双组分混纺纱断裂比功与混纺比的关系

周宇阳, 王旭斌, 曹巧丽, 李 豪, 钱丽莉, 郁崇文,2

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

如今,纺织品越来越多地作为基础材料应用到航空航天[1]、交通运输[2]和建筑[3]等各行各业中,这也要求它具有相应的性能。大部分的纺织品由纱线组成,纱线的拉伸性能对最终产品的性能影响较大。纺织工业中通常将不同的纤维混合,通过纺纱工艺纺制成混纺纱,达到综合多种纤维优点、提高成纱性能以及降低成本的目的[4]。双组分混纺纱的纺纱难度较小,技术更为成熟,也是最为常见的混纺品种。为此,研究双组分混纺纱的拉伸性能具有重要意义。

断裂强度、断裂伸长率和断裂比功等都属于混纺纱的拉伸性能指标。长期以来,断裂强度作为最常用的指标,受到了学者们的广泛关注[5-6],但在实际使用中混纺纱通常是受到反复拉伸或轴向冲击作用,断裂强度只能衡量力的大小,在该情况下无法准确地评价混纺纱的抗破坏能力。而断裂比功是指拉断单位线密度、单位长度的纱所需要做的功,能够衡量混纺纱的坚牢度、耐久性[7-8]与抗轴向冲击性能[9]。例如,在织造生产过程中经纱会受到反复的拉伸作用,强度高但断裂比功小的麻纱易断头;而强度低但断裂比功大的棉纱断头较少。又如强度高但断裂比功小的环锭纱断头较多;而强度较低但断裂比功大的转杯纱断头就较少。这些都表明纱的断裂比功能更好地反映纱的抗破坏能力。实际上,它是断裂强度与断裂伸长率的综合体现,可表示为拉伸曲线(强度-伸长率曲线)下方的面积。

混纺纱的断裂比功与各组分的混纺比关系密切,所以预测断裂比功随混纺比变化的规律,在混纺纱的生产加工以及产品应用中至关重要;但是目前相关研究较少,且主要是经验上的定性分析。1979年, Duckett等[10]通过将纯棉纱与纯涤纶纱的拉伸曲线简化为直线,并假设在涤棉混纺纱中二组分之间没有相互作用,建立了断裂比功与混纺比的关系式。但该式只有在混纺纱断裂伸长率已知的条件下才能计算出混纺纱的断裂比功,所以无法用于断裂比功的预测。国内一些学者在实验数据的基础上探讨了混纺纱断裂比功与混纺比的关系。杨庆斌等[11]发现,在大豆蛋白复合纤维与棉或与涤纶混纺时,断裂比功随混纺比变化的趋势与断裂强度随混纺比变化的趋势相似;于璐等[12]则发现,聚乳酸纤维与Modal纤维混纺时断裂比功变化趋势的转折点与断裂伸长率的转折点一致。上述研究都没有进行深入讨论。

为深入探究混纺纱断裂比功与混纺比的关系,本文从预测混纺纱拉伸曲线的角度出发,在前人对混纺纱断裂强度、断裂伸长率研究[13]的基础上,建立了一个简单的拉伸曲线模型。通过推算曲线下方的面积,建立双组分混纺纱断裂比功与混纺比的关系式;并通过混纺实验数据,验证该关系式的适用性与可靠性。

1 混纺纱断裂强度与断裂伸长率分析

双组分纤维混纺时,定义纯纺纱断裂伸长率较小的组分为A组分,伸长率较大的为B组分。假设:A组分纯纺纱的断裂强度为SA,断裂伸长率为εA;B组分纯纺纱的断裂强度为SB,当伸长率为εA时对应的强度为S′B,断裂伸长率为εB。A组分在混纺纱中的含量(即混纺比)为a,B组分在混纺纱中的含量(即混纺比)为b=1-a。A组分和B组分的纯纺纱拉伸曲线如图1所示。

图1 A组分纯纺纱与B组分纯纺纱的拉伸曲线Fig.1 Tensile curves of 100% A yarn and 100% B yarn

1.1 混纺纱断裂强度

1975年,Gupta等[14]发现,将Hamburger提出的混纺纱强度公式[5]中纤维的强伸性能转换成其纯纺纱的强伸性能,预测结果与实测值会有较好的吻合度。郁崇文等[13]的研究也进一步证实了这一点。断裂强度S的表达式如下:

S=max{S1,S2}

(1)

其中

S1=aSA+bS′B

(2)

S2=bSB

(3)

图2中的实线即混纺纱断裂强度随混纺比变化的曲线。当S1=S2时,对应的B组分含量称为临界混纺比bC,通过式(2)、(3)可推导出bC的计算式:

图2 混纺纱断裂强度与混纺比的关系Fig.2 Relationship between bended ratio and tenacity of blended yarn

(4)

1.2 混纺纱断裂伸长率

通过对混纺纱断裂过程的分析以及对断裂伸长率经验数据的总结,郁崇文等[13]发现断裂伸长率随混纺比变化的趋势基本呈现图3所示的规律,于是提出了混纺纱断裂伸长率ε的表达式:

图3 混纺纱断裂伸长率与混纺比的关系Fig.3 Relationship between blended ratio and breaking extension of blended yarn

(5)

2 混纺纱断裂比功分析

混纺纱断裂比功在数值上等于其拉伸曲线(强度-伸长率曲线)下方的面积,因此,预测出混纺纱的拉伸曲线,就能够推算出其断裂比功。通过式(1)～(5)可预测出混纺纱拉伸曲线上部分点的坐标。将这些点以及坐标原点用直线连接,就得到简化的拉伸曲线,进而可推导出拉伸曲线下方图形面积(即断裂比功)的表达式。通过文献[13]对混纺纱断裂过程的分析可以发现,以临界混纺比bC为界,可将混纺纱的断裂过程分为2种,不同的断裂过程对应着不同的表达式。

2.1 混纺比b小于或等于bC

混纺纱受到拉伸作用时,在初始阶段A、B二组分共同承受外力。当伸长率达到εA时,混纺纱的强度为S1。如果继续拉伸,A组分将断裂,所有的外力主要由B组分承受。此时,由于B组分含量较小(b≤bC), 其承载极限S2小于S1,所以整个纱体断裂。S1与εA就是混纺纱的断裂强度和断裂伸长率。将混纺纱拉伸曲线简化为拉伸起始点O(0,0)与纱体断裂点P(εA,S1)的连线OP,则线段OP下方三角形的面积即为断裂比功W,如图4所示。其中灰色斜纹部分的面积即预测断裂比功:

图4 混纺纱实际与预测拉伸曲线(b≤bC)Fig.4 Practical and predicted tensile curve of blended yarn (b≤bC)

(6)

2.2 混纺比b大于bC

随着B组分含量的增大,其承载极限S2也逐渐增大。当B组分含量超过临界值bC时,S1小于S2,所以A组分断裂后,B组分仍能够单独承受拉伸,继续伸长,直到伸长率为ε时B组分也断裂,即整个纱体断裂。S2与ε即为混纺纱的断裂强度与断裂伸长率。可将混纺纱拉伸曲线简化为:拉伸起始点O(0,0)、A组分断裂点P(εA,S1)和纱体断裂点M(ε,S2)的连线OPM,折线OPM下方图形(即三角形加梯形)的面积则为断裂比功W,如图5所示。图5(a)、 (b)分别为2种典型的混纺纱拉伸曲线示意图。灰色斜纹部分的面积即为预测断裂比功:

图5 混纺纱实际与预测拉伸曲线(b>bC)Fig.5 Practical and predicted tensile curve of blended yarns (b>bC).(a)Convex curve; (b)Concave curve

(7)

综上所述,混纺纱断裂比功与纯纺纱拉伸性能、混纺比之间的关系式为

(8)

由式(8)可见,与断裂强度、断裂伸长率相似,断裂比功随混纺比变化的趋势在临界混纺比bC处发生转变。

3 断裂比功-混纺比关系式的验证

3.1 实验验证

为验证上述断裂比功-混纺比关系式的可靠性,设计了棉与粘胶2种纤维的混纺实验,纺制了线密度为25 tex、捻系数为355的纯棉纱、纯粘胶纱和4种棉/粘胶混纺纱(混纺比分别为20∶80、40∶60、60∶40、 80∶20)。使用YG061F型电子单纱强力仪,按照GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(CRE法)》测试了成纱的拉伸性能。纯纺纱的拉伸曲线如图6所示,可以得到纯纺纱拉伸性能:SA=13.68 cN/tex,SB=9.71 cN/tex,S′B=8.90 cN/tex,εA=6.93%,εB=7.90%(A组分为棉,B组分为粘胶)。

图6 纯棉纱与纯粘胶纱拉伸曲线Fig.6 Tensile curves of cotton yarn and viscose yarn

根据式(1)～(8)计算出不同混纺比下混纺纱的拉伸性能,并与实测值进行对比,结果如图7所示。计算得出临界混纺比bC为94%。通过图7(a)可以看出,预测的断裂比功变化趋势与实测结果基本相符。

图7 棉/粘胶纤维混纺纱拉伸性能Fig.7 Tensile properties of cotton/viscose fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

本实验中,断裂比功随着粘胶纤维含量的增加,以临界混纺比bC为界,呈现先减小后增加的趋势。断裂比功的实测值总是高于预测值,主要原因是棉/粘胶混纺纱拉伸曲线呈凸状,而预测拉伸曲线为直线。实际曲线总高于预测曲线,其下方面积大于预测曲线下方面积。例如,当棉与粘胶混纺比为60∶40 时,实测拉伸曲线明显呈凸状,致使断裂比功预测值偏小,如图8(a)所示。当棉与粘胶混纺比为20∶80时,预测拉伸曲线明显低于实际凸状拉伸曲线,导致断裂比功预测值偏小;同时,断裂强度、断裂伸长率预测值偏大,会导致断裂比功预测值偏大,从而部分抵消了实际拉伸曲线呈凸状带来的误差见图8(b)。

图8 棉/粘胶混纺纱拉伸曲线Fig.8 Tensile curves of cotton/viscose yarn.(a)cotton/viscose(60/40) yarn; (b)cotton/viscose(20/80) yarn

3.2 文献案例验证

为进一步验证断裂比功-混纺比关系式的适用性与可靠性,使用文献中混纺案例的纯纺纱拉伸测试数据(见表1)预测混纺纱的拉伸性能随混纺比变化的情况,并与实测值进行对比,如图9～15所示。上述文献主要讨论混纺比与断裂强度、断裂伸长率的关系,并未深入讨论断裂比功。部分案例中的原始数据为断裂功,此处为方便讨论,均根据下式换算为断裂比功:

表1 文献中各种纯纺纱的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of various pure spun yarns in literatures

图9 棉/竹浆纤维混纺纱拉伸性能Fig.9 Tensile properties of cotton/bamboo pulp fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

图10 棉/腈氯纶混纺纱拉伸性能Fig.10 Tensile properties of cotton/modacrylic yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

(9)

由图9～15可看出,与断裂强度和断裂伸长率相似,断裂比功的变化趋势在临界混纺比bC附近发生转变。针对不同种类的混纺纱,断裂比功预测值随混纺比变化的趋势与实测结果基本相符,证明本文提出的关系式具有一定普适性。

图11 棉/大豆蛋白复合纤维混纺纱拉伸性能Fig.11 Tensile properties of cotton/soybean protein fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

图12 棉/高强锦纶混纺纱拉伸性能Fig.12 Tensile properties of cotton/high strength polyamide yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

图13 大麻/锦纶混纺纱拉伸性能Fig.13 Tensile properties of hemp/polyamide yarn. (a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

图14 羊绒/羊毛混纺纱拉伸性能Fig.14 Tensile properties of cashmere/wool yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

图15 涤纶/大豆蛋白复合纤维混纺纱拉伸性能Fig.15 Tensile properties of polyester/soybean protein fiber yarn.(a)Specific work of rupture-blended ratio; (b)Tenacity-blended ratio; (c)Breaking extension-blended ratio

部分混纺实验中,断裂强度、断裂伸长率和断裂比功的预测结果仍存在一定误差。断裂比功的误差与断裂强度或断裂伸长率的预测误差相似,处于可接受范围内。造成断裂比功预测误差的主要原因有2方面:对拉伸曲线的简化以及断裂强度、断裂伸长率的预测误差。一方面,混纺纱的实际拉伸曲线往往呈光滑的凹凸状,而预测曲线被简化为直线或折线,如图5所示。实际曲线呈凸状时,例如棉/竹浆纤维混纺和涤纶/大豆蛋白复合纤维混纺时,断裂比功预测值就会偏小;相反,当实际曲线呈凹状时,例如高比例腈氯纶混纺以及高比例羊毛混纺时,断裂比功预测值就会偏大。另一方面,断裂强度或断裂伸长率的预测值偏大,断裂比功预测值也会偏大;相反,断裂强度或断裂伸长率预测值偏小,例如棉/大豆蛋白复合纤维、棉/高强锦纶以及大麻/锦纶混纺,断裂比功预测值也会偏小。

虽然预测结果存在一定误差,但该关系式能较好地预测出断裂比功随混纺比变化的趋势。

4 结 论

本文探究了双组分混纺纱断裂比功与混纺比的关系。通过对混纺纱断裂过程的分析,提出了一种简单的混纺纱拉伸曲线模型,并根据该模型建立了混纺纱断裂比功与混纺比的关系式。由该式可知,与断裂强度、断裂伸长率相似,混纺纱断裂比功随混纺比变化的趋势在临界混纺比附近发生转变。之后通过实验数据验证了该关系式的适用性与可靠性。该式为预测混纺纱的断裂比功提供了一种简单的方法,且预测误差与现有的断裂强度或断裂伸长率表达式的预测误差相似,处于可接受范围内,为生产中合理地选择混纺比提供了指导。

致谢感谢上海市现代纺织前沿科学研究基地对本文的资助。