单纤维柔软性的新型测试方法与优化

徐晓霞， 危惠敏， 付少举， 张佩华

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620)

单纤维柔软性的新型测试方法与优化

徐晓霞1,2， 危惠敏1,2， 付少举1,2， 张佩华1,2

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620)

针对目前测量单纤维柔软性的方法中公式复杂、测量误差大和测量范围受限等问题，设计了一种新型的单纤维柔软性测试方法。详细描述了所设计的模具并阐述了制样方法，测试了不同弯曲刚度的聚乳酸和聚丙烯单纤维的压缩力，以表征单纤维的柔软性能；探讨了不同的制样根数及压脚直径对该测试方法精准性的影响程度，并对测试参数进行了优化。结果表明：本文方法可通过压缩力的大小有效地表征单纤维的柔软性，具有测试方法简单、适用范围广的优点；同时根据单纤维柔软性测试参数得出，压脚直径为10 mm，制样根数为10时，可更好地减少试验误差。

单纤维； 柔软性； 压缩力； 测试方法

纤维柔软度一般用抗弯刚度的倒数来表示，抗弯刚度越小，则纤维柔软度越好[1]。目前用于衡量纤维或纱线柔软性的指标主要有初始模量[2]、弯曲刚度[3]、纤维集合体的压缩性能[4]，初始模量测试中材料需要充分平衡，此方法主要用于理论研究和实验室测试；弯曲刚度的测试方法包括三点弯曲法[5-6]、悬臂梁法[7]、圈状环挂重法[8]以及单纤维轴向压缩弯曲法[9]，采用的公式复杂，误差大，使测量范围受限[10-11]；纤维集合体压缩性是将一定量的松散纤维放入固定横截面积的圆筒，利用压缩仪等对纤维进行压缩[12]，该方法综合了纤维直径、抗弯刚度以及表面摩擦性能的影响[13]。

采用初始模量或弯曲刚度的测试方法来表征单纤维柔软性时，存在如下问题：纤维的初始模量一般通过具有一定量程的单纱或单纤强力仪间接获得[3]，高强高模的单纤维测试时强力值会超过量程范围，且柔软性相当的单纤维得到的初始模量的数值差异不大；选用弯曲刚度测试时，不能达到简单、柔性、定量化的测试要求，试验误差大。此外受仪器制作困难或试验误差大等条件限制，难以实施；纤维集合体压缩性测试方法主要应用于绝大多数羊毛类材料[13]。目前没有专门针对单纤维柔软性的测试方法。

为研究和表征单纤维柔软性能，本文研究参考FZ/T 01054.4—1999《织物风格试验方法 弯曲性能试验方法》，自主设计了一种模具以及制样方法，提出了利用压缩仪测试多根单纤维压缩力来表征单纤维柔软性的技术措施。采用的压缩仪是人体生物管道压缩弹性测试仪，研究了不同压脚直径与制样根数下试样的圧缩力，探讨了此方法的可行性，并优化了用压缩力表征单纤维柔软性的测试参数。

1 单纤维柔软性测试原理与方法

1.1测试原理

图1示出单纤维压缩力测试原理。

将5～25根单纤维对弯成竖向瓣状环夹持在自制的模具中，放置在测试平台上，利用压缩仪的压脚对拱起的试样进行压缩，随着变形的增大，单纤维的弯曲应力与应变逐渐增大，并待试样受压至一定位移后使其回复，根据试样在压缩过程中的应力与应变曲线，得出单纤维压缩至设定的最大位移时的压缩力。压缩力越大，表明单纤维刚度越大，反之柔软。

1.2测试方法

1.2.1试样的制备

图2示出试样的制备示意图。先将单纤维卷绕在纱管上形成一定的圈数，且保持每圈的单纤维紧密排列(见图2(a))，然后将胶带固定在卷绕后的单纤维表面(见图2(b))，用小刀从胶带的中间划开，使多根单纤维被固定在胶带的两端平行排列(见图2(c))，将被固定好的单纤维的两端弯曲成拱形(见图2(d))，拧开模具左右两侧的旋钮，将成拱形的单纤维两端夹入模具的左右两侧后拧紧旋钮，形成具有一定高度的拱状(见图2(e))。

图2 试样制备示意图Fig.2 Sketches of sample preparation. (a) Winding filaments; (b) Fixing filaments; (c) Spreading filaments; (d) Bending filaments; (e) Clamping filaments

1.2.2测试方法与指标

选择LLD-06D型人体内生物管道压缩弹性测试仪(山东莱州电子仪器有限公司)，采用如图1所示的定距离径向压缩法测试单纤维的压缩性能。

2 材料的选择与结果分析

2.1测试用材料的选择

材料采用上海天清生物材料有限公司提供的3种聚乳酸(PLA)单纤维(编号为S1～S3)以及东华大学纤维材料改性国家重点实验室提供的聚丙烯(PP)单纤维(编号为S5～S7)和PLA单纤维(S4)，其基本性能如表1所示。

表1 单纤维的基本性能Tab.1 Basic properties of PLA monofilament

由表1中初始模量的数值可知，同一条件下生产的S1、S2、S33种单纤维弯曲刚度大小顺序为S1>S2>S3,PP单纤维的弯曲刚度大小顺序为S7>S6>S5。

2.2试验结果与分析

选择S1、S2和S33种单纤维，制样根数为10，压脚直径选择5、10、15、20、25 mm，3种PLA单纤维所受的压缩力与压脚直径的关系如图3所示。

图3 不同压脚直径下3种材料的压缩力Fig.3 Compressive strength of three materials under different diameters of presser foot

由图3中可知，在不同压脚直径下，3种材料的压缩力关系均为S1>S2>S3。测试结果与材料初始模量的大小相匹配，证明此方法表征单纤维柔软性具有可行性。同时，利用不同压脚直径所测的压缩力差异较小且具有相同的变化趋势，由此证明压脚直径并不影响这种测试方法的准确性。为使测试方法更加精确，压脚直径具有最优化的参数，在后续优化试验中详细讨论。

3 单纤维柔软性测试参数优选分析

3.1压脚直径与制样根数的优选

分别选取5、10、15、20、25 mm 5种压脚直径对制样根数为5、10、15、20、25的PLA单纤维(S1)进行径向压缩测试，以探索最优的压脚直径以及制样根数，每种试样压缩3次，测试结果取平均值。为减少试验过程中的制样误差以及压脚与材料接触不匀等产生的误差，对PLA单纤维(S4)进行了同样的试验。压脚直径以及制样根数不同对试样压缩性能的影响如图4、5所示。

图4 压脚直径以及制样根数对S1压缩性能的影响Fig.4 Influence of diameter of presser foot and number of sample preparation on compressive properties of S1

图5 压脚直径以及制样根数对S4压缩性能的影响Fig.5 Influence of diameter of presser foot and number of sample preparation on compressive properties of S4

理论上，在同一压脚直径下，纤维束的总压缩力是单根纤维压缩力的总和，压缩力应随制样根数呈线性增加。根据数理统计，可用R2来表征多参数的线性拟合度。R2越接近于1，线性拟合度越好[14]。从图4、5可看出，压脚直径为5 mm时，2种材料的拟合度均最差(R2最小)，并且在每种制样根数下测得的压缩力均偏小。其原因是压脚面积太小，以致多根单纤维形成的拱形宽度与压脚直径相当，在压缩过程中部分单纤维被挤出，未参与到后续压缩过程中，导致压缩力比实际值偏低。如图4中5 mm压脚直径下，25根单纤维测得的压缩力甚至与20根单纤维的相当，由此说明，压脚过小或者制样根数过多，这种测试方法都存在误差。图4中，S1的压缩力在10、25 mm的压脚下拟合度最高；图5中，S4的压缩力在10 mm的压脚下拟合度最高。但是，在25 mm压脚下，制样根数为20、25时，压缩力数值明显高于其余压脚直径，且从误差结果来看，在10 mm压脚下，多次测量结果的偏差更小，数据重现性更好，因此压脚直径优选10 mm。

图4、5显示，在各个压脚直径下，制样根数越多，误差越大，数据重现性越差。原因是根数越多的样品被夹持在模具后使每根单纤维形成的拱形不易保持在同一高度，测量误差大，因此选择较小的制样根数可避免此类误差。但是，当制样根数小于10时，整体的压缩力值比较小，对于测量仪器的精度要求比较高。特别当被测单纤维的柔软性非常好时，较少的制样根数导致试样的压缩力不能被仪器检测出来，因此，选择10根制样比较合理。

综合以上分析，为同时减少制样根数过多使压脚与材料不能充分接触以及制样根数过少由试样自身的选择带来误差等，最终的优化结果为：压脚直径10 mm，制样根数10。

3.2优化测试结果分析

为进一步验证优化结果可行性，采用S5、S6、S7在所得优化条件下进行压缩性测试，试样被反复压缩10次后取平均值。材料的压缩力测试结果如表2所示。

表2 3种PP单纤维的优化测试结果Tab.2 Optimized test results of three kinds of PP filaments

由表2中的数据可知，材料的压缩力大小顺序为S7>S6>S5，即弯曲刚度大小顺序为S7>S6>S5，符合实际情况，且每种PP在经过10次压缩后，得到的数值之间的CV值也较小，即10根试样在10 mm的压脚下可被充分接触并压缩，测试结果误差小。

4 结 论

本文探讨利用压缩力表征单纤维柔软性的方法，通过压缩仪测试单纤维的最大压缩力值，试验结果显示可行。

为减少试验过程中制样以及压脚与材料接触不匀等产生的误差，对压脚直径和制样根数2个参数进行优选，优化结果为：压脚直径10 mm，制样根数10，在此条件下能更好地减少试验误差。

在优选的试验参数下，测试了3种PP单纤维的压缩性能，结果表明此测试条件下不仅有效地表明单纤维柔软性的大小，同时单纤维经过多次压缩后得到的数值之间的差异小。

FZXB

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Noveltestmethodandoptimizationforcharacterizingflexibilityofmonofilaments

XU Xiaoxia1,2, WEI Huimin1,2, FU Shaoju1,2, ZHANG Peihua1,2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In order to solve the problems of complex measurement methods and formula, too large measurement error and limited range for measuring the flexibility of monofilament, a novel method was designed. The self-designed mold and the unique way of preparing samples were described in detail, and several polylactic acid and polypropylene filaments with different flexibilities were chosen to test the compressive strength. The method for preparing samples was described, and the influence parameters of different sample numbers and diameters of presser foot were discussed, and the feasibility of the method using the compressive strength to characterize the filaments flexibility was proved. The results show that the method by testing the compressive strength of monofilaments can characterize the flexibility effectively, simply and widely. By optimization of the test parameters, it′s more advantageous to reduce the test error when the optimal parameters of the number of sample preparation and the diameter of presser foot are 10 and 10 mm, respectively.

monofilament; flexibility; compressive strength; test method

10.13475/j.fzxb.20170304805

TS 101.4

A

2017-03-01

2017-07-26

高等学校学科创新引智计划资助项目(B07024)

徐晓霞(1992—)，女，硕士生。主要研究方向为埋植线的改性及表征。张佩华，通信作者，E-mail：phzh@dhu.edu.cn。