靳需岭，李营建

(1.河南省服装研究所有限公司，河南 郑州 450007；2．河南工程学院 纺织工程系，河南 郑州 450007)

氨纶包芯纱是在氨纶弹性纤维外包覆各种短纤维制成的一种复合纱线[1].纱芯氨纶长丝可提供优良的弹性，外包短纤维则提供良好的手感、外观和服用的舒适性，其力学性能兼具弹性固体和黏性流体的变形特征，是一种性能明显的黏弹体材料.在纺纱过程中，采用不同工艺参数纺制的氨纶包芯纱的黏弹性有明显的区别.本研究在测试大豆蛋白纤维纯纱和不同氨纶丝预牵伸倍数大豆/氨纶包芯纱蠕变的基础上，选择四元素力学模型，建立了在定负荷作用下蠕变时应变随时间变化的关系式.利用DPS数据处理系统，得出了不同工艺条件下蠕变的拟合方程，并进一步求解力学模型在不同工艺条件下的特征参数，深入研究了影响氨纶包芯纱蠕变性能的因素.

1 蠕变试验

纱线在恒定拉伸力的作用下变形随时间而变化的现象，就是“蠕变”[2].通过蠕变试验，结合四元素模型应力、应变与时间关系的描述，了解不同预牵伸倍数对氨纶包芯纱蠕变性能的影响.

1.1 纱线品种和规格

14.6 tex大豆蛋白纤维纱，14.6 tex(44 dtex)大豆蛋白纤维氨纶包芯纱，氨纶丝分别采用3.0倍、3.25倍和3.5倍的预牵伸倍数[3].

1.2 试验装置及方法

蠕变试验采用如下测试方法：握持纱线的一端，另一端引出通过滑轮悬挂一定重量的重锤或砝码，用米尺测量随时间变化的伸长量，再换算成伸长率.每种纱样取50个试样，试样的原长为50 cm，拉伸定重选50 cN[4].

由于氨纶包芯纱有较大的弹性，自然状态下易卷曲，故在量取初始长度和撤去拉伸力让纱线回弹时，需挂上4 cN重的砝码，使纱线伸直.

1.3 试验结果及分析

测试数据见表1.

表1 不同预牵伸倍数时的成纱蠕变性能 Tab.1 The draft up the different when yarn creep properties

蠕变试验结果表明：

(1)大豆蛋白纤维纯纱和大豆/氨包芯纱均是黏弹性材料，在定负荷作用下，其伸长由急弹性形变、缓弹性形变与塑性形变3部分组成;

(2)由于氨纶丝的存在，包芯纱的蠕变现象比纯纱明显，其在各个阶段的伸长率均明显高于纯纱；

(3)采用不同的预牵伸倍数时氨纶丝产生的应力不同，故对氨纶包芯纱的蠕变性能有影响.试验数据显示，随着预牵伸倍数的增加，在同等负荷下氨纶包芯纱的伸长率逐步增加，即适当增加预牵伸倍数可提高成纱弹性，但预牵伸倍数过大将导致大分子在结晶区中被抽拔滑动，其塑性变形会随之增加.

2 纱线黏弹体的基本模型

图1 四元素模型Fig.1 Four-element model

为深入研究和理解黏弹性的本质，引入了多元素力学模型，可以更加直观、形象地描述纱线的蠕变现象.在常用的力学模型中，麦克思威尔模型只能体现松弛现象，不能表示蠕变；开尔文模型虽能体现蠕变现象，却又无法表示应力松弛.因此，要描述纱线的急弹性形变、缓弹性形变与塑性形变，需要有更多元件组成模型.三元素模型由一根弹簧和开尔文模型串联而成，外力去除后，只要保持足够长的时间，该模型的变形将全部消失，不能反映材料的塑性变形.四元素模型是在三元素模型的基础上再串联一个阻尼器，如图1所示，该模型可产生永久性的塑性变形.

根据表1可知，纱线的形变由急弹性形变、缓弹性形变和塑性形变3个部分组成，所以四元素模型特征与成纱的蠕变特征比较吻合，我们可借助四元素模型比较直观、准确地描述氨纶包芯纱的蠕变性能.

3 模型蠕变伸长时应变与时间的关系

在应力σ的作用下，四元素模型中弹簧E0、开尔文模型和阻尼器η0将分别产生形变ε0，εa和εb，三者共同组成四元素模型的总形变.进行蠕变试验时，氨纶包芯纱上所加应力σ为不变负荷，依据初始条件t=0时ε=0，可得到四元素模型蠕变伸长时应变随时间变化的关系式[5].如下：

(1)

4 纱线蠕变伸长的拟合方程

在纱线应变随时间变化的关系式中，4个特征参数(E，E0，η，η0)未知，可根据纱线的蠕变试验数据进行推导计算，能得出在定负荷σ作用下产生纱线蠕变时，应变ε随时间t变化的拟合方程.

4.1 利用麦夸特拟合方法建立拟合方程

为了分析四元素模型对纱线黏弹性能模拟的优劣，使用计算机软件(DPS数据处理系统)对试验数据进行处理，求得应变ε随时间t变化的拟合方程.

采用DPS数据处理系统对不同预牵伸倍数时的实测数据进行处理，得到不同工艺条件下纱线蠕变伸长时的拟合方程及方程特征参数C1,C2,如表2所示.

表2 纱线的蠕变拟合方程及方程特征参数Tab.2 Yarn creep fitting equation and the equation feature parameters

4.2 不同工艺条件下应变ε的实测值和拟合值

根据DPS数据处理系统的处理结果，得到了纯大豆纤维纱与大豆纤维/氨纶包芯纱在定负荷作用下、不同预牵伸倍数时，应变ε的拟合值和实测值，如表3所示.

表3 实测应变及其估计值Tab.3 Measured stress and its estimate

续表3

表4 拟合的F值、相关系数及修正相关系数Tab.4 Fitted F value, correlation coefficient and modified orrelation coefficient

通过表3中对氨纶包芯纱应变拟合值和实测值的比较，纯大豆纤维纱拟合值和实测值的差异最小，氨纶包芯纱拟合值和实测值的差异较大，且随着氨纶丝预牵伸倍数的增加，拟合值和实测值的差异也逐步增加.从DPS数据处理系统输出的拟合的F值、相关系数及修正相关系数如表4所示.

从表4可知，纯大豆纤维纱在定负荷作用下伸长率较小，拟合的F值、相关系数与修正相关系数均较大，这说明采用四元素模型来描述其在定负荷作用下的蠕变特性较准确.但氨纶包芯纱在氨纶丝预牵伸倍数较大时，在各个阶段的伸长率均明显高于纯纱，拟合的F值、相关系数与修正相关系数均相应降低，这说明随着纱线伸长率的增加，采用四元素模型来描述其在定负荷作用下的蠕变规律的准确性降低.

4.3 四元素模型的特征参数

4.3.1 弹簧模型的弹性系数E0

根据四元素模型的特性，开尔文模型和阻尼器在应力σ作用下，其变形是比较缓慢的，所以从理论上可以认为在应力σ的瞬时作用下产生的变形几乎全部来自弹簧E0.所以，纱线在1 min时的伸长率可看作为瞬时变形ε0.根据σ=E0×ε0得到不同预牵伸倍数时弹簧模型的弹性系数E0，见表5.

4.3.2 阻尼器的阻尼系数η0

阻尼器在恒定负荷σ的作用下，将以一定的速率产生形变.但在外力去除后，其形变是不可恢复的，即阻尼器η0产生的形变为永久性的塑性变形.所以，纱线在应力σ去除长时间后，其不能恢复的变形即为阻尼器η0在恒定负荷σ的作用下经过时间t后产生的变形εb.

4.3.3 开尔文模型的特征参数E、η

表5 四元素模型的特征参数Tab.5 Four-element model of the characteristic parameters

由表5可知，由于纯大豆纤维纱与氨纶包芯纱四元素模型的特征参数具有显著差异，这说明氨纶包芯纱与纯大豆纤维纱的力学特性有明显区别.同时，氨纶包芯纱在采用不同的预牵伸倍数时，四元素模型的特征参数差异更大，这说明预牵伸倍数对氨纶包芯纱的力学特性具有显著影响.在预牵伸倍数较小时，四元素模型的特征参数E0，η0较大，这说明氨纶包芯纱的急弹性变形与塑性变形较小，纱线和织物弹性也较小，在应力作用下不易变形，织物的定型性较好.在预牵伸倍数较大时，四元素模型的特征参数E0，η0较小，这说明氨纶包芯纱的急弹性变形与塑性变形较大，纱线和织物弹性也较大，在应力作用下易变形，织物的定型性较差.

5 结论

(1)氨纶丝预牵伸倍数对氨纶包芯纱的蠕变性能有显著影响，适当增加预牵伸倍数，伸长率变化明显，即成纱弹性好.但预牵伸倍数过大将导致大分子在结晶区中被抽拔滑动，其塑性变形会随之增加.

(2)氨纶包芯纱在各个阶段的伸长率较小时，采用四元素模型来描述纱线在定负荷作用下蠕变规律的准确性较高.相反，当氨纶包芯纱在各个阶段的伸长率较大时，其准确性相应降低.

(3)根据试验实测数据，通过DPS数据处理系统建立纱线蠕变伸长时的拟合方程，并可分阶段得到四元素模型的特征参数.由此可知，当氨纶丝的预牵伸倍数增加时，四元素模型的特征参数E0，η0逐步变小，说明氨纶包芯纱的急弹性变形与塑性变形增大，在应力作用下易变形，织物的定型性较差.

参考文献：

[1] 石风俊，刘萍，张颖，等.氨纶包芯纱拉伸性能建模的研究[J].纺织学报，2005(2)：56-58.

[2] 于卫东.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社，2006：110-112.

[3] 李营建，肖丰.大豆纤维氨纶包芯纱预牵伸参数探讨[J].上海纺织科技，2003(6)：18-20.

[4] 杨怀强，左军昌.氨纶包芯纱物理指标的测试[J].纺织标准与质量，2001(6)：26-28.

[5] 李营建，肖丰，赵东宾.氨纶包芯纱蠕变性能四元素模型的研究[J].纺织科学研究，2004(2)：16-20.