双端固定式轴向压弯法测量涤纶单纤维抗弯性能

文/周 雪 黄新林 纪 峰

柔性的纺织纤维材料在各种加工过程中以及其制成品在使用过程中都会因外力作用产生弯曲变形。纤维的抗弯性能直接或间接地影响纤维制品的性能和品质，如服装的悬垂风格及穿着合体舒适性、靠垫的回弹性、不同纤维毛刷的柔软度和清洁能力等。涤纶是目前世界上产量最大的合成纤维，广泛应用于服装、家纺及工业用纤维制品，如毛刷、印刷丝网、过滤材料等，其单丝的抗弯性能严重影响甚至决定了相应产品的品质，因此，如何精确测量涤纶单纤维的抗弯性能尤其成为关注的重点。

当前文献中，评价纤维抗弯性能主要用弯曲刚度和纤维抗弯力作为指标。测量弯曲刚度的方法有三点弯曲法、心形法、悬臂梁法和线圈挂重法等。三点弯曲法测试原理如图1(a)所示，固定试样两端，在试样中部施加载荷力，弯曲刚度可由试样长度、试样变形程度及载荷力计算，该方法主要用于测量硬质材料的弯曲刚度，不适合测试柔性纤维材料的弯曲刚度；心形法测试原理如图1(b)所示，将纤维圈呈心形夹持在夹头中，以心形的面积表示其弯曲刚度，该方法多用于测量织物材料的抗弯刚度，对于纤细柔软的纤维制样困难，不适合测纤维弯曲；悬臂梁法测试原理如图1(c)所示，试样一端固定，因试样自重或外加载荷而发生弯曲，通过载荷大小及自由端的挠度计算弯曲刚度，该方法一般适用于硬挺度大的材料，不适合测柔软的纤维材料；线圈挂重法测试原理如图1(d)所示，通过外加载荷下线圈的变形来研究试样的弯曲刚度，该方法一般适用于刚度大的长丝的测量。

图1 弯曲刚度的测试方法

上海中晨数字设备有限公司研制了单端固定式单纤维压缩弯曲仪，如图2所示。纤维竖直放置，下端由夹持器固定，上端为自由端。测试时，夹持器握持纤维上移，纤维上端刺入测试盘的微坑中发生弯曲，传感器与测试盘相连，感应纤维轴向的张力。但纤维自由端在微坑中仍会发生滑移，弯曲发生时，纤维对测试盘的压力方向随纤维所触微坑方向变化而改变，导致纤维弯曲过程不可控，试验可重复性较差。东华大学提出了测量束纤维的压缩力来表征纤维柔软性的方法措施，如图3所示。将5～25根单纤维构成的纤维束弯成环状两端夹持在模具中，对束纤维中部施加压力，以试样的抗压力表征纤维的柔软性。但多根纤维同时测量，只能得到束纤维的总体抗弯性，无法得到单根纤维的抗弯测试数据。

图2 单端固定式单纤维弯曲测试

图3 束纤维压缩力测试

为了研究和表征纤维材料的抗弯性能，获得准确、可靠的测试结果，本文提出了双端固定式轴向压弯试验方法测量单纤维的抗弯性能，并依据该方法开发了单纤维弯曲仪。以纤维材料的最大抗弯力为指标，测量涤纶单纤维的抗弯性能，研究方法的可行性及测试稳定性。在此基础上，分析影响涤纶单纤维抗弯性能的主要因素。

1 双端固定式轴向压弯法

1.1 试验原理

图4显示双端固定式轴向压弯法测量单纤维抗弯性能的试验原理。取50mm～70mm的纤维试样，纤维竖直放置，上下两端分别由上、下夹持器所夹持，在下夹持器闭合前，由定重张力夹确保纤维处于伸直但不伸长的状态。装置中的上夹持器位置固定不动，并与测力传感器相连，可实时获取纤维轴向的应力大小及纤维抗弯力。下夹持器与传动机构相连，在步进电机驱动下可在竖直方向上匀速移动。单纤维抗弯测试中，下夹持器首先以设定的速度匀速上升，纤维受到轴向压弯力，随着下夹持器上升位移逐渐增加，纤维在轴向上被压缩至发生弯曲，且弯曲变形逐步增大。

图4 双端固定式轴向压弯法测试原理

测试过程中，与上夹持器相连的力传感器及信号处理器装置实时测量纤维轴向的应力变化，传输至电脑，并绘制纤维抗弯力随时间的变化曲线，如图5所示。

图5 单纤维抗弯测试试验曲线

单纤维抗弯试验曲线横坐标为下夹持器上升的时间（单位:s），也可由速度换算为下夹持器上升的位移量（单位:mm），纵坐标为纤维试样的实时抗弯力大小（单位:10cN）。

t

：纤维由上、下夹持器握持，处于伸直不伸长的状态，对应纤维形态如图4(a)所示。

t

：纤维受到逐渐增大的轴向压力，产生轴向压缩应力并迅速增大，对应纤维形态如图4(b)所示。

t

：下夹持器继续匀速上升，纤维在

t

时刻开始发生弯曲，对应纤维形态如图4(c)所示，此阶段中，随着纤维弯曲变形的增加，纤维抗弯力缓慢增大，增幅变缓。

t

：如图4(d)所示，此时的纤维抗弯力达到最大值，此后，随着纤维弯曲变形继续增加，纤维抗弯力缓慢减小。

t

：纤维弯曲变形显著，如图4(e)所示。

从单纤维抗弯试验曲线总体趋势来看，纤维在受到轴向压力发生弯曲后，抗弯力首先逐渐增大，在达到峰值后再缓慢减小。整个抗弯测试过程中，抗弯试验曲线的峰值，即传感器测量得到的最大抗弯力(单位：10cN），代表纤维抵抗弯曲变形的能力，因此被用作表征纤维抗弯性能的指标。

1.2 测试仪器

双端固定式轴向压弯法单纤维弯曲测试仪整体设备如图6所示。仪器由主机与计算机控制系统两部分组成，两者由多芯电缆相连。在纤维抗弯性能测试过程中，纤维抗弯力信息传输并保存至计算机，在显示屏上实时显示抗弯力曲线变化，测试结束后显示纤维试样的最大抗弯力值。

图6 双端固定式轴向压弯法抗弯力测试仪

仪器操作步骤如下：

对仪器进行调零、校准，取下校准砝码，计算机显示张力数值归零；用镊子将纤维试样引至上下夹持器6、7钳口中间部位，纤维下端夹持定重张力夹使其伸直；按下自动按钮9或上夹按钮5使上夹持器6闭合；稍等试样稳定后再次按下自动按钮9或下夹按钮8，下夹持器7闭合；取下张力夹，按启动按钮11，下夹持器7开始以设定速度上升，传感器实时测量纤维试样的轴向张力变化并传输至计算机。当下夹持器7达到预设的位移量后，下夹持器7停止向上移动，上、下夹持器6、7钳口自动打开，下夹持器7返回至初始位置，一次单纤维抗弯试验完成。

2 试验

2.1 试验样品

选取线密度不同的7种涤纶长丝样品，进行抗弯性能测试，试样线密度如表1所示。涤纶长丝线密度的单位为tex，表示1000m长的纤维在公定回潮率时的质量克数。

表1 涤纶样品线密度

2.2 试验参数设置

随机取样，取不同线密度涤纶长丝样品各10m，末端挂上30g砝码，在标准大气环境中垂直悬挂24h，消除涤纶长丝因储存或运输产生的弯曲，使长丝伸直。

从上述各类型涤纶长丝样品中分别随机抽取90根纤维试样进行抗弯性能测试，试样长度为60mm。试验参数如表2所示。其中，试样夹持隔距为10mm，试样夹持隔距是指测试开始前上下夹持器之间的距离，是涤纶试样实际参与试验的长度。用镊子将纤维试样引至夹持器上时，纤维下端夹持定重张力夹使其伸直但不伸长，1涤纶试样选取1.00cN的定重张力夹, 2、3和4涤纶试样选取1.35cN的定重张力夹, 5、6和7涤纶试样选取2.00cN的定重张力夹。

表2 试验参数

使用双端固定式单纤维抗弯测试仪对上述涤纶试样进行测试，监测纤维弯曲过程中的抗弯力变化情况，记录试样的最大抗弯力。对每一种涤纶试样，计算各次试验的最大抗弯力的平均值及变异系数，分析测试结果的稳定性；在此基础上，分析涤纶单纤维的线密度对其抗弯性能的影响效果。

3 结果与分析

3.1 测量结果的稳定性

7种不同线密度的涤纶长丝样品，每份试样测量90次，计算最大抗弯力的平均值和变异系数，结果如表3所示。

表3 抗弯性能测试结果

从表3中的变异系数大小可看出，除最细的1.78tex涤纶试样外，其他试样的最大抗弯力变异系数都在20%以内。2.67tex及以上线密度的涤纶抗弯测试变异系数均小于15%，3.33tex及以上线密度的涤纶抗弯测试变异系数均小于10%，16.67tex涤纶的抗弯测试变异系数则低至0.3%。

采用双端固定式轴向压弯法测量纤维的抗弯力，纤维两端同时受到夹持，测试中，纤维的弯曲过程可控，确保了测量过程的可重复性。结果表明，该方法能够获得稳定、可靠的测量数据。同线密度的涤纶纤维间结构差异性小，也令其力学性能的测试结果离散度小。

但对于低线密度的涤纶纤维，如1试样，纤维由于生产过程中的拉伸固化等工序更易造成结构不匀甚至弱节，并在细小的截面中表现出来，令弯曲性能测量数据离散大。

从表3中同时可以看到，随着涤纶纤维线密度的增加，最大抗弯力测量值也呈增加趋势，初步证明，纤维最大抗弯力与线密度有显著的正相关关系。

3.2 涤纶纤维线密度对抗弯性能的影响

为了更直观地反映测试结果，对上述7种涤纶试样作最大抗弯力柱状图，如图7所示。为使不同粗细的纤维在抗弯性测量时能够进行比较，对各试样计算标准化的最大抗弯力(单位:10cN/tex)，即最大抗弯力与线密度之比，得到数据如图7所示。

图7 不同线密度涤纶的抗弯性能

从图7可以看出，当线密度较小（≤4.44tex）时，纤维抗弯力与其线密度数据近似为线性关系，但随着线密度继续增加至4.44tex以上，纤维的抗弯力增幅迅速增大，呈现非线性增长。

为了更加清晰地体现纤维抗弯力与其线密度的关系，选用幂函数、一元二次函数及一元三次函数对表3中的数据进行曲线拟合，拟合过程采用origin软件实现，得到拟合程度较好的曲线如图8所示。对应的拟合方程如表4所示。

图8 涤纶最大抗弯力-线密度拟合曲线

表4 涤纶最大抗弯力-线密度拟合方程

表4中，

X

表示涤纶线密度（单位：tex），

Y

表示涤纶抵抗弯曲变形时的最大抗弯力（单位：10cN）；

R

代表相关系数，其数值越接近1，则表示变量

X

对

Y

值的解释能力越强，说明曲线拟合效果越好。由图8和表4可看出，幂函数拟合方程、二次曲线拟合方程、三次曲线拟合方程的

R

均大于0.999，拟合方程对经验数据的拟合效果均不错。其中，三次曲线拟合的

R

最大，拟合效果最好，但其方程式中三次项的系数很小，因此该项式对

Y

值的影响也很小，可以将其忽略。同时考虑了方程计算的方便性和实用性，可以选择二次曲线拟合方程作为涤纶纤维最大抗弯力-线密度的经验回归方程。

涤纶最大抗弯力-线密度经验回归方程的意义之一在于，可以通过对单纤维的线密度测量，来大致预测该纤维的最大抗弯力，为产品研发和实际应用提供指导和依据。

4 结论

（1）本文介绍了双端固定式轴向压弯试验方法测量单纤维抗弯性能的工作原理，分析了采用此方法获取的纤维抗弯试验曲线的形态特征和基本变化趋势，提出以最大抗弯力作为表征纤维抗弯性能的重要指标。

（2）将双端固定式轴向压弯法应用于测量涤纶单纤维的抗弯性能，对于2.67tex及以上线密度的涤纶纤维，得到的最大抗弯力变异系数均小于15%，使用双端固定式轴向压弯法测试单纤维的抗弯性能，表明该方法实施过程合理可行，并且数据可靠、测试结果可重复性好。

（3）从涤纶单纤维的抗弯性测试结果中同时发现，涤纶单纤维的最大抗弯力与其线密度成显著的非线性正相关关系。采用数值拟合方法对涤纶单纤维的最大抗弯力-线密度经验数据进行回归分析，初步建立了涤纶单纤维线密度

X

与最大抗弯力

Y

的一元二次回归方程，从而可对普通涤纶丝的抗弯性能进行合理有效的预测。