?第31卷第3期 紡織 學(xué)報(bào) Vo1.31.No.3?。玻埃保澳辏吃隆。剩铮酰颍睿幔臁。铮妗。裕澹簦椋欤濉。遥澹螅澹幔颍悖琛。停幔颍?,2010 文章編號:0253-9721(2010)03-0036—04 三組分復(fù)合紗線的拉伸斷裂特征與力學(xué)模型 樊理山 ,來 侃 ,孫潤軍 ,姚 穆 ,欽 佩?。ǎ保暇┐髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇南京210093;2.鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇鹽城224005 3.西安工程大學(xué),陜西西安710048;) 摘要為了分析研究三組分長絲和短纖維復(fù)合紗線的拉伸性能與斷裂特征,對不同捻度和不同組分線密度配置 的三組分復(fù)合紗線在單紗強(qiáng)力機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),并記錄其拉伸曲線。實(shí)驗(yàn)表明:一般情況下三組分長絲和短纖 維復(fù)合紗線的拉伸曲線具有明顯的多峰特征,這種拉伸斷裂曲線形態(tài)隨著紗線捻度的不同而存在差異。基于三組 分復(fù)合紗線的實(shí)際拉伸情況,建立了復(fù)合紗線拉伸的力學(xué)模型,并在此模型中引入了新穎的滑塊桿件,其數(shù)學(xué)解較 好地說明了三組分復(fù)合紗線的拉伸力學(xué)性能?!£P(guān)鍵詞 復(fù)合紗線;拉伸曲線;斷裂特征;力學(xué)模型;滑塊元件 中圖分類號:TS 104 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A?。裕澹睿螅椋欤濉。螅簦颍澹睿纾簦琛。铮妗。簦颍椋悖铮恚穑铮睿澹睿簟。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睢。幔睿洹。椋簦蟆。恚澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。恚铮洌澹臁。疲粒巍。蹋椋螅瑁幔睢?,LAI Kan。,SUN?。遥酰睿辏酰睢?,YAO?。停酢?,QIN?。校澹椤。ǎ保樱悖瑁铮铮臁。铮妗。獭。樱悖椋澹睿悖?,Na ng?。眨睿椋觯澹颍螅椋簦?,Na ng,Jiangsu?。病。薄。埃埃梗?,China;2.Yancheng?。裕澹簦椋欤濉。郑铮悖幔簦椋铮睿幔臁。茫铮欤欤澹纾?,Yancheng,Jiangsu 224005,China;3.Xi?。校铮欤簦澹悖瑁睿椋恪。眨睿椋觯澹颍螅椋簦兀椤。幔?,Shaanxi?。罚保埃埃矗?,China)?。粒猓螅簦颍幔悖簟。裕铩。幔睿幔欤濉。幔睿洹。螅簦酰洌。簦瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。幔睿洹。猓颍澹幔耄椋睿纭。妫澹幔簦酰颍澹蟆。铮妗。簦瑁濉。簦颍椤悖铮恚穑铮睿澹睿簟。妫椋欤幔恚澹睿簟。幔睿洹。螅簦幔穑欤濉。妫椋猓澹颉。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿?,the?。幔颍睿蟆。鳎椋簦琛。洌椋妫妫澹颍澹睿簟。簦鳎椋螅簦蟆。幔睿洹。洌椋妫妫澹颍澹睿簟。欤椋睿澹幔颉。洌澹睿螅椋簦椋澹蟆。铮妗。澹幔悖琛。悖铮恚穑铮睿澹睿簟。鳎澹颍濉。簦澹螅簦澹洹。铮睢。帷。螅椋睿纾欤濉。幔颍睢。簦澹螅簦澹?,and?。簦瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。悖酰颍觯澹蟆。鳎澹颍濉。穑欤铮簦簦澹洹。洌铮鳎睿裕瑁濉。澹穑澹颍椋恚澹睿簦蟆。螅瑁铮鳎澹洹。簦瑁幔簟。纾澹睿澹颍幔欤欤。簦瑁澹颍濉。椋蟆。帷。妫澹幔簦酰颍濉。铮妗。恚酰欤簦椤穑澹幔搿。铮睢。簦瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。悖酰颍觯澹蟆。铮妗。簦瑁濉。簦颍椤悖铮恚穑铮睿澹睿簟。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿螅裕瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。悖酰颍觯澹蟆。铮妗。簦瑁濉。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿蟆。觯幔颍。鳎椋簦琛。簦瑁濉。幔颍睢。簦鳎椋螅簦停铮颍澹铮觯澹?,the mechanical?。恚铮洌澹臁。椋蟆。螅澹簟。酰稹。猓幔螅澹洹。铮睢。簦瑁濉。穑颍幔悖簦椋悖濉。铮妗。簦瑁濉。幔颍睢。簦澹睿螅椋铮睢。幔睿洹。簦瑁濉。睿铮觯澹臁。螅欤椋洌澹颉。酰睿椋簟。椋蟆。椋睿簦颍铮洌酰悖澹洹。椋睿簦铩。簦瑁濉。恚铮洌澹保桑簦蟆。恚幔簦瑁澹恚幔簦椋恪。颍澹螅铮欤酰簦椋铮睢。悖幔睢。猓澹簦簦澹颉。澹穑欤幔椋睢。簦瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。穑颍铮穑澹颍簦。铮妗。簦瑁濉。幔颍睿。耍澹。鳎铮颍洌蟆。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿唬簦澹睿螅椋欤濉。悖酰颍觯?;breaking?。妫澹幔簦酰颍澹?;mechanical?。恚铮洌澹欤唬螅欤椋洌澹颉。酰睿椋簟±鞌嗔研阅苁窃u價(jià)紗線的一項(xiàng)重要指標(biāo),直 處喂入,與短纖維須條之間有一定的間距。3個(gè)組 接關(guān)系到紗線的用途和使用效果 。本文討論 分的纖維從前羅拉前鉗口輸出后,在加捻三角區(qū)力 的三組分復(fù)合紗線是由做交纏絲和芯絲的滌綸長絲 的作用下匯合在一起,經(jīng)過導(dǎo)紗鉤后依靠鋼絲圈的 與棉纖維組成。棉須條經(jīng)過細(xì)紗機(jī)導(dǎo)條喂入裝置進(jìn) 回轉(zhuǎn)而加捻成紗,并通過錠子和鋼絲圈的轉(zhuǎn)速差異 入長短皮圈牽伸機(jī)構(gòu),按設(shè)定的牽伸倍數(shù)將其拉伸 卷繞在筒管上 。 變細(xì)。芯絲和交纏絲分別通過2個(gè)路徑和2個(gè)張力 三組分長絲與短纖維復(fù)合紗線在生產(chǎn)方法和紗 控制裝置(張力設(shè)置主要依據(jù)紗線規(guī)格、風(fēng)格及用 線結(jié)構(gòu)上有別于現(xiàn)有的包芯紗、Sirofil和Parafi等紗 途而定),從前羅拉鉗口的后面喂人,其中芯絲位于 線,但又與他們有一定的關(guān)聯(lián)性。由于該紗線具有 棉須條的中間,而交纏絲從前皮輥表面刻有的溝槽 特殊的結(jié)構(gòu),因此其力學(xué)性能比較特殊。本文著重 收稿日期:2009—03—31 修回日期:2009—09—24 作者簡介:樊理山(1966一),男,副教授,博士生。主要從事紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)的教學(xué)與研究。E—mail:fanlishan2005@?。保玻叮螅铮颍??!〉冢称凇》砩降龋喝M分復(fù)合紗線的拉伸斷裂特征與力學(xué)模型 ?37. 討論其拉伸斷裂特征及基于此特征的力學(xué)模型 分析?!。薄?shí)驗(yàn)部分?。保薄〔牧吓c儀器 所用紗線為三組分長絲和短纖維復(fù)合紗線,其 規(guī)格用(芯絲規(guī)格+交纏絲規(guī)格+短纖須條規(guī)格)?。洌簦澹鴣肀硎?。拉伸實(shí)驗(yàn)采用YG(B)021D電子單紗 強(qiáng)力機(jī)測試?!。保矞y試方法 隨機(jī)抽取試樣30個(gè)。測試條件為:溫度(20±?。常妫鄬穸龋ǎ叮怠溃常?;實(shí)驗(yàn)前將纖維預(yù)先在測 試環(huán)境平衡48 h;夾頭距離:250?。恚?;預(yù)加張力為?。ǎ玻啊溃埃玻悖危簦澹?;拉伸速度為250 mm/min?!。病∪M分復(fù)合紗線的拉伸特征分析?。玻薄∪M分復(fù)合紗線的拉伸特征 圖1示出(111+170+C345)dtex三組分復(fù)合 紗線拉伸曲線??梢钥闯觯涸诶斓某跏茧A段,曲線?。希炼谓茷橹本€,紗線在此伸長范圍內(nèi)可以認(rèn)為是 完全彈性變形;隨著伸長率的繼續(xù)加大,曲線在4 點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)力下降,曲線為AB段;當(dāng)強(qiáng)力下降到日點(diǎn) 時(shí),隨著持續(xù)拉伸,強(qiáng)力出現(xiàn)反彈,曲線為BC段;當(dāng) 伸長率達(dá)到c點(diǎn)時(shí),紗線再次出現(xiàn)強(qiáng)力下降和上 升,即曲線CD段;繼續(xù)拉伸時(shí),當(dāng)伸長率達(dá)到最大 值時(shí),紗線斷裂,強(qiáng)力立即消失,曲線為DE段?!D1?。ǎ保保保保罚埃茫常矗担洌簦澹M分復(fù)合紗線拉伸曲線?。疲椋纾薄。裕澹睿螅椋欤濉。悖酰颍觯濉。铮妗。簦颍椤澹铮恚穑铮睿澹睿簟。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿ǎ保保保保罚埃茫常矗担洌簦澹∪M分復(fù)合紗線的拉伸曲線具有明顯的多峰特 征。這主要是由于在開始拉伸時(shí),復(fù)合紗線中首先 是芯絲在承受外力,而棉纖維和交纏絲幾乎不承受 外力(因芯絲處于伸直狀態(tài),而外層包纏纖維處于 螺旋狀態(tài)),隨著伸長量的加大,紗線截面收縮,軸 向伸長,棉纖維和交纏絲先后開始對紗線的強(qiáng)力產(chǎn) 生貢獻(xiàn)。當(dāng)復(fù)合紗線繼續(xù)拉伸,其拉伸伸長達(dá)到三 組分復(fù)合紗中某一組分的斷裂伸長率時(shí),該組分開 始發(fā)生斷裂,此時(shí),紗線拉伸曲線上出現(xiàn)強(qiáng)力波動?!∮捎谄渌矀€(gè)組分的作用,紗線繼續(xù)拉伸時(shí),紗線的 強(qiáng)力又開始上升,直到另外2個(gè)組分分別發(fā)生斷裂 或解體,最終紗線斷裂,強(qiáng)力消失。 在三組分復(fù)合紗線中,芯絲、外包纏纖維、交纏 絲的斷裂特性取決于各組分在紗線中的空間結(jié)構(gòu)和 纖維的力學(xué)性能,是二者綜合作用的結(jié)果。從結(jié)構(gòu) 上看,在拉伸過程中,芯絲處于紗芯位置,最早承受 外力,其伸長與紗線的伸長一致。外包纏纖維和交 纏絲分別以不同的捻回角進(jìn)行包覆,只有當(dāng)紗線拉 伸變形分別達(dá)到一定值時(shí),二者才開始伸長變形,因 此,這3種纖維的拉伸伸長是不同的。另一方面,從 纖維的性能上看,各組分纖維的拉伸斷裂伸長能力 的差異,也是影響紗線拉伸斷裂特征的重要因素。 因此,復(fù)合紗線中各組分結(jié)構(gòu)和性能的多元性決定 了其拉伸斷裂性能的多峰特征?!D2示出三組分復(fù)合紗線拉伸斷裂過程特征?!】梢园l(fā)現(xiàn),隨著伸長量的加大,紗線開始收縮變細(xì), 并且在斷口處出現(xiàn)不同組分不同時(shí)斷裂的特征?!D2 三組分復(fù)合紗線拉伸斷裂過程中紗線形態(tài) Fig.2?。停铮颍穑瑁铮欤铮纾。铮妗。簦颍?eomponent?。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睢。洌酰颍椋睿纭。簦澹睿螅椋铮睢。玻病∧矶葘?fù)合紗線拉伸斷裂特征的影響 影響復(fù)合紗線拉伸性能的因素很多,紗線的結(jié) 構(gòu)對拉伸特性的影響是很大的。除了紗線中纖維排 列的平行程度、伸直程度、內(nèi)外層轉(zhuǎn)移次數(shù)等,最重 要的影響因素是紗線的捻度。 不同捻度的(11?。保保罚埃茫玻罚福洌簦澹M分復(fù) 合紗線的拉伸特征曲線如圖3所示??梢钥闯觯弧⊥矶葧r(shí)復(fù)合紗線拉伸曲線的特征存在較大差異, 當(dāng)捻度較大時(shí)(T.=68.3捻/10?。悖恚?,其拉伸曲線具 有較長的屈服階段(或具有多次屈服的現(xiàn)象),表明 復(fù)合紗線的各組分是分批斷裂的,且相互纏結(jié)在一 起,共同作用;當(dāng)捻度適中時(shí)(T?。剑常福材恚保啊。希保裕撸保?, 其拉伸曲線則與一般長絲和純紡短纖維紗線拉伸曲 線形態(tài)相似,表明復(fù)合紗線的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,各向均一 程度較好;當(dāng)復(fù)合紗線上的捻度較小時(shí)(T?。健。玻常澳恚保啊。悖恚淅烨€具有明顯的二相結(jié)構(gòu) ?38? 紡織學(xué)報(bào) 第31卷?。蹋恚怼D3不同捻度(111+170+C278)dtex復(fù)合 紗線拉伸特征曲線 Fig.3?。裕澹睿螅椋欤濉。悖酰颍觯澹蟆。铮妗。簦颍椋悖铮恚穑铮睿澹睿簟。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿蟆。ǎ保保保保罚埃茫玻罚福洌簦澹。鳎椋簦琛。洌椋妫澹颍澹睿簟。簦鳎椋螅簟√卣鳎纯烧J(rèn)為紗線強(qiáng)力主要是由芯絲和交纏絲承 擔(dān),而短纖維須條幾乎未發(fā)生作用。?。场∪M分復(fù)合紗線拉伸力學(xué)模型 對于三組分復(fù)合紗線而言,盡管在不同的長絲 預(yù)張力和紗線捻度的情況下,紗線的具體結(jié)構(gòu)和拉 伸斷裂特征會存在一定的差異性,但也都具有一定 的共性。 首先是芯絲開始受力,即可以認(rèn)為芯絲的應(yīng)變 s 與紗線的應(yīng)變 相一致。因此在紗線拉伸開始 一段時(shí)間內(nèi),外包覆棉纖維和交纏絲向紗內(nèi)收縮而 不產(chǎn)生伸長;當(dāng)紗線拉伸應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變s?。簳r(shí), 外包覆的棉纖維開始受力;紗線的應(yīng)變繼續(xù)增加,紗 線應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變s 時(shí),交纏絲開始受力并產(chǎn)生 伸長; ,與各組分在一定捻度下的捻縮率差異 有關(guān),占?。常荆蟆#?。 根據(jù)紗線拉伸力學(xué)模型的一般理論 ,可建 立如圖4所示的三組分復(fù)合紗線的七元件力學(xué)?!⌒?。由于滌綸長絲在大變形的條件下為黏彈性體, 因而用彈簧加黏壺來代替;棉纖維在拉伸時(shí),其拉伸 曲線較平直且上翹,可以認(rèn)為是完全彈性體,故采用 彈簧代替。棉纖維須條和交纏絲在復(fù)合紗線開始拉 伸一段時(shí)間內(nèi),只向紗內(nèi)收縮而不產(chǎn)生伸長,未承擔(dān) 外力,故在模型中,引入新穎的滑塊元件,表示只有 當(dāng)復(fù)合紗線的應(yīng)變超過某組分的臨界應(yīng)變時(shí),某組 分才承擔(dān)外力?!≡O(shè):E 為芯絲的拉伸彈性模量;占。為芯絲的應(yīng) 變;s 為芯絲的截面積;叼 為芯絲的阻尼系數(shù);E:為 棉須條的拉伸彈性模量;8:為棉須條的應(yīng)變;s:為 棉須條的截面積;E 為表示交纏絲的拉伸彈性模 圖4 三組分復(fù)合紗線拉伸的力學(xué)模型?。疲椋纾础。停澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。恚铮洌澹臁。铮妗。簦颍椤悖铮恚穑铮睿澹睿簟。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睢。簦澹睿螅椋铮睢×?; 為交纏絲的應(yīng)變;s,為交纏絲的截面積;叼。為 交纏絲的阻尼系數(shù); 。:為棉須條的臨界應(yīng)變;g?!椤〗焕p絲的臨界應(yīng)變?!∵吔鐥l件為:s2≤ 2時(shí),?。玻剑?; 2≥s。2時(shí),?。埃ⅲ玻埃ⅲ玻剑埃ⅲ玻唬叮惨唬蟆。惨弧。悖病 。唬福场埽丁?; c3時(shí),0"明,?。常剑埃唬叮场荩浮?;?。悖场r(shí),?。场。场∮蓤D4可知:?。螅保健。玻健。场。ǎ保‘?dāng)復(fù)合紗線采用等速拉伸時(shí),則?。洌叮洹。海搿。ǎ玻??! ⌒窘z部分的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為Maxwell?!⌒停省。洌福保洌簟。剑艙簟。。洹√铩。、睢?、 整理后得 :?。洹。ǎ矗〉穑薄∫弧。薄。薄蛇叿e分得 一ln(叼 一 )=?。恪。ǎ担』颉。欤健。欤搿悖臁。逡唬撸妗。ǎ叮‘?dāng)t=0, l=0,因此c1=.,71k,即:?。健。薄。ǎ币唬逡弧。。ǎ罚〉冢称凇》砩降龋喝M分復(fù)合紗線的拉伸斷裂特征與力學(xué)模型 比較吻合的?!。场?39? 棉纖維須條部分應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為?。妫肌∵怠∵怠。薄。臁。搿。病。健。 瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛?,、●●●●●●●l4 結(jié) 語 一?。濉 ∫弧∫弧∫唬濉。啊。健∫贿怠。场。?。2) ≥ 8?。悖病。ā。?,●J(1●●【 一 一 ,●●,0 ●●●●●●●,、●●●●E ,,I?。病。啤「鶕?jù)復(fù)合紗線的實(shí)際拉伸情況,本文建立了紗?。薄。病。场〗焕p絲部分的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為Maxwell?!。獭。。。健。桑省。健【€拉伸的七元件力學(xué)模型,并在此模型中引入了新 一 型,其關(guān)系為?。洌ā。骋弧?。3) 1?。洌铮场。场。洹。〗馍鲜轿⒎址匠痰谩。场∵担常搿茫常逡弧‘?dāng)£=!?。?,因此c3=叩, e?。牛常澹悖常。?,故?。啊堋。缄。搿。牛常濉。悖骋唬牛常耄簟。浮。悖场。濉。场。薄。?、因?yàn)椤。疲剑疲保疲玻疲场∷浴。颉。臁。ā∫唬逡唬撸保螅薄。啊堋。肌。搿。疲健。啤。澹骋唬牛常耄簟∵担场。ǎ币唬濉∫唬印。簟荨。搿。ǎ保矗∮墒剑ǎ保矗┛傻贸鋈缦陆Y(jié)論:?。保?fù)合紗所受應(yīng)力的遞增速度與拉伸速度有 關(guān),速度越大,應(yīng)力遞增速度越大; 2)在開始拉伸時(shí),只有芯絲承受外力,經(jīng)過一 段時(shí)間后,棉須條才加入其中,再經(jīng)過一段時(shí)間后, 交纏絲也開始承受外力,三者合而為一;?。常┊?dāng)芯絲開始斷裂時(shí),復(fù)合紗線的強(qiáng)力會快速 下降,如此時(shí)棉纖維須條的強(qiáng)力和交纏絲的變形尚 未達(dá)到足夠大,則后二者的強(qiáng)力增長不足以抵補(bǔ)芯 絲斷裂時(shí)的強(qiáng)力損失,則在拉伸曲線上就會出現(xiàn)多 峰現(xiàn)象?!∵@一結(jié)論與三組分復(fù)合紗線的實(shí)際拉伸情況是?。拧。病。拧。病》f的滑塊桿件,不僅較好地說明了三組分復(fù)合紗線 l?。场。场。。獭〉睦焓芰η闆r,而且對多組分復(fù)合紗線的力學(xué)性 一一 能分析也提供了一個(gè)可借鑒的范式。?。??!?、,、,?。印⒖嘉墨I(xiàn)?。。郏保荩龋粒蹋獭。伞。龋裕瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。铮妗。簦澹簦椋欤濉。幔颍睿蟆。幔簟。觯澹颍。瑁辏纾琛。螅簦颍幔椋睢。颍幔簦澹螅郏剩荩剩铮酰颍睿幔臁。铮妗。粒穑穑欤椋尽。澹洹。校铮欤恚澹颉。樱悖椋澹睿悖澹保梗叮?,8(1):237—256. 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FAN?。蹋椋螅瑁幔睿裕瑁濉。螅簦酰洌。铮睢。簦瑁濉。穑颍铮洌酰悖簦椋铮睢。簦澹悖瑁睿铮欤铮纾。幔睿洹。恚澹悖瑁幔睿椋恪。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。铮妗。簦瑁濉。簦颍椤悖铮恚穑铮睿澹睿簟。妫椋欤幔恚澹睿簦蟆。幔睿洹。螅簦幔穑欤濉。妫椋猓澹颉。悖铮恚穑铮螅椋簦濉。幔颍睿郏模荩兀椤。幔睿海兀椤。幔睢。校铮欤簦澹悖瑁睿椋恪。眨睿椋觯澹颍螅椋簦玻埃埃担海薄。薄保玻。郏罚荨。停希遥裕希巍。住。?,HEARLE?。省。住。樱校瑁螅椋悖幔臁。校颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。铮妗。裕澹簦椋欤濉。疲椋猓颍澹螅郏停荩玻睿洹。澹洌蹋铮睿洌铮睿海裕瑁濉。裕澹簦椋欤濉。桑睿螅簦椋簦酰簦澹保梗罚担海常梗担。郏福菀δ?,周錦芳,黃淑珍,等.紡織材料學(xué)[M].2版.北 京:紡織工業(yè)出版社,1997:384.386. YAO?。停?,ZHOU Jinfang,HUANG Shuzhen,et a1.?。裕澹簦椋欤濉。停幔簦澹颍椋幔欤螅郏停荩玻睿洹。澹洌拢澹椋辏椋睿纾海裕澹簦椋欤濉。桑睿洌酰螅簦颍椋幔臁。校颍澹螅?,1997:384—386.
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