新型并列复合弹性长丝的拉伸及拉伸弹性疲劳性能

王越平，缪斌斌，张宇飞，代国亮，肖 红

(1.北京服装学院 材料设计与工程学院，北京 100029；2.军事科学院系统工程研究院 军需工程技术研究所，北京 100010)

并列复合弹性长丝由具有不同热收缩性能的同系物组成，一般沿纤维轴向并列排列纺丝后得到[1]。该类长丝具有明显的卷曲弹性，卷曲伸直后，又具有聚酯类长丝较高的弹性模量及拉伸性能[2-4]。不同于以往的大变形、极小模量的氨纶、聚烯烃类弹性纤维需要包芯或包覆后使用，并列复合弹性长丝可以直接使用，且能够提供良好的力学性能，现已广泛应用于各类弹性织物中[5]。

并列复合弹性长丝的拉伸力学性能及反复多次拉伸后的弹性性能，是研发该类弹性织物的基础。其典型拉伸应力应变曲线可以分为卷曲伸长段和伸直纤维应力应变段[2]。王慷[6]对聚对苯二甲酸丙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)并列复合弹性长丝进行了定伸长循环测试，证明热处理能够显著提高长丝的卷曲伸长率和断裂伸长率，且能够进一步提升长丝的弹性回复性能。魏艳红等[7]对多种新型聚酯并列复合弹性长丝进行了弹性回复性能测试，但循环次数较少，无法真实反应反复多次拉伸条件下，并列复合弹性长丝的弹性性能。另一方面，尚鲜有对新型并列复合弹性长丝常压分散染料可染改性聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(NEDDP/PBT)力学和弹性性能的比较研究，NEDDP/PBT在常温常压下具有良好的可染和匀染性能，有着广阔的市场应用前景。

本文首先比较了热处理前后，4种并列复合弹性长丝(NEDDP/PBT、PTT/PET、改性聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET(改性)/PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET))和氨纶包芯纱的拉伸力学性能和弹性性能。针对反复多次拉伸的应用场景，进行了100次30%定伸长循环拉伸，通过建立循环次数与滞后环高度差的函数方程，以期有效减少循环拉伸次数，提高评价效率。为弹性长丝纱的应用以及纱线弹性性能的研发提供良好的借鉴。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

材料：选用新型并列复合弹性长丝NEDDP/PBT与市售的PTT/PET、PET(改性)/PET、PBT/PET及氨纶包芯纱作为实验材料，具体规格见表1。

表1 实验材料规格Tab.1 Test materials specification

仪器：Instron5566型电子万能材料试验机(英斯特朗(上海)实验设备贸易有限公司)。

1.2 热处理

为减少丝筒表层长丝对实验结果的影响，将外层易受损长丝剥去50 m弃用。将试样用纱布包裹后浸于100 ℃去离子水中处理10min[2]。自然风干待质量稳定后，置于温度20 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中平衡24 h。

1.3 卷曲性能

参照GB/T 14338—2008《化学纤维 短纤维卷曲性能试验方法》，将长丝一端固定，预加张力0.001 6 cN/dtex，30 s后记录长度L0(mm)，再加上0.24 cN/dtex张力，记录长度L1(mm)。试样卷曲伸长率R计算式见式(1)。

(1)

1.4 拉伸断裂性能

控制夹持距为200 mm，拉伸速度为100 mm/min，预加张力为0.01 cN/dtex，每个试样测试10次，得到应力应变曲线，并计算弹性模量、断裂伸长率、断裂应力。

1.5 弹性性能

参照FZ/T 50007—2012《氨纶丝弹性试验方法》，采用定伸长循环拉伸实验进行测试。控制夹持距离200 mm，拉伸速度200 mm/min，预加张力0.02 cN/dtex，定伸长值为夹持距离的30%，反复拉伸100次，每组实验5次，取平均值。塑性变形率d和弹性回复率r见式(2)(3)。

(2)

(3)

式中：D0为未伸长时的夹持长度，mm;D1为设定伸长时的长度，mm;D2为达到试样预加张力值时的长度，mm。

1.6 滞后性能

在定伸长循环拉伸曲线上，当位移相同时，回复曲线与拉伸曲线之间的差值记为滞后量H(n)，滞后量H(n)与拉伸次数n有函数对应关系。相关公式如下：

H(n)=Eu(n)-El(n)

(4)

式中：H(n)是一定伸长下第n次拉伸回复的载荷滞后量；Eu(n)和El(n)分别是第n次拉伸和回复时，定伸长处的载荷量。

(5)

式中：H0是H(n)的渐进值，是理论上的收敛数值；A1、A2为滞后量的幅度；t1、t2为损耗率指数。

式(5)为指数损耗函数，用以构建循环次数n与滞后量H的函数关系, 可以大幅度减少定伸长拉伸次数。

2 结果与分析

2.1 热处理的影响

2.1.1 热处理对卷曲性能的影响

并列复合弹性长丝在热处理后，组分间热收缩率的差异使得纤维发生卷曲。当外力作用时，三维螺旋卷曲提供了极大的伸长量，赋予长丝柔软的手感和优良的弹性伸长性能[8-9]。图1示出并列复合弹性长丝的典型应力应变曲线。图中OA段为卷曲伸长，对应纤维的卷曲伸长率，反映纤维的卷曲程度和卷曲弹性。AB为弹性区阶段，AB区域的模量为弹性模量[2]，OA段应变作为长丝的卷曲伸长率，表征长丝在小外力下的形变能力。并列复合弹性长丝热处理前后的卷曲伸长率结果见图2。

图1 并列复合弹性长丝的典型应力应变曲线Fig.1 Typical strain-stress curve of bicomponent elastic filament

图2 并列复合弹性长丝热处理前后的卷曲伸长率Fig.2 Crimp elongation of composite elastic filament before and after heat treatment

由图2可以看出，PTT/PET的卷曲伸长率最大，其次是NEDDP/PBT和PBT/PET，PET(改性)/PET的卷曲伸长率最小。几种聚酯类高聚物中，PET、PTT和PBT 3种熔体本征黏度不同，且玻璃化温度依次降低，NEDDP的玻璃化温度和PBT近似。

由此可见，并列复合弹性长丝中，组分性能差异是影响卷曲弹性的最重要因素，性能差异越大，卷曲越大。由于PTT具有“奇碳效应”和大分子链的“T—T—G—T”式构象，导致该组分自身取向度低，受热时热收率较大，使得PTT/PET的卷曲伸长率最大；其次是黏度差异，PET(改性)/PET的2个组分黏度虽然存在差异可以实现卷曲，但效果不显著。

2.1.2 热处理对拉伸力学性能的影响

并列复合弹性长丝热处理前后的弹性模量测试结果见图3。由图3可看出，4种并列复合弹性长丝的弹性模量在热处理后均有不同程度的下降。热处理前后PET(改性)/PET的弹性模量变化最大，下降了60%；PBT/PET和NEDDP/PBT下降程度相近，分别下降了48%和40%；PTT/PET下降程度最小，仅有22%。热处理后弹性模量下降是因为在松弛状态下进行热处理有利于大分子链的解取向运动，分子链由相对伸直的状态转为卷曲状态，从而使弹性模量下降明显。

图3 并列复合弹性长丝热处理前后的弹性模量Fig.3 Elastic modulus of parallel composite elastic filament before and after heat treatment

图4示出4种并列复合弹性长丝在热处理前后的断裂伸长率和断裂应力。从图4(a)可以看出，热处理后并列复合弹性长丝的断裂伸长率均大幅度提升，归因于卷曲的产生。断裂伸长率的大小顺序和卷曲伸长率的大小顺序一致，PTT/PET>NEDDP/PBT>PBT/PET>PET(改性)/PET。由此说明，并列复合弹性长丝的断裂伸长率与卷曲性能密切相关。

图4 并列复合弹性长丝热处理前后的断裂伸长率和断裂应力Fig.4 Elongation at break and breaking stress of composite elastic filament before and after heat treatment. (a) Elongation at break;(b) Breaking stress

如图4(b)所示，热处理后并列复合弹性长丝的断裂应力均有所下降(除PET(改性)/PET外)，且断裂应力值的离散大大增加。原因是组成弹性长丝的双组分物质在热处理后性能差异进一步增大，断裂应力值因为双组分物质断裂的不均一性而减小且离散增大；双组分物质性能差异越大，断裂应力值离散就越大。从数据上看，PET(改性)/PET、PBT/PET、PTT/PET 3种长丝的断裂应力在2.0～2.6 cN/dtex之间，NEDDP/PBT最低，为1.89 cN/dtex, 需要进一步改进提升。

2.2 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱对比

为了比较并列复合弹性长丝和相当线密度的氨纶包芯纱的弹性伸长，将并列复合弹性长丝的卷曲伸长率和氨纶包芯纱在0.24 cN/dtex张力下的伸长率，统一称为卷曲伸长率，对比结果如图5所示，力学性能对比结果如图6所示。

由图5可见，在0.24 cN/dtex的外力下，实验所用氨纶包芯纱依然具有很高的卷曲伸长率，适合于高弹性面料开发。由图6可知，从伸直纤维的力学性能对比可以看出，氨纶包芯纱的弹性模量最大，但断裂应力最低。由此说明，并列复合弹性长丝具有较好的力学性能，不容易拉断，且伸直段纤维也需要较大外力才能够拉伸。

图5 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱卷曲伸长率对比Fig.5 Comparison of crimp elongation of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

图6 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱力学性能对比Fig.6 Comparison of tensile mechanical properties of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn.(a) Elastic modulus;(b) Elongation at break and fracture stress

2.3 定伸长循环拉伸下的弹性性能

2.3.1 循环拉伸次数对弹性性能的影响

图7(a)(b)分别为并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱在不同循环拉伸次数下的弹性回复率和塑性变形率。可见，PET(改性)/PET的弹性和其他4种纱线差距明显。这是由于PET(改性)/PET中PET大分子链中的2个苯环间仅有2个亚甲基，导致大分子链柔性较差，在受力作用下难以发生晶型的转变，故表现出的弹性回复率远低于其他并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱，塑性变形率远高于其他并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱。而PTT/PET、PBT/PET、NEDDP/PBT和氨纶包芯纱拥有相近的弹性回复率和塑性变形率。随着循环次数的增加弹性回复率下降、塑性变形率上升。

图7 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱的弹性回复率和塑性变形率Fig.7 Elastic recovery rate(a) and plastic deformation rate(b) of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

从图7可以看到弹性性能的变化主要集中在前10次循环中，10次以后的弹性回复性能趋于稳定。这是由于并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱受拉伸变形可以分为2个部分：立即弹性位移、初级蠕变和次级蠕变[10]。在初始几次的重复运动中会逐渐消除次级蠕变，仅留下立即弹性位移和初级蠕变，弹性趋于稳定。

2.3.2 滞后性能分析

2.3.2.1滞后环的形态

普通纤维材料的循环拉伸曲线根据滞后环形态大致可分为3种类型：完美弹性、完全弹性和不完美弹性[11-12]。并列复合弹性长丝纱和氨纶包芯纱的100次拉伸回复曲线如图8所示。

图8 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱的100次拉伸回复曲线Fig.8 100 times tensile recovery curve of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn. (a)PTT/PET; (b)PBT/PET;(c)NEDDP/PBT;(d) PET(modified)/PET;(e) Spandex core-spun yarn

可见，并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱的循环拉伸曲线均有明显滞后环，拉伸和回复路径不同，所形成的滞后环形状均较宽，滞后环形状改变明显，且随着循环次数的增加，滞后环也在相应移动，滞后环之间叠合程度低。所以4种弹性长丝在100次循环拉伸情况下均属于不完美弹性。在0.02 cN/dtex预加张力作用下，在30%定伸长循环中，PET(改性)/PET拉伸曲线中明显出现了弹性区和屈服区，而其他3种并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱表现为正在进入弹性区。这是因为PET(改性)/PET热处理后的三维螺旋卷曲程度最低，预加张力又消除了绝大部分卷曲伸长，在经历较短的弹性伸长后很快就进入了弹性伸长区、屈服区和增强区，载荷增长迅速。

2.3.2.2滞后环的稳定性分析

根据定伸长处环的滞后量随循环次数的变化可以确定各种复合弹性长丝和氨纶包芯纱达到滞后稳定的拉伸次数[11,13-14]。从实验的滞后环形态来看，实验适合在定伸长处测量环高度的变化来定量比较各种纤维的滞后环稳定性。

如式(4)所示，滞后环高度差H(n)与循环次数的函数关系可以用来描述并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱在多次反复拉伸后保持其拉伸和回复路径的能力。通过建立函数关系，可以在较少的拉伸次数下，得出滞后环形态相对稳定状态所需的循环拉伸次数。表2为不同定伸长次数下，在55 mm处回复曲线与拉伸曲线之间的差值，记为H(n)，同时根据式(5)得出非线性拟合公式中的各项参数，见表3。

表2 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱在55 mm处的滞后量H(n)Tab.2 Hysteresis of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn at 55 mm

表3 并列复合弹性长丝与氨纶包芯纱滞后量的非线性拟合公式Tab.3 Nonlinear fitting formula of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

由此获得描述并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱循环次数与滞后环高度差之间关系的函数方程，设纤维达到相对稳定状态的条件为H(n)-H0<0.001，由表3中拟合公式推算，要使并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱达到滞后环形态相对稳定状态，PTT/PET、NEDDP/PBT、PET(改性)/PET、PBT/PET和氨纶包芯纱需要在30%定伸长条件下至少拉伸3 445、142、138、146、92次，可见PTT/PET的抗疲劳性在本文实验范围内最好，氨纶包芯纱的抗疲劳性最差。

3 结 论

本文对4种并列复合弹性长丝，常压分散染料可染改性聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(NEDDP/PBT)与市售的聚对苯二甲酸丙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)、改性聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET(改性)/PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)及氨纶包芯纱的拉伸力学、反复拉伸弹性性能进行了对比研究，得到如下结论：

①在拉伸断裂性能方面，并列复合弹性长丝热处理后卷曲伸长率和断裂伸长率大幅增长，弹性模量及断裂强度有所下降；

②在弹性方面，所测试的4种复合弹性长丝的弹性回复率和塑性变形率在前10次反复拉伸时均有明显变化，10次以后趋于平稳；PET(改性)/PET外，其他3种复合弹性长丝均能提供与氨纶包芯纱相近的弹性回复率和塑性变形率；

③通过滞后稳定性分析，并列复合弹性长丝和氨纶包芯纱均属于不完美弹性；经过非线性拟合表明PTT/PET长丝拥有最好的耐疲劳性，氨纶包芯纱的耐疲劳性最差。

弹性复合长丝在断裂强度、抗疲劳性等方面相较于氨纶包芯纱更具优势，其中NEDDP/PBT 兼具良好弹性及常压分散可染性能，是一种理想的、适用于不耐高温染整加工织物的弹性纤维。