第３１卷第３期 纺织 学报 Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．３ ２０１０年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍａｒ．，２０１０ 文章编号：０２５３－９７２１（２０１０）０３－００３６—０４ 三组分复合纱线的拉伸断裂特征与力学模型 樊理山 ，来 侃 ，孙润军 ，姚 穆 ，钦 佩 （１．南京大学生命科学学院，江苏南京２１００９３；２．盐城纺织职业技术学院，江苏盐城２２４００５ ３．西安工程大学，陕西西安７１００４８；） 摘要为了分析研究三组分长丝和短纤维复合纱线的拉伸性能与断裂特征，对不同捻度和不同组分线密度配置 的三组分复合纱线在单纱强力机上进行拉伸实验，并记录其拉伸曲线。实验表明：一般情况下三组分长丝和短纤 维复合纱线的拉伸曲线具有明显的多峰特征，这种拉伸断裂曲线形态随着纱线捻度的不同而存在差异。基于三组 分复合纱线的实际拉伸情况，建立了复合纱线拉伸的力学模型，并在此模型中引入了新颖的滑块杆件，其数学解较 好地说明了三组分复合纱线的拉伸力学性能。 关键词 复合纱线；拉伸曲线；断裂特征；力学模型；滑块元件 中图分类号：ＴＳ １０４ 文献标志码：Ａ Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｒｉ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ＦＡＮ Ｌｉｓｈａｎ ，ＬＡＩ Ｋａｎ。，ＳＵＮ Ｒｕｎｊｕｎ ，ＹＡＯ Ｍｕ ，ＱＩＮ Ｐｅｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａ ｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａ ｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２ １ ００９３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２４００５，Ｃｈｉｎａ；３．Ｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｉ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｆｉｌａｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔａｐｌｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎｓ，ｔｈｅ ｙａｒｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｗｉｓｔｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｉｎｅａｒ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｙａｒｎ ｔｅｓｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｕｒｖｅｓ ｗｅｒｅ ｐｌｏｔｔｅｄ ｄｏｗｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｐｅａｋ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｉ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎｓ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎｓ ｖａｒｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｙａｒｎ ｔｗｉｓｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｙａｒｎ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｓｌｉｄｅｒ ｕｎｉｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．Ｉｔｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅｔｔｅｒ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｙａｒｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎ；ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｕｒｖｅ；ｂｒｅａｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｓｌｉｄｅｒ ｕｎｉｔ 拉伸断裂性能是评价纱线的一项重要指标，直 处喂入，与短纤维须条之间有一定的间距。３个组 接关系到纱线的用途和使用效果 。本文讨论 分的纤维从前罗拉前钳口输出后，在加捻三角区力 的三组分复合纱线是由做交缠丝和芯丝的涤纶长丝 的作用下汇合在一起，经过导纱钩后依靠钢丝圈的 与棉纤维组成。棉须条经过细纱机导条喂入装置进 回转而加捻成纱，并通过锭子和钢丝圈的转速差异 入长短皮圈牵伸机构，按设定的牵伸倍数将其拉伸 卷绕在筒管上 。 变细。芯丝和交缠丝分别通过２个路径和２个张力 三组分长丝与短纤维复合纱线在生产方法和纱 控制装置（张力设置主要依据纱线规格、风格及用 线结构上有别于现有的包芯纱、Ｓｉｒｏｆｉｌ和Ｐａｒａｆｉ等纱 途而定），从前罗拉钳口的后面喂人，其中芯丝位于 线，但又与他们有一定的关联性。由于该纱线具有 棉须条的中间，而交缠丝从前皮辊表面刻有的沟槽 特殊的结构，因此其力学性能比较特殊。本文着重 收稿日期：２００９—０３—３１ 修回日期：２００９—０９—２４ 作者简介：樊理山（１９６６一），男，副教授，博士生。主要从事纺织材料与纺织品设计的教学与研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｆａｎｌｉｓｈａｎ２００５＠ １２６．ｓｏｒｅ。 第３期 樊理山等：三组分复合纱线的拉伸断裂特征与力学模型 ・３７． 讨论其拉伸断裂特征及基于此特征的力学模型 分析。 １ 实验部分 １．１ 材料与仪器 所用纱线为三组分长丝和短纤维复合纱线，其 规格用（芯丝规格＋交缠丝规格＋短纤须条规格） ｄｔｅｘ来表示。拉伸实验采用ＹＧ（Ｂ）０２１Ｄ电子单纱 强力机测试。 １．２测试方法 随机抽取试样３０个。测试条件为：温度（２０± ３）℃，相对湿度（６５±３）％；实验前将纤维预先在测 试环境平衡４８ ｈ；夹头距离：２５０ ｍｍ；预加张力为 （２．０±０．２）ｃＮ／ｔｅｘ；拉伸速度为２５０ ｍｍ／ｍｉｎ。 ２ 三组分复合纱线的拉伸特征分析 ２．１ 三组分复合纱线的拉伸特征 图１示出（１１１＋１７０＋Ｃ３４５）ｄｔｅｘ三组分复合 纱线拉伸曲线。可以看出：在拉伸的初始阶段，曲线 ＯＡ段近似为直线，纱线在此伸长范围内可以认为是 完全弹性变形；随着伸长率的继续加大，曲线在４ 点出现强力下降，曲线为ＡＢ段；当强力下降到日点 时，随着持续拉伸，强力出现反弹，曲线为ＢＣ段；当 伸长率达到ｃ点时，纱线再次出现强力下降和上 升，即曲线ＣＤ段；继续拉伸时，当伸长率达到最大 值时，纱线断裂，强力立即消失，曲线为ＤＥ段。 图１ （１１１＋１７０＋Ｃ３４５）ｄｔｅｘ三组分复合纱线拉伸曲线 Ｆｉｇ．１ Ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｒｉ—ｅｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎ（１１１＋１７０＋Ｃ３４５）ｄｔｅｘ 三组分复合纱线的拉伸曲线具有明显的多峰特 征。这主要是由于在开始拉伸时，复合纱线中首先 是芯丝在承受外力，而棉纤维和交缠丝几乎不承受 外力（因芯丝处于伸直状态，而外层包缠纤维处于 螺旋状态），随着伸长量的加大，纱线截面收缩，轴 向伸长，棉纤维和交缠丝先后开始对纱线的强力产 生贡献。当复合纱线继续拉伸，其拉伸伸长达到三 组分复合纱中某一组分的断裂伸长率时，该组分开 始发生断裂，此时，纱线拉伸曲线上出现强力波动。 由于其他２个组分的作用，纱线继续拉伸时，纱线的 强力又开始上升，直到另外２个组分分别发生断裂 或解体，最终纱线断裂，强力消失。 在三组分复合纱线中，芯丝、外包缠纤维、交缠 丝的断裂特性取决于各组分在纱线中的空间结构和 纤维的力学性能，是二者综合作用的结果。从结构 上看，在拉伸过程中，芯丝处于纱芯位置，最早承受 外力，其伸长与纱线的伸长一致。外包缠纤维和交 缠丝分别以不同的捻回角进行包覆，只有当纱线拉 伸变形分别达到一定值时，二者才开始伸长变形，因 此，这３种纤维的拉伸伸长是不同的。另一方面，从 纤维的性能上看，各组分纤维的拉伸断裂伸长能力 的差异，也是影响纱线拉伸断裂特征的重要因素。 因此，复合纱线中各组分结构和性能的多元性决定 了其拉伸断裂性能的多峰特征。 图２示出三组分复合纱线拉伸断裂过程特征。 可以发现，随着伸长量的加大，纱线开始收缩变细， 并且在断口处出现不同组分不同时断裂的特征。 图２ 三组分复合纱线拉伸断裂过程中纱线形态 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｒｉ・ｅｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｅｎｓｉｏｎ ２．２ 捻度对复合纱线拉伸断裂特征的影响 影响复合纱线拉伸性能的因素很多，纱线的结 构对拉伸特性的影响是很大的。除了纱线中纤维排 列的平行程度、伸直程度、内外层转移次数等，最重 要的影响因素是纱线的捻度。 不同捻度的（１１ １＋１７０＋Ｃ２７８）ｄｔｅｘ三组分复 合纱线的拉伸特征曲线如图３所示。可以看出，不 同捻度时复合纱线拉伸曲线的特征存在较大差异， 当捻度较大时（Ｔ．＝６８．３捻／１０ ｃｍ），其拉伸曲线具 有较长的屈服阶段（或具有多次屈服的现象），表明 复合纱线的各组分是分批断裂的，且相互缠结在一 起，共同作用；当捻度适中时（Ｔ ＝３８．２捻／１０ Ｏ１Ｔ＿１）， 其拉伸曲线则与一般长丝和纯纺短纤维纱线拉伸曲 线形态相似，表明复合纱线的结构较稳定，各向均一 程度较好；当复合纱线上的捻度较小时（Ｔ ＝ ２３．０捻／１０ ｃｍ），其拉伸曲线具有明显的二相结构 ・３８・ 纺织学报 第３１卷 Ｌ／ｍｍ 图３不同捻度（１１１＋１７０＋Ｃ２７８）ｄｔｅｘ复合 纱线拉伸特征曲线 Ｆｉｇ．３ Ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｒｉ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎｓ （１１１＋１７０＋Ｃ２７８）ｄｔｅｘ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｗｉｓｔ 特征，即可认为纱线强力主要是由芯丝和交缠丝承 担，而短纤维须条几乎未发生作用。 ３ 三组分复合纱线拉伸力学模型 对于三组分复合纱线而言，尽管在不同的长丝 预张力和纱线捻度的情况下，纱线的具体结构和拉 伸断裂特征会存在一定的差异性，但也都具有一定 的共性。 首先是芯丝开始受力，即可以认为芯丝的应变 ｓ 与纱线的应变 相一致。因此在纱线拉伸开始 一段时间内，外包覆棉纤维和交缠丝向纱内收缩而 不产生伸长；当纱线拉伸应变达到临界应变ｓ ：时， 外包覆的棉纤维开始受力；纱线的应变继续增加，纱 线应变达到临界应变ｓ 时，交缠丝开始受力并产生 伸长； ，与各组分在一定捻度下的捻缩率差异 有关，占 ３＞ｓ。２。 根据纱线拉伸力学模型的一般理论 ，可建 立如图４所示的三组分复合纱线的七元件力学模 型。由于涤纶长丝在大变形的条件下为黏弹性体， 因而用弹簧加黏壶来代替；棉纤维在拉伸时，其拉伸 曲线较平直且上翘，可以认为是完全弹性体，故采用 弹簧代替。棉纤维须条和交缠丝在复合纱线开始拉 伸一段时间内，只向纱内收缩而不产生伸长，未承担 外力，故在模型中，引入新颖的滑块元件，表示只有 当复合纱线的应变超过某组分的临界应变时，某组 分才承担外力。 设：Ｅ 为芯丝的拉伸弹性模量；占。为芯丝的应 变；ｓ 为芯丝的截面积；叼 为芯丝的阻尼系数；Ｅ：为 棉须条的拉伸弹性模量；８：为棉须条的应变；ｓ：为 棉须条的截面积；Ｅ 为表示交缠丝的拉伸弹性模 图４ 三组分复合纱线拉伸的力学模型 Ｆｉｇ．４ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｒｉ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎ ｔｅｎｓｉｏｎ 量； 为交缠丝的应变；ｓ，为交缠丝的截面积；叼。为 交缠丝的阻尼系数； 。：为棉须条的临界应变；ｇ。 为 交缠丝的临界应变。 边界条件为：ｓ２≤ ２时， ２＝０； ２≥ｓ。２时， ０＂２０＂２＝０＂２；６２一ｓ ２一 ｃ２ ；８３≤６ ； ｃ３时，０＂明， ３＝０；６３≥８ ； ｃ３ 时， ３ ３ 由图４可知： ｓ１＝ ２＝ ３ （１） 当复合纱线采用等速拉伸时，则 ｄ６ｄ ：ｋ （２）、。 芯丝部分的应力与应变的关系为Ｍａｘｗｅｌｌ模 型，故 ｄ８１ｄｔ ＝Ｅ击 ＋ ｄ 田 ． ㈩ 、 整理后得 ： ｄ （４） 叼１ 一 １ １ 两边积分得 一ｌｎ（叼 一 ）＝ ＋ｃ （５） 或 ｌ＝ ｌｋ—ｃｌ ｅ一＿ｆ （６） 当ｔ＝０， ｌ＝０，因此ｃ１＝．，７１ｋ，即： ＝ １ （１一ｅ一 ） （７） 第３期 樊理山等：三组分复合纱线的拉伸断裂特征与力学模型 比较吻合的。 ３ ・３９・ 棉纤维须条部分应力与应变的关系为 ｆ＜ 叩 叩 １ ｌ ｋ ２ ＝ ， ●●●●●●●●●●，、●●●●●●●ｌ４ 结 语 一 ｅ 一 一 一ｅ ０ ＝ 一叩 ３ ８。２） ≥ ８ ｃ２ （ ，，●，●Ｊ（１●●【 一 一 ，●●，０ ●●●●●●●，、●●●●Ｅ ，，Ｉ ２ Ｆ 根据复合纱线的实际拉伸情况，本文建立了纱 １ ２ ３ 交缠丝部分的应力与应变关系为Ｍａｘｗｅｌｌ模 ，Ｌ ＋ ＋ ＝ ＩＪ ＝ 线拉伸的七元件力学模型，并在此模型中引入了新 一 型，其关系为 ｄ（ ３一 。３） １ ｄｏ－３ ３ ｄ ＋ 解上式微分方程得 ３ 叩３ｋ—Ｃ３ｅ一 当￡＝！ ｏ，因此ｃ３＝叩， ｅ Ｅ３ｅｃ３， ＝，故 ０≤ ＜挈 ｋ Ｅ３ｅ ｃ３一Ｅ３ｋｔ ８ ｃ３ ｅ ３ １ ＋、因为 Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３ 所以 ｒ ｌ （ 一ｅ一＿１）ｓ１ ０≤ ＜ ｋ Ｆ＝ Ｆ ｅ３一Ｅ３ｋｔ 叩３ （１一ｅ— 一）Ｓ ｔ≥ ｋ （１４） 由式（１４）可得出如下结论： １）复合纱所受应力的递增速度与拉伸速度有 关，速度越大，应力递增速度越大； ２）在开始拉伸时，只有芯丝承受外力，经过一 段时间后，棉须条才加入其中，再经过一段时间后， 交缠丝也开始承受外力，三者合而为一； ３）当芯丝开始断裂时，复合纱线的强力会快速 下降，如此时棉纤维须条的强力和交缠丝的变形尚 未达到足够大，则后二者的强力增长不足以抵补芯 丝断裂时的强力损失，则在拉伸曲线上就会出现多 峰现象。 这一结论与三组分复合纱线的实际拉伸情况是 Ｅ ２ Ｅ ２ 颖的滑块杆件，不仅较好地说明了三组分复合纱线 ｌ ３ ３ ／ ／Ｌ 的拉伸受力情况，而且对多组分复合纱线的力学性 一一 能分析也提供了一个可借鉴的范式。 ｃ。 、，、， Ｓ 参考文献 ＋ ［１］ＨＡＬＬ Ｉ Ｈ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｅｘｔｉｌｅ ｙａｒｎｓ ａｔ ｖｅｒｙ ｈｊｇｈ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉ＞ ｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９６４，８（１）：２３７—２５６． ［２］ ＳＵＢＲＡＭＡＮＩＡＭ 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ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｙａｒｎ［Ｄ］．Ｘｉ ａｎ：Ｘｉ ａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．２００５：１ １—１２． ［７］ ＭＯＲＴＯＮ Ｗ Ｅ，ＨＥＡＲＬＥ Ｊ Ｗ Ｓ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｆｉｂｒｅｓ［Ｍ］．２ｎｄ ｅｄ．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｔｈｅ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９７５：３９５． ［８］姚穆，周锦芳，黄淑珍，等．纺织材料学［Ｍ］．２版．北 京：纺织工业出版社，１９９７：３８４．３８６． ＹＡＯ Ｍｕ，ＺＨＯＵ Ｊｉｎｆａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｓｈｕｚｈｅｎ，ｅｔ ａ１． Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｍ］．２ｎｄ ｅｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｅｓｓ，１９９７：３８４—３８６．