竹炭粘胶纤维的力学性能研究_杨庆斌

导读:织物性能测试,竹炭粘胶纤维的力学性能研究,[摘要]详细分析了竹炭纤维的力学性能,包括基本拉伸性能、不同夹持状态下拉伸,性能和松弛性能等,并与相关粘胶纤维进行了力学性能比较;对于竹炭纤维的拉伸性能和松,[关键词]竹炭纤维;粘胶纤维;强伸性能;松弛性能;力学模型[中图分类号]TS10,竹炭纤维是华东理工大学上海华力索菲科技有限公司推出的新型纤维品种,在竹炭纤维中,含有一种纯自然的超细竹炭添加剂,竹

竹炭粘胶纤维的力学性能研究_杨庆斌

442008年第2期

织物性能测试

竹炭粘胶纤维的力学性能研究

杨庆斌,刘逸新,李金强,辛玉军,刘 涛

1

1

2

1

1

(1.青岛大学纺织服装学院,山东青岛266071;2.山东服装职业学院,山东泰安271000)

[摘要] 详细分析了竹炭纤维的力学性能,包括基本拉伸性能、不同夹持状态下拉伸

性能和松弛性能等,并与相关粘胶纤维进行了力学性能比较;对于竹炭纤维的拉伸性能和松弛性能,分别选择了适当的力学模型进行拟合。

[关键词] 竹炭纤维;粘胶纤维;强伸性能;松弛性能;力学模型  [中图分类号]TS102.51 [文献标识码]A [文章编号]1003-1308(2008)02-0044-06

1 引 言

竹炭纤维是华东理工大学上海华力索菲科技有限公司推出的新型纤维品种。在竹炭纤维中,含有一种纯自然的超细竹炭添加剂。竹炭添加剂是取自我国南方的一种天然植物,经过高科技的焙烧、超细加工和表面处理技术而成的。竹炭纤维的生产,需要通过传统的粘胶纤维制备工艺过程,将竹炭微粉经过表面处理、分散均匀,然后经特殊工艺将竹炭浆乳添加进粘胶纤维中,混合均匀之后,再将纺丝酸浴的组成做适当调整,即可拉丝成形,制备出合格的竹炭粘胶纤维。

由于竹炭粘胶纤维内镶嵌有纳米级竹炭微粉,使得该功能纤维充分体现出竹炭所具有的吸附异味、散发淡雅清香、防菌抑菌、遮挡电磁波辐射、发射远红外线、调节温湿度、美容护肤等特性,对人体有良好的保健作用。在吸附方面,竹炭粘胶纤维能吸附甲醛、苯、甲苯、氨等有害物质,以及香烟味、油漆味等。

目前,对于竹炭纤维的基本性能研究文献较少,本文将主要针对竹炭纤维及相关的粘胶纤维的力学性能,进行实验研究和对比分析;并选择适当的力学模型,对其力学性能进行模拟分析。

[1~5]

2 实验样品、实验仪器及实验条件

2.1 实验样品

实验中所用竹炭纤维、粘胶纤维的规格见表1。

表1 竹炭纤维规格

项目竹炭纤维粘胶纤维

长度(mm)

3838

细度(dtex)1.671.67

产地北京山东

[收稿日期]2008-05-06;[修订日期]2008-06-16

《纺织科学研究》2.2 实验仪器及实验条件

2.2.1 单纤维一次拉伸实验、单纤维结节及钩接强力实验

实验仪器:LLY-06E型电子单纤维强力仪。

实验条件:拉伸速度10mm min,预加张力0.2cN,夹持距离10mm,测试次数50次。2.2.2 纤维松弛性能实验

实验仪器:LLY-06E电子单纤维强力仪。

45

实验条件:拉伸速度10mm min,预加张力0.2cN,夹持距离10mm,定伸长值分别为10%、15%、20%和25%,测试次数为50次。

3 实验结果与分析

3.1 一次拉伸断裂性能

在常温干态和湿态下,竹炭纤维和粘胶纤维一次拉伸断裂性能的基本指标比较见表2。

表2 竹炭纤维和粘胶纤维在常温干态和湿态下的一次拉伸断裂性能

项目

测试状态干态湿态

粘胶纤维

干态湿态

断裂强度(cN dtex)2.961.872.752.48

断裂伸长率(%)14.6810.2113.2812.24

初始模量(cN dtex)95.9554.5566.5877.90

断裂功(μJ)4.991.883.953.29

竹炭纤维

  竹炭纤维和粘胶纤维的常温干态和湿态拉伸曲线如图1所示。

图1 竹炭纤维和粘胶纤维在干态和湿态下的拉伸曲线

如表2和图1所示,在常温干态下,竹炭纤维的断裂强度略高于粘胶纤维,为粘胶纤维的1.08倍;断裂伸长率略高于粘胶纤维,是粘胶纤维的1.11倍;断裂功是粘胶纤维的1.26倍。经湿处理后,竹炭纤维的断裂强度、断裂伸长率、初始模量和断裂功均较常温干态时低,分别为常温干态时的63.2%、69.6%、56.9%和37.7%。

如表2和图1所示,在常温湿态下,竹炭纤维的断裂强度是粘胶纤维的75.4%;断裂伸长率是462008年第2期

粘胶纤维的83.4%;竹炭纤维的初始模量低于粘胶纤维,是粘胶纤维的70.0%;断裂功为粘胶纤维的57.1%。可以看出,经湿处理后,竹炭纤维在力学性能上的变化较粘胶纤维明显。3.2 在不同夹持方式下的断裂性能测试3.2.1 实验结果

在不同夹持方式下,竹炭纤维和粘胶纤维的一次拉伸断裂性能基本指标见表3。

表3 竹炭纤维和粘胶纤维在不同夹持方式下的拉伸性能

断裂强度(cN dtex)

夹持方式

竹炭纤维

直接拉伸结节拉伸钩接拉伸

2.961.461.83

粘胶纤维2.751.461.23

竹炭纤维14.686.793.11

粘胶纤维13.285.161.56

竹炭纤维95.9550.8492.16

粘胶纤维66.5868.6877.55

竹炭纤维4.991.350.65

粘胶纤维3.950.940.16

断裂伸长率(%)

初始模量(cN dtex)

断裂功(μJ)

  由表3可以看出,竹炭纤维纤维在结节、钩接拉伸状态下的断裂强度,均小于直接拉伸状态的断裂强度;结节拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的49.3%;钩接拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的61.8%。由此可见,当结节、钩接拉伸时,纤维的断裂强度损失均较为明显;钩接拉伸时,断裂强度损失更加明显;结节和钩接拉伸断裂伸长率均较直接拉伸状态下有所减小,分别为直接拉伸下的46.3%和21.2%,其中,钩接时的断裂伸长率减小更为明显;结节、钩接断裂功均较普通夹持状态下有所减小,相应地,钩接拉伸断裂功较直接拉伸状态下减小的幅度更大。

由表3可以看出,粘胶纤维在结节、钩接拉伸状态下的断裂强度,亦均小于直接拉伸状态的断裂强度;结节拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的53.1%;钩接拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的44.7%。由此可见,当结节、钩接拉伸时,断裂强度损失亦都很明显;当钩接拉伸时,断裂强度损失更加明显;结节和钩接拉伸断裂伸长率均较直接拉伸状态下有所减小,分别为直接拉伸状态下的38.9%和11.7%,其中,钩接拉伸时的断裂伸长率减小更为明显;结节、钩接拉伸断裂功,较直接拉伸亦均有所减小。

3.2.2 在不同夹持方式下的两种纤维拉伸曲线

在不同夹持方式下,竹炭纤维和粘胶纤维的拉伸曲线如图2所示。

图2 竹炭纤维和粘胶纤维在不同夹持方式下的拉伸曲线

由图1、图2和表2、表3可知,此粘胶基竹炭纤维的各项力学性能指标与普通粘胶纤维基本接

《纺织科学研究》47

近,各项力学性能指标略有所增大,在一定程度上改善了普通粘胶纤维的性能;但在湿态下,各项力学性能的下降程度要比普通粘胶纤维大。3.3 拉伸性能模拟分析3.3.1 力学模型

为了模拟竹炭纤维的应力-应变曲线,采用以下三种不同的粘弹性力学模型:Vangheluwe模型,Zurek模型,多项式模型。如图3所示,(a)表示标准线性固体模型(用于纤维松弛性能的拟合),(b)表示Vangheluwe模型,(c)表示Zurek模型。

图3 纤维的应力应变粘弹性模型

对于Vangheluwe模型,有:

P(ε)=P0+A[1-exp(-Bε)]+Cε

  其中,A=ηγ,B=M A,C为非线性弹簧的模量。

对于Zurek模型,有:

P(ε)=Aε+B+(Cε-B)exp(-aε)

  对于多项式模型,有:

P(ε)=P1+Aε+Bε+Cε+Dε+Eε+Fε

3.3.2 拟合参数

利用上述四种模型的拟合参数,分析竹炭纤维的力学性能如表4所示。

从表4中的origin7.0拟合曲线参数可以看出,三种模型都能较好地拟合竹炭纤维的直接拉伸、结节拉伸和钩接拉伸曲线。对于直接拉伸方式,最佳的模型为多项式模型和Zurek模型;对于结节拉伸方式,最佳的模型为多项式模型和Zurek模型;对于钩接拉伸方式,最佳模型为Zurek模型和多项式模型。

3.4 竹炭纤维与粘胶纤维的松弛性能比较3.4.1 实验结果

为了比较竹炭纤维的松弛性能,分析其内部结构的变化,在拉伸曲线上取2%、5%、8%和10%四种应变进行松弛实验。在不同应变条件下,竹炭纤维和粘胶纤维的松弛曲线见图4。3.4.2 松弛性能模拟分析

对于线型粘弹体纤维,松弛模量R(t)与应变ε无关,与采用杨氏模量表达弹性材料的力学性2

3

4

5

6

2

(1)

(2)(3)

48  

实验方式

V模型

表4 竹炭纤维在不同夹持方式下的拉伸性模型参数相关系数R2

Z模型

相关系数R2

多项式模型P1=-0.05235

P0=-0.05778

直接拉伸

A=1.67108B=0.87881C=0.00717

R2=0.99774

A=0.16242B=0.69523C=0.80829α=0.51818

R2=0.99808

A=1.39620B=-0.49897C=0.09487D=-0.00950E=0.00048

2008年第2期

相关系数R2

R2=0.99903

F=-9.85990×10-6

P1=0.01129

P0=-0.01312

结节拉伸

A=1.19575B=0.78311C=0.00229

R2=0.99861

A=0.17890B=-0.28284C=0.81813α=0.39581

R2=0.99890

A=0.72521B=0.00109C=-0.14776D=0.05793E=-0.00908F=0.00052P1=0.02659

P0=0.00118

钩接拉伸

A=1.70702B=0.74962C=0.01412

R2=0.99897

A=0.45427B=-1.21052C=1.31495α=0.41160

R2=0.99901

A=0.91241B=0.49900C=-0.82911D=0.40659E=-0.08749F=0.00702

R2=0.99952R2=0.99966

图4 竹炭纤维和粘胶纤维在不同应变下的松弛曲线

能相同。对于理想纤维R(t),其最简单形式为:

R(t)=Aexp(-t T)+B(4)《纺织科学研究》

式中:A、B为常数(模型弹性模量),T=η (A+B)定义为松弛时间,t为时间变量。

49

如图3(a)所示,利用标准线性固体模型,采用origin7.0对竹炭纤维的松弛性能进行拟合,拟合参数如表5所示。

表5 竹炭纤维在不同应变下的松弛模型参数

模型参数

应变(%)

A

25810

0.390.370.390.49

B1.331.751.912.54

T12.599.026.525.49

相关系数R2

0.950.950.940.95

  从表5中可以看出,标准线性固体模型可以很好地拟合竹炭纤维的松弛性能;应力在2%、5%、8%和10%四种条件下,松弛时间是不相同的,胡克弹性模量的估计值是不同的。因此,竹炭纤维可能因张力作用而产生一些内部结构上的改变。

4 结 论

(1)在干态下,竹炭纤维的断裂强度略高于粘胶纤维,为粘胶纤维的1.08倍;断裂伸长率略高于粘胶纤维,是粘胶纤维的1.11倍;断裂功是粘胶纤维的1.26倍。经湿处理后,竹炭纤维的断裂强度、断裂伸长率、初始模量和断裂功均较常温干态时低,分别为常温干态时的63.2%、69.6%、56.9%、37.7%。

(2)在结节、钩接拉伸状态下,竹炭纤维的断裂强度均小于直接拉伸状态的断裂强度,结节拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的49.3%,钩接拉伸断裂强度为直接拉伸断裂强度的61.8%。由此可见,当结节、钩接拉伸时,断裂强度损失均较为明显;当结节拉伸时,断裂强度损失更加明显;结节和钩接拉伸断裂伸长率,均较直接拉伸状态下有所减小,分别为直接拉伸下的46.3%和21.2%,其中,钩接时的断裂伸长率减小更为明显;对于竹炭纤维而言,多项式模型可以很好地拟合其直接拉伸、结节拉伸和钩接拉伸性能。

(3)标准线性固体模型可以很好地拟合竹炭纤维的松弛性能,当应力分别为2%、5%、8%和10%的条件下,松弛时间是不相同的,胡克弹性模量的估计值也是不同的。因此,竹炭纤维可能因张力作用而产生一些内部结构上的改变。

[

献]

[1] 楼卫东,吕朝亚.竹炭在纺织品中的开发应用[J].现代纺织技术,2006,14(4):41~42.

[2] 刘广平,郑风琴,张海燕,等.竹炭粘胶纤维针织系列产品的研制与开发[J].上海纺织科技,2006,34(9):52~

53.

[3] 王琳,李晓蓉,曹秋玲.竹炭及其纺织品的开发和应用[J].纺织导报,2006,(2):36~37.[4] 章瓯雁.竹炭在床上用品中的应用[J].丝绸,2006,(1):14~15.

[5] 谢跃亭,胡雪敏.新型功能性纤维———竹炭粘胶纤维[J].针织工业,2005,(9):15~16.

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