率和应力松弛率的均值；R表示某因素不同水平K值的极差。

2.2结果分析

a）从表2看出：对弹性回复率而言，松弛停置时间的极差R最大，影响最显著，拉伸速度次之，拉伸停置时间的影响最小；对应力松弛率而言，拉伸速度影响最为显著，拉伸停置时间次之，松弛停置时间最小。比较这两个影响因素的R值可以得出：拉伸速度对两者的影响较为显著，因此可以将拉伸速度作为对氨纶丝拉伸性能影响的主要因素。

b）氨纶丝在做拉伸运动时，外力对其做功W1使大分子链伸长；当其回复时，大分子链重新蜷曲对外界做功W2。由于纤维材料具有的黏弹性的特点[5]，因此W1、W2不等同，由此产生内耗。高聚物内耗与频率有关，当频率或者速度较低时，氨纶丝链段的运动跟得上外力的变化，内耗很小，氨纶丝的弹性回复率较高；反之，拉伸速度较高时，氨纶丝链段的运动跟不上外力的变化，内耗较大，弹性回复率随之降低[6]。表2的数据证实了这一点。

松弛停置是指氨纶丝所受张力为0时，蠕变回缩的过程，这个过程产生的原因是氨纶丝内部大分子运動的结果。由于氨纶丝是最接近于弹簧的一种纺织材料，它在应力为0时，理想状态应回复为初始形态；但由于氨纶丝中的软链段并不等同于弹簧，因此在这个过程中，它的回复只能无限接近初始形态，恢复氨纶丝原有的“弹性势能”，如图2所示。随着停置时间的延长，氨纶丝的弹性回复率增加。

拉伸停置是对氨纶丝进行一定的拉伸作用后进行结构调整。氨纶丝被拉伸至定伸长后，在试验设定的拉伸停置时间段内，内部大分子相互穿插寻找最适合的位置，释放应力，结构调整产生“乱象”，使相互平行伸直的链因相互缠结形成“结点”，阻碍了氨纶丝的回弹，结果使其弹性回复率呈下降趋势，如图3所示。

从表2影响因素的极差可以看出，松弛停置时间与拉伸速度几乎相等，表明松弛停置时间对氨纶丝弹性回复所做的“正功”与拉伸速度所做的“负功”接近相等。因此，试验中若采用较大的拉伸速度时，也应采用较长的松弛停置时间，以使氨纶丝的弹性性能得到必要的修复。

c）从表2应力松弛率的K值可以看出，拉伸速度越大，氨纶丝的应力松弛率越大。对氨纶丝进行拉伸将会产生伸长，在这样的伸长中，既包含大分子链上键长的伸长和键角的张开，即急弹性伸长，也包含大分子之间的相对滑移而产生的伸长，即缓弹性伸长。当拉伸速度大时，单位时间内氨纶丝的伸长量增大，需要克服大分子内结合能以及大分子间结合能，因此产生较大的内应力，即图1中的E2较大[78]。在这个过程中，E3也会随着拉伸速度的增加而有所增加，但由于纤维黏弹体的特点，其增加幅度小于E2。按式（4）可得：应力松弛率/%=（E2-E3）/E2×100=（1-E3/E2）×100。因此，在其他条件相同的情况下，拉伸速度大的可以获得较大的应力松弛率。但是，较大的应力松弛率表明，氨纶丝在速度较高的条件下进行拉伸，其形态易发生变化，尺寸稳定性较差[910]。

同样，拉伸停置对氨纶丝应力松弛的作用可以从图1中看出。时间越长，E3越小，应力松弛的效果越好。松弛停置发生时氨纶丝张力为0，此时氨纶丝发生蠕变回缩。由于此时张力为0，内部应力改变缓慢，从测试结果看，应力松弛率变化很小。

d）从试验结果和以上的分析讨论可以得出，在HD009N电子单丝强力仪上，对氨纶丝进行定伸长拉伸弹性试验时，应选择的测试参数除了本文1.3提到的内容外，还应考虑拉伸速度的设定；而拉伸停置时间和松弛停置时间对于弹性回复率和应力松弛率的影响差别较大，鉴于氨纶丝的弹性回复率指标的重要性，应对松弛停置时间加以控制。

从前面的分析看出，为了获得较大的弹性回复率，结合表2的试验结果及试验效率，拉伸速度建议500 mm/min；同时建议使用氨纶丝进行生产的过程中，为了保证氨纶丝良好的弹性回复性能和较稳定的氨纶丝形态，其卷绕速度应适当降低。松弛停置时间应以长为宜，但从试验效率看，可以选择40 s。此外，虽然拉伸停置时间不是主要因素，并且鉴于它对氨纶丝弹性回复率的“负贡献”，宜选用较短的拉伸停置时间，建议20 s。

3结论

本文利用HD009N电子单丝强力仪，按L16（43）正交表设置拉伸速度、拉伸停置时间和松弛停置时间，测试纤度为33.3 dtex、定伸长率为300%氨纶丝的拉伸弹性，结果表明：

a）结合弹性回复率和应力松弛率两项指标看，拉伸速度的影响最为显著；拉伸速度增加，弹性回复率减小，应力松弛率增加。

b）拉伸停置时间和松弛停置时间对氨纶丝的弹性回复率和应力松弛率的贡献各自不同，但其作用不用忽视，在试验时应作为参数进行设置。

c）在HD009N上测试氨纶丝的拉伸弹性时，为了获得较好的弹性回复率和应力松弛率，同时结合试验效率，建议选择拉伸速度为500 mm/min，松弛停置时间为40 s，拉伸停置时间为20 s。

d）在使用氨纶丝进行生产时，为了保证其良好的弹性回复性能和稳定的形态尺寸，建议适当降低生产速度，并且设有一定的停置回复时间。

参考文献：

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（责任编辑：康锋）