牛奶纤维的力学性能及模拟分析_刘元鹏

导读:牛奶纤维的力学性能及模拟分析,摘要:为了研究牛奶纤维的基本力学性能,本文采用各种不同实验仪器对牛奶纤维及相关纤,通过对各种性能分析比较,可以得出牛奶纤维在干态和湿态下的断裂强度小于腈纶纤维,断,牛奶纤维在湿态下断裂强度下降,断裂伸长率增加,牛奶纤维在钩接和结节拉伸状态下,其断裂强度和断裂伸长,关键词:牛奶纤维;强伸性;应力松弛;力学模型中图分类号:TS102.51,牛奶纤维是一种新型的再生蛋白

牛奶纤维的力学性能及模拟分析_刘元鹏

DOI:10.13306/j.1006-9798.2008.01.004第23卷第1期青岛大学学报(工程技术版)Vol.23No.1              2008年3月 Mar.2008JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T) 文章编号:1006

9798(2008)010013

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牛奶纤维的力学性能及模拟分析

刘元鹏,杨庆斌,谭 震,赵美华,孙永军

(青岛大学纺织服装学院,山东青岛266071)

摘要:为了研究牛奶纤维的基本力学性能,本文采用各种不同实验仪器对牛奶纤维及相关纤维的基本性能进行了测试分析。通过对各种性能分析比较,可以得出牛奶纤维在干态和湿态下的断裂强度小于腈纶纤维,断裂伸长率与腈纶接近。牛奶纤维在湿态下断裂强度下降,断裂伸长率增加。牛奶纤维在钩接和结节拉伸状态下,其断裂强度和断裂伸长

率均有不同程度的下降。对于直接拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型,对于结节拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型和Vangheluwe模型,对于钩接拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型。

关键词:牛奶纤维;强伸性;应力松弛;力学模型中图分类号:TS102.51

文献标识码:A

牛奶纤维是一种新型的再生蛋白质纤维,是先从牛奶中提取酪蛋白成分并与高聚物聚丙烯腈接枝共聚,形成在结构中含有牛奶蛋白质氨基酸大分子的线型高分子[1]。它兼有天然纤维与合成纤维的特性,既有柔软亲肤的穿着舒适性,又有抗菌防蛀的穿着服用性[2]。目前对牛奶纤维理化性能进行研究的较少[3-5]。本文将对牛奶纤维的基本力学性能进行系统分析,对牛奶纤维与母体腈纶纤维的强伸性能进行了对比实验,并对松弛性及变化规律进行了分析,为制定牛奶纤维生产工艺提供指导。

1 实验部分

1.1 实验样品

牛奶纤维为1.67dtex×38mm,上海正家牛奶丝科技有限公司提供;腈纶纤维为2.22dtex×37mm,齐鲁石油化工有限公司。1.2 实验仪器与实验条件

实验条件:夹持距离为10mm,拉伸速度1) 拉伸实验 实验仪器为LLY06E型电子单纤维强力仪;为10mm/min,预加张力为0.2cN,纤维根数为30根,温度为(20±3)℃,相对湿度为(65±3)%。

2) 松弛实验 实验仪器为LLY06E型电子单纤维强力仪;实验条件:隔距:10mm,速度:10mm/min,温度为(20±3)℃,相对湿度为(65±3)%,线密度:1.67dtex,试验次数:10,预张力:0.2cN,定伸长值分别为2%,5%,8%,10%,松弛时间30s。

2 实验结果及分析

2.1 一次拉伸断裂性能2.1.1 拉伸断裂性能基本指标

牛奶纤维和腈纶纤维在干态和湿态下的拉伸性能如表1所示。

*收稿日期:200709

18;修回日期:200712

27

作者简介:刘元鹏(1983),男,硕士研究生,主要从事纺织新材料、新工艺及新设备的研究。14

青岛大学学报(工程技术版)

表1 牛奶与腈纶单纤维的干态和湿态拉伸性能

测试项目

 断裂强度/(cN·dtex-1) 平均值  变异系数

干态

1.961.922.312.01

23.4725.7718.4321.82

 断裂伸长率/% 平均值  变异系数21.4925.0824.3424.83

23.1320.0318.6418.84

第23卷 

 初始模量/(cN·dtex-1)    断裂功/μJ   

 平均值  变异系数平均值  变异系数

27.8926.9428.5427.27

20.1023.4431.6422.12

43.3846.6085.7944.64

32.6640.4827.4428.04

牛奶纤维

湿态干态

腈纶纤维

湿态

从表1中可以看出,牛奶纤维在干态和湿态下的断裂强度小于腈纶纤维,断裂伸长率与腈纶接近。牛奶纤维在湿态下断裂强度下降,断裂伸长率增加,湿态下的断裂强度为干态断裂强度的97%,湿态下的断裂伸长率为干态断裂伸长率的1.17倍,湿态下的初始模量为干态初始模量的96.6%,与牛奶纤维相比较,腈纶纤维湿态下的断裂强度下降,为干态下断裂强度的87%,湿态下的断裂伸长率为干态断裂伸长率的1.02倍,湿态下的初始模量为干态初始模量的95.5%,从而可以看出,牛奶纤维湿态下的力学性能较腈纶纤维稳定。2.1.2 干态和湿态拉伸曲线

牛奶纤维和腈纶纤维干态与湿态拉伸曲线如图1所示。差异小于腈纶纤维,牛奶纤维的初始模量小于腈纶纤维。2.2 不同夹持方式下牛奶纤维的强伸性能2.2.1 实验结果

牛奶和腈纶纤维在3种不同夹持方式下强伸性能见表2所示。

表2 牛奶和腈纶纤维在3种不同夹持方式下强伸性能比较

牛奶纤维

项目

断裂伸长初始模量/断裂功/

   

(cN·dtex-1)率/%(cN·dtex-1)μJ

1.961.580.82

21.4917.735.69

26.8926.5827.61

43.3832.709.13

断裂强度/

断裂强度/

腈纶纤维

断裂伸长初始模量/断裂功/

   

(cN·dtex-1)率/%(cN·dtex-1)μJ

2.311.360.84

24.3410.093.73

28.3428.9135.84

85.7926.207.95

图1 牛奶纤维和腈纶纤维干态与湿态拉伸曲线

从图1中可以看出,牛奶纤维与腈纶纤维属于中强中伸型的纤维,牛奶纤维干态和湿态时的拉伸曲线的

直接结节钩接

从表2可以看出,牛奶纤维在钩接和结节拉伸状态下,其断裂强度和断裂伸长率均有不同程度的下降,在钩接拉伸状态下其断裂强度为直接拉伸状态下的42%,断裂伸长率为直接拉伸状态下的27%,在结节拉伸状态下,断裂强度为直接拉伸状态下的81%,其断裂伸长率为直接拉伸状态下的82.5%,相比较而言,钩接拉伸方式对牛奶纤维的拉伸性能影响更为显著,说明牛奶纤维的脆性较大,在纺织品加工中应予以重视。2.2.2 拉伸曲线

牛奶纤维和腈纶纤维在不同夹持方式下的拉伸曲线如图2和图3所示。

 第1期刘元鹏,等:牛奶纤维的力学性能及模拟分析

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图2 牛奶纤维在不同夹持方式下的拉伸曲线

图3 腈纶纤维在不同夹持方式下的拉伸曲线

2.2.3 理论拟合

为了模拟牛奶纤维的应力应变曲线,选用3种不同的粘弹性力学模型:四元件非线性粘弹模型,Vang-heluwe模型,Zurek模型对牛奶纤维直接、结节和钩接拉伸状态下的拉伸曲线进行拟合。1) 四元件非线性粘弹模型[3]

应力应变方程式为

23456

P(ε)=A+B1ε+B2ε+B3ε+B4ε+B5ε+B6ε

(1)

2) Vangheluwe模型

由粘滞系数为η和弹性模量为M的麦克斯韦尔模型及模量为C的非线性弹簧组成,应力应变方程式为P(ε)=P0+A(1-e其中,A=ηγ,B=M/A,C为非线性弹簧的模量。

-Bε

)+Cε

2

(2)

3) Zurek模型

该模型含有一惯性摩擦系数,该系统与牛顿粘壶和虎克弹簧组成的系统并联,整体再与虎克弹簧串联,其表达式为

P(ε)=Aε+B+(Cε-B)e-aε

表3 依试验方法选定的模型参数

模型

四元件非线性粘弹模型

A=-0.03208B1=0.33037B2=0.00038

直接拉伸

B3=-0.00852B4=0.00104B5=-0.00005B6=7.58×10-7A=0.02346B1=0.58355B2=-0.16873

结节拉伸

B3=0.02689B4=-0.00231

B5=0.0001B6=-1.73×10-6

A=0.00202B1=-0.07542B2=0.2746

钩接拉伸

B3=-0.17336B4=0.06162B5=-0.01065B6=0.000690.99865

P0=-0.05676A=4.76396B=0.03572C=0.00313

0.98217

A=-0.04256B=-1.48163C=0.12646α=-0.0333

0.97534

0.99879

P0=0.01075A=0.87653B=0.74195C=0.00203

0.99815

A=0.09009B=-0.09753C=0.51763α=0.29993

0.99704

0.99765

P0=-0.07211A=1.09455B=0.47301C=0.00231

0.99312

A=0.11978B=-0.59801C=0.42717α=0.20324

0.99316

相关系数R2

Vangheluwe模型

相关系数R2

Zurek模型

相关系数R2

(3)

16

青岛大学学报(工程技术版)第23卷 

  牛奶纤维的力学性能利用上述3种模型的拟合参数见表3所示。从表3中origin7.0拟合曲线参数可

以看出,所选择的3种力学模型都能够很好的拟合牛奶纤维的拉伸曲线,对于直接拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型,对于结节拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型和Vangheluwe模型,对于钩接拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型。2.3 松弛性能

2.3.1 牛奶纤维在不同定伸长下的松弛曲线

为了比较牛奶纤维的粘弹性,在拉伸曲线上取2%,5%,8%和10%4种应变比较,牛奶纤维在0.5min内在4种不同应变下的松弛性能如图4所示。2.3.2 理论拟合对于线性粘弹体纤维,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能相同

[3,4]

。对于理想纤维R(t)的最简单形式为R(t)=Aexp(-t/T)+B

(4)

式中,A和B为正常数;T=η/(A+B)定义为松弛时

图4 牛奶纤维在不同定伸长下的松弛曲线

间,A和B为模型弹性模量;t为时间变量。

理想纤维其松弛性能可采用标准线性固体模型表示[5],该模型由麦克斯韦尔和模量为B的弹簧组成,其中麦克斯韦尔是由一个模量为A的弹簧和一粘滞系数为η的牛顿粘壶组成。A、B、T的估计值见表4所示。

从表4中可以看出,牛奶纤维在上述4种不同的应变下松弛性能是不同的,在应变为2%和5%时,松弛时间为5s左右,模型参数基本相同;在应变为8%和10%时,松弛时间为6s左右,模型参数基本相同。说明牛奶纤维在2%,5%,8%和10%4种不同的应变下其内部结构发生了变化。

表4 不同应变下模型参数

         模型参数应变/%

AB

25810

0.1730.1710.3670.350

0.6630.6801.2471.298

相关系数R2

T6.866.185.2475.332

0.9770.9710.9870.983

3 结论

1) 牛奶纤维在湿态下断裂强度下降,断裂伸长率增加,湿态下的断裂强度为干态断裂强度的97%,湿态下的断裂伸长率为干态断裂伸长率的1.17倍,湿态下的初始模量为干态初始模量的96.6%,与牛奶纤维相比较,腈纶纤维湿态下的断裂强度下降,为干态下断裂强度的87%,湿态下的断裂伸长率为干态断裂伸长率的1.02倍,湿态下的初始模量为干态初始模量的95.5%,牛奶纤维湿态下的力学性能较腈纶纤维稳定。

2) 牛奶纤维在钩接和结节拉伸状态下,其断裂强度和断裂伸长率均有不同程度的下降,在钩接拉伸状态下其断裂强度为直接拉伸状态下的42%,断裂伸长率为直接拉伸状态下的27%,在结节拉伸状态下,断裂强度为直接拉伸状态下的81%,其断裂伸长率为直接拉伸状态下的82.5%,相比较而言,钩接拉伸对牛奶纤维的拉伸性能影响更为显著,说明牛奶纤维的脆性较大,在纺织品加工中应予以重视。

3) 三种力学模型都能够很好的拟合牛奶纤维的拉伸曲线,对于直接拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型,对于结节拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型和Vangheluwe模型,对于钩接拉伸,最佳模型为四元件非线性粘弹模型。牛奶纤维在4种不同的应变下松弛性能是不同的,在应变为2%和5%时,松弛时间为5s左右,模型参数基本相同;在应变为8%和10%时,松弛时间为6s左右,模型参数基本相同,说明牛奶纤维在2%,5%,8%和10%4种不同的应变下其内部结构发生了变化。

 第1期刘元鹏,等:牛奶纤维的力学性能及模拟分析

17

参考文献:

[1] 徐颖,陆振荣,唐人成.国产牛奶丝纤维的结构和热性能[J].针织工业,2005(2):2224.[2] 杨旭红.牛奶丝纤维Chinon的性能与特征[J].丝绸,1999(11):3941.

[3] 赵博.牛奶丝纤维与棉混纺纱产品的开发及工艺研究[J].济南纺织化纤科技2005(1):2830.[4] 赵博.sirofil纺针织纱工艺[J].纺织学报,2005,26(2):116117.

[5] 杨英贤,石风俊.牛奶丝纤维拉伸性能建模的研究[J].合成纤维2005,34(7):2426.

TheBasicMechanicalPropertiesandModelofMilkFibers

LIUYuan-peng,YANGQing-bin,TANZhen,ZHAOMei-hua,SUNYong-jun

(CollegeofTextileandGarment,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

Abstract:Inordertounderstandthemechanicalpropertiesofthemilkfibers,thebasicpropertiesofthemilkfibersaremeasuredwithdifferentinstruments.Bytheanalysisoftheresults,thefollowingconclu-sionscanbededuced:inthedryandwetstate,thebreakingstrengthofthemilkfibersislowerthanthatoftheacrylicandthebreakingelongationisneartothatoftheacrylic.Inthewetstate,thebreakingstrengthofthemilkfibersislowerandthebreakingelongationishigherthanthatindrystate.Thetenaci-tyandelongationatbreakinloopedconfigurationareremarkablyreduced.Allthesethreemodelsfitrea-sonablywellwiththeexperimentalresults,buttherearesomemodelsthatfitbetter.Forstraightmodali-tythebestfitcorrespondstothefournonlinerviscoelasticitymodel.Forknottedmodalitythebestfitcor-respondstothefournonlinerviscoelasticitymodelandtheVangheluwemodel,andforloopedtest,thebestfitcorrespondstothepolynomialmodel.

Keywords:milkfiber;strengthandelongation;relaxationproperty;mechanicalmodel

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