氧化铝纱线的合股数与捻度对其强度的影响

李久刚, 金鑫鹏, 邓文韬, 秦 雪, 张 贺, 黄 丛, 刘可帅

(1.武汉纺织大学 纺织科学与工程学院, 湖北 武汉 430200; 2.武汉纺织大学 纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室, 湖北 武汉 430200; 3.航天科工空间工程发展有限公司, 北京 100854)

20世纪以来,航空航天科学技术迅猛发展,已成为当今人类认识和改造自然中非常活跃并有深远影响的科学技术之一。航空航天工程发展所涉及的内容错综复杂,所以需要综合应用各种技术,其中就包括纺织材料技术[1]。航空航天领域的材料与大多数日常使用的材料不同,要根据不同部位的需求进行特殊研制,以满足每个航天器不同部位的不同功能需求[2-3]。氧化铝纤维作为陶瓷纤维具有耐高温、抗拉伸等优点,又具有普通纤维的可加工性等诸多优异的性能,其在高新型工业上的使用备受青睐。

姜如[4]制备了氧化铝纤维复合材料,在常温下测试了其层间剪切强度和断裂韧性等。丁一等[5]采用XQ-1C型高强高模纤维强度仪对氧化铝纤维的勾接强度、拉伸强度进行测试,并使用捻度仪测试其捻系数。研究发现,该新型氧化铝维的强力虽然满足纺纱要求,但抗弯能力和抗扭能力差。杨序纲等[6]使用Instorn力学拉伸仪测定单根纯氧化铝纤维和氧化铝-氧化锆纤维的拉伸性能。谢治云等[7]测试研究了热处理后氧化铝纤维的结构以及力学性能。我国要突破氧化铝纤维生产技术难题,杜绝国外的垄断,需要对氧化铝纤维的性能进行多方面深入的研究。

纺织纤维的力学性能,是关乎纤维及其制品在使用过程中性能好坏的性质之一。在纤维及其制品的使用过程中,纤维的力学性能对其性能优劣影响十分明显,可通过纤维在外力作用下表现出的耐破坏性进行评价。纤维在外力作用下被破坏的形式有很多种,目前最重要的研究形式是拉伸断裂强力。本文研究了不同合股数下的氧化铝纱线在常温下的力学性质,以及不同捻度下氧化铝纱线的力学性质,通过数据处理和统计分析后全面评价氧化铝纤维的力学性能,可为氧化铝纤维的后续应用及进一步开发提供参考[8]。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

75 tex连续氧化铝纤维(山东东珩责任有限公司)、高性能AB胶水(上海康达新材料股份有限公司)、硬纸板(上海海尚纸品有限公司)、5967型电子强力万能试验机(美国INSTRON公司)。

1.2 氧化铝纱线的制备

1.2.1 不同合股数纱线的制备

不同合股数氧化铝纱线样品制备过程:制备单股(线密度为75 tex)的氧化铝纤维样品,即剪取单根长度为180 mm的氧化铝纤维,两端施加0.5 N张力使纤维伸直而不紧绷,纤维试样两端用裁剪好的硬纸板和高性能胶水黏住固定,保证纤维不滑脱,当试样两端夹持后,确保试样中间部分测试距离为 100 mm; 制备合股数为2(线密度为150 tex)的氧化铝纱线样品,则需剪取2段长度为180 mm的氧化铝纤维,将其并线成1根纱线再在两端施以一定张力,并用硬纸板和高性能胶水固定;制备合股数为3的氧化铝纱线(线密度为225 tex),则取3段长度为180 mm的氧化铝纤维,将3段并线成1根纱线,将两端用硬纸板和胶水黏住固定。以此类推制备合股数为4、5的氧化铝纱线(线密度分别为300、375 tex), 不同合股数氧化铝纱线拉伸制样模拟图如图1所示,中间省略2、3、4、5股,圆圈部分为放大示意图。多倍并线的氧化铝纱线并合时要注意纤维之间要紧凑贴合,并且伸直程度要相同,避免后续测试产生纤维断裂不同时性。

图1 合股氧化铝纱线的拉伸制样模拟图Fig.1 Simulation diagram of tensile drawing of composite alumina yarn

1.2.2 不同捻度纱线的制备

将不同合股数的氧化铝纱线分为5组,每组至少5个,其中第1组不加捻,其它4组按设计的捻度分别进行加捻。对氧化铝纱线加捻可增加单丝之间的抱合力而形成稳定的形态,同时也使纤维中较松软的部位变得紧密,有利于增加单丝的断裂同时性,合适的捻系数能增加纱线的强度[9-11]。将不同合股数的氧化铝纱线样品两端用胶水凝固后,分别加捻0、2、4、6、8个捻回数,即每个相同线密度氧化铝纱线中的相同捻度至少制作5个样品,所得到的捻度则分别为0、2、4、6、8 捻/(10 cm),由加捻产生的捻缩距离很小,可忽略不记。不同加捻数氧化铝纱线的制备示意图如图2所示,把制备的样品一端用硬纸板固定,另一端用手将其逆时针旋转相应捻回数,加捻过程要注意纤维保持平直,不发生弯曲和卷缩。加捻结束后将其平铺在有纸张的托盘上,必要时将两端硬纸板用胶带固定在白纸上,使其保持伸直而不紧绷,防止在调节平衡时样品发生收缩或解捻造成不必要的力学损失[12-14]。

图2 不同捻度氧化铝纱线的制备示意图Fig.2 Preparation schematic diagram of alumina yarn with different twist yarn

1.3 断裂强度测试与捻系数计算

首先,将样品两端分别用2片30 mm×30 mm的纸板黏着固定,使得上机夹持时不易发生滑移及夹持处断裂现象。夹持距离为100 mm。所有样品在室温环境下调湿24 h至平衡状态再通过电子强力万能测试仪进行拉伸测试,测试夹头竖直夹持样品两端的硬纸板,使得样品中间部分的纤维保持垂直。实验参数为:夹持长度100 mm;运行速率 20.00 mm/min; 预加张力0.001～0.002 N。

每组至少测试5个样品,去掉最大值和最小值后计算其断裂强度平均值。纱线的捻系数[8]计算公式为

式中:αt为捻系数;Tt为捻度,捻/(10 cm);Nt为线密度tex。

2 结果与分析

2.1 合股数对纱线力学性能的影响

测试合股数对氧化铝纱线强力的影响,不同合股数氧化铝纱线断裂强度关系如图3所示。可以看出,随着合股数的不断增加,氧化铝纱线的断裂强度呈现下降的趋势,这是由于氧化铝纱线中的纤维断裂不同时性增加导致的。氧化铝纱线随着合股数的增加,断裂强度不断减小,与单股相比,2股纱线、3股纱线、4股纱线和5股纱线的断裂强度分别下降了0.9%、2.9%、7.4%、9.9%。

图3 氧化铝纱线合股数与断裂强度的关系Fig.3 Relationship between ply number of alumina yarn and fracture strength

2.2 捻度与合股数对纱线力学性能的影响

不同合股数氧化铝纱线在不同捻度下的断裂强度测试结果如图4所示。可以看出,加捻后不同合股数的纱线都呈现随着捻度的增加,断裂强度先增加后减少的趋势,其峰值各有不同但大小相近,最大断裂强度对应的临界捻度也不同。其中,单股氧化铝纱线在6 捻/(10 cm)时断裂强度最大,为32.62 cN/tex; 2股氧化铝纱线在6捻/(10 cm)时断裂强度最大,为32.73 cN/tex;3股氧化铝纱线在4 捻/(10 cm)时断裂强度最大,为 32.34 cN/tex; 合股数为4时,氧化铝纱线在4 捻/(10 cm)时断裂强度最大,为31.25 cN/tex;合股数为5时,氧化铝纱线在4 捻/(10 cm)时断裂强度最大,为 30.31 cN/tex。 加捻能加强单丝之间的抱合力,增加纤维之间断裂的同时性,使得其断裂强度有所增加,但是若加捻产生过大的倾斜角度反而使得单丝剪切方向的分力变大,造成断裂强度变小,这是断裂强度产生峰值的原因[15]。

图4 不同合股数下氧化铝纱线捻度与断裂强度的关系Fig.4 Relationship between twist and fracture strength of alumina yarn under different ply numbers

实验发现,单股氧化铝纱线加捻至8 捻/(10 cm)时,放置24 h后出现部分单丝断裂,而其它线密度的纱线未出现该现象,因此造成该捻度下测试的断裂强度下降比其它线密度的纱线较大。当单股氧化铝纱线加捻到8捻/(10 cm)以上时,会发生自然断裂。这说明氧化铝纱线的扭转性较差,纤维剪切方向的断裂强度较小。但在相同的加捻程度时,即捻系数相同时的其它更粗的纱线中却未出现该情况。这是因为单丝数量较少时,纱线较细,加捻时纤维外层纤维向内层纤维挤压产生向心力[15],使得纤维在较细处受到的压强较大,在低捻度时,压强的存在起到一个积极作用,可增加纤维之间的抱合力,提高强度;而随着捻度的增加,压强增大反而对氧化铝纤维的强度起到消极作用,压强较大使得较细的纤维片段受压强挤压,而未拉伸就开始有大部分单丝发生断裂。

2.3 捻系数对纱线力学性能的影响

捻度并非衡量不同粗细纱线加捻程度的标准,而捻系数可反映纤维与纤维轴线的倾斜角度,用于衡量不同线密度纱线的加捻程度[15]。根据公式计算相应的捻系数,结果如表1所示。

表1 不同合股数的氧化铝纱线在不同捻度下的捻系数Tab.1 Twist coefficient of alumina yarn with different ply number under different twist

以捻系数为横坐标,断裂强度为纵坐标作图,结果如图5所示。可以发现,氧化铝纱线的断裂强度随着捻系数的增加而呈先增加后减小的趋势。除单股氧化铝纱线外,其它合股数的氧化铝纱线的临界捻系数在60～80之间。这也再次说明氧化铝纤维在剪切向的承受力小,这在加捻与织造加工时是需要注意的。

图5 氧化铝纱线捻系数与断裂强度的关系Fig.5 Relationship between twist coefficient and fracture strength of alumina yarn

若要氧化铝纱线保持良好的性能,可对其适当加捻,增加纤维之间的抱合力,提高断裂同时性,但加捻程度不应过大,捻系数应控制在80以下。对于75 tex的氧化铝纱线,对其加捻程度要适当减小,避免加捻过程使其在纤维片段中拧断。

3 结 论

本文通过改变氧化铝纱线的捻度与合股数,测试其在常温下的拉伸断裂强度,又对不同线密度的氧化铝纱线进行加捻并对其拉伸断裂强度进行测试,得出如下结论。

1) 氧化铝纱线随着合股数的增加,断裂强度不断减小。与75 tex单纱相比,2股纱线、3股纱线、4股纱线和5股纱线的断裂强度分别下降了0.9%、2.9%、7.4%、9.9%。

2) 对不同合股数氧化铝纱线进行加捻后,其断裂强度随着捻度的增加呈现先增加后减小的趋势。不同合股数的氧化铝纱线在0～8捻/(10 cm)的捻度下,均出现断裂强度峰值,而临界捻系数位于60～80之间。