木棉纤维拉伸性能的测试与评价

    1　实验

    1.1　试样

    采用4种木棉纤维试样,纤维的基本规格如表1所示.

    1.2　测试仪器简介

    测试仪器:XQ21单纤维强伸度仪.采用气动夹持器夹持纤维,保证夹持力稳定且可根据不同的纤维类型加以调节.夹持器钳口所用夹持材料为非金属材料,从而避免纤维被夹断或打滑.

    1.3　试样准备与测试

由于木棉纤维细胞壁太薄,容易被损坏,即使将气泵夹持器的瞬间夹持力调至最小,也只有极少数的木棉纤维能抵抗其瞬时夹持力而不在夹持处发生断裂1本文采用以下方法制样:用镊子轻取单根木棉纤维,将其置于镂有1cm×1cm方孔格纸上,沿方孔左右边缘分别贴有平行的双面胶,将纤维暂时固定住(如图2(a)),然后用贴有双面胶的窄纸条盖住纤维两个头端,使纤维完全被固定住,最后将格纸剪成一边开口的小方形,如图2(b)所示.如此可以使木棉纤维的两个头端有足够的强力被安全地夹持到气动夹持器上而不会断裂,而且试样移动时用镊子夹取纸样,可以保护木棉纤维不被镊子的尖部损坏.试样制备完成后,在恒温恒湿室置放24h,温湿度为:(20±2)℃,(65±3)%.用镊子夹住支撑纸样,将单根木棉纤维连同纸样一起放入上下夹持器之间,使仪器的气动夹持器正好夹持于用其他材料辅助的两个头端,夹持器隔距设定为1cm,恰好将镂空纸片中的1cm木棉纤维置于上下夹持器之间,保证了纤维的拉伸性能不受试样制备方法的影响.夹持完成后,用剪刀将平行于纤维的单边纸条剪断,达到测试木棉单纤维强力的目的,然后开始测试.

    1.4　测试次数

初步的测试发现,由于木棉纤维短、细、脆而使得单纤维强力测试困难,即使按照前述方法制样,测试成功率不足30%.利用K1分别准备了两份样品,每一样品制作了200个如图2(b)所示的测试试样,两份样品测试成功的数据均为53根纤维.在95%置信度下显著性检验可知,K1的两份样品的测试结果无显著性差异,这表明木棉的强伸性能分布相对集中,53根纤维的有效测试数据可以代表样本总体性能,所以对K2,K3,K4都测试到53个数据和拉伸曲线为止.

    2　结果与讨论

    2.1　木棉纤维强伸性能特征

用单根代表曲线法选取具有代表性的拉伸曲线分别代表4个木棉品种的拉伸性能.所谓单根代表曲线法是指根据实测试样所得的断裂强力、断裂伸长率的平均值,在n(样本容量)根拉伸曲线中选取其中一根最接近上述指标的平均值的曲线,即为代表性曲线14种木棉纤维的典型拉伸曲线如图3所示

    从图3可以看出,木棉纤维随着负荷的增加,强力和伸长之间呈比较好的线性相关,拉伸曲线与棉纤维相似,都没有明显的屈服点.同时,木棉纤维的断裂强力比较低,4种木棉纤维的平均断裂强力低于2cN,平均断裂伸长率小于4.5%,远远小于棉纤维的断裂强力和断裂伸长率.

    为了更好地了解木棉纤维强伸性能特征,4种木棉纤维的平均断裂强力、断裂伸长率等统计值如表2所示

从表2可以看出,4种木棉断裂强力均值在1.44～1.71cN,大于现有梳棉机对纤维最低断裂强力1.2cN的要求,这对木棉纤维纺纱具有重要的意义,但4种木棉纤维断裂强力低于1.2cN均占一定的比例,给木棉纺纱带来一定的困难.尽管4种木棉试样的断裂强力存在较大的差异,但在换算到相同线密度条件下,4种木棉纤维的断裂强度并无明显的差异,特别对于K2,K3,K4,纤维的断裂强度差异更小,4种木棉整体上表现出断裂强度在2～3cN/dtex之间.4种木棉纤维的拉伸模量存在较大的差异,K1和K2拉伸模量相近,拉伸模量为110cN/dtex左右,而K3和K4拉伸模量相近,拉伸模量为50cN/dtex左右,比较试样发现,K1和K2来自印度尼西亚,而K3和K4来自泰国,可能不同产地的木棉纤维拉伸模量存在一定的差异.

从表2还可以看出,4种木棉纤维断裂伸长率整体上分布在1.83%～4.23%,断裂伸长率相对较低,意味着纤维承受最大负荷时伸长变形能力小,断裂功小,因此木棉纤维在日常使用时,会出现容易断裂、变碎的情况.另外从表2的CV值可以看出,木棉纤维断裂强力和断裂伸长率有一定的离散性,需要对纤维强伸性能的分布做进一步的分析.

    2.2　木棉纤维强伸性能分布

通过上面的分析了解了木棉纤维拉伸性能1特征,为了更好地了解木棉纤维拉伸断裂强力和断裂伸长率的具体分布状况,基于K1的106个有效测试数据和K2,K3,K4各53个有效数据,采用分组方法,利用直方图表达出4种木棉纤维断裂强力和断裂伸长率与出现频数的关系,如图4～7所示

　　从图4～7可以看出,4种木棉纤维断裂强力和断裂伸长率测试数据有一定的离散性,在一定范围内均有分布.4种木棉纤维拉伸断裂强力分布整体上没有呈现正态分布的趋势,可以说明:其一,木棉纤维的断裂强力分布尽管比较分散,但主要集中在1.0～2.0cN之间;其二,木棉的强力曲线分布可能受到制样和测试的影响,因为在制样的过程中,强力很小的纤维被镊子夹持时已经断裂,或测试时由于纤维强力低,在没有数值显示的条件下,纤维已经断裂;其三,测试样本的限制,相对于单纤维测试要求,本文的实验量相对较低.从图4～7可以看出,4种木棉的断裂伸长率分布呈正态分布的趋势,但与正态分布有一定的距离,如图4(b)所示,每一种木棉纤维断裂伸长率在一定范围内更为集中分布,断裂伸长率过大或过小的木棉纤维量总体比例较低.

2.3　影响木棉纤维强伸性能因素分析

为了更好地了解木棉纤维自身特性对其强伸性能的影响,下面将分析木棉纤维长度等参数与其强伸性能的关系.木棉纤维长度与强伸性能的关系如图8所示.

从图8可以看出,纤维拉伸断裂强力与纤维长度之间呈比较明显的线性关系,纤维越长断裂强力越大,而纤维长度对断裂伸长率影响规律不明显,呈现长度越长断裂伸长率越低的趋势.木棉纤维线密度和纤维直径对纤维强伸性能的影响如图9和10所示

从图9可以看出,木棉纤维断裂强力总体上随线密度增大而增大,线密度对纤维断裂伸长率的影响没有明显的规律.从图10可以看出,纤维直径对纤维断裂强力影响比较小,而对断裂伸长率有较大的影响,呈现随木棉纤维直径增大断裂伸长率增大的趋势.

    2.4　木棉纤维与棉纤维强伸性能比较

    木棉纤维和棉纤维在大分子组成、结构、形态结构和很多性能上都很相近,本文比较分析木棉和棉纤维拉伸性能,需要指出木棉断裂强度和断裂伸长率取4种木棉试样测试均值区间,具体如表3所示.

    　　从表3可以看出,木棉与棉纤维断裂强度相近,但由于木棉纤维线密度远小于棉纤维,木棉纤维比棉纤维容易拉伸断裂,木棉纤维断裂伸长率远小于棉纤维,两种纤维的初始模量相当,但由于木棉纤维线密度低,其纤维比棉纤维更为柔软.

    3　结论

通过对木棉纤维的测试和分析可知:木棉纤维有与棉相似的拉伸曲线,没有明显的屈服点;从测试数据分布图可以看出,木棉纤维断裂强力和断裂伸长率有一定的离散性,断裂强力集中分布在1.44～1.71cN之间,断裂伸长率1.83%～4.23%以下;木棉纤维的形态结构对强伸性能有一定的影响,断裂强力随线密度增大而增大,4种木棉纤维的断裂强度比较接近,而断裂伸长率差异比较大,木棉纤维的初始模量因其产地不同存在一定差异;与棉纤维相比,木棉纤维断裂伸长率低,断裂强度和初始模量与棉相近,但由于木棉纤维线密度低,纤维柔软而容易拉断.

应助达人

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