吕 青， 韩 旭， 吴海波

(1． 东华大学 产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海 201620；2． 浙江和中非织造股份有限公司， 浙江 绍兴 312000)

涤纶短纤水刺非织造材料撕裂性能测试方法

吕 青1， 韩 旭2， 吴海波1

(1． 东华大学 产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海 201620；2． 浙江和中非织造股份有限公司， 浙江 绍兴 312000)

水刺非织造材料经后整理后用作建筑工程中的屋面防水材料，不仅要具备良好的透湿透气性能，还需具备优良的抗撕裂特性．基于欧洲标准中屋面防水卷材撕裂性能(钉杆法)的测试方法，通过改变钉杆撕裂试验中夹持距离、拉伸速率、钉子尺寸等各试验参数，分析了试验参数变化对试验结果的影响．结果表明：对屋面防水用涤纶短纤水刺非织造材料撕裂性能采用钉杆法测试，试验参数设为试样宽度为100 mm、钉子孔中心距上夹持器的距离为100 mm、拉伸速率为100 mm/min、钉子直径为2．5 mm、钉子孔中心距试样下端边缘的距离为65 mm时，测试方法较合理，能较客观反映材料的撕裂性能．

水刺非织造材料； 撕裂性能； 屋面防水； 钉杆撕裂

随着社会的发展，人们对绿色建筑的呼声越来越高，不仅要求材料环保无污染，对材料的舒适性及施工安全方面的要求也越来越高．水刺非织造材料因其良好的强柔性及透气透湿特性，经后整理后还可具备优良的防水特性，因此在建筑防水材料方面具有很好的应用前景[1]．在实际的施工环境中，不仅要求材料具备优良的防水防渗性能，对材料的抗撕裂性能也有一定的要求[2-3]．目前，文献资料中对建筑用非织造材料撕裂性能测试主要有梯形法、单缝法、双缝法等方法，其中梯形法采用较多[4-6]．文献[7]采用梯形法对建筑用涤棉非织造布的撕裂强力进行了研究；文献[8]也是采用梯形撕裂法研究了建筑用非织造膜材料的撕裂性能.钉杆撕裂的测试方法在相关文献中却很少提及．在国内研究中，文献[9]首次采用钉杆撕裂法测试了建筑用水刺非织造材料的撕裂强度；而国外没有相关文献提到过采用钉杆法测试建筑用非织造材料的撕裂性能，只有欧洲标准[10]中采用钉杆法测试屋面沥青防水卷材的撕裂性能，其测试方法为：试样宽度为100 mm，钉子中心距离上夹持器的距离为100 mm， 钉子中心距离试样下端的距离为50 mm，拉伸速率为100 mm/min，钉子直径为2．5 mm．本文基于欧洲标准中对屋面沥青防水卷材撕裂性能的测试方法，通过改变相关参数，采用单一变量法来探讨建筑用交叉铺网涤纶短纤水刺非织造材料的撕裂性能．通过测试材料的撕裂强力，评价欧洲标准对非织造材料测试的可行性，并对其他材料及工艺的非织造材料在建筑材料应用方面的撕裂性能测试提供借鉴．

1 试 验

1．1 试样

试样为涤纶短纤交叉铺网水刺非织造材料，由浙江和中非织造股份有限公司提供，面密度为100 g/m2， 纤维试样规格为2．22 dtex×51 mm．

1．2 测试设备

采用YG026MB-250型电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司生产)和U型工具(自制)结合对试样进行撕裂性能测试，测试设备如图1所示．

图1 测试设备Fig．1 Test equipment

1．3 测试方法

利用织物强力机与自制的U型工具配合对试样进行纵向撕裂性能测试．裁剪相同条件的试样各10块，将U型工具固定在电子织物强力机下夹持器中，将试样下端放于U型工具中，并测试试样下端距离钉子孔中心的距离，用钉子穿过U型工具上的孔和试验材料，将两者结合在一起，根据钉子孔中心距上夹持器之间的距离来设置初始隔距．测试开始后，U型工具与钉子保持固定状态，随着位移的不断增大，试样会由钉孔处开始逐渐移动破坏，直至最后被完全撕裂．采用不同的钉子尺寸与拉伸速率来测试试样的撕裂强力，以10块试样撕裂强力的平均值作为材料最终的撕裂强力．

2 结果与讨论

2．1 试样撕裂机理分析

试样在整个撕裂试验中不同时刻的形态变化如图2所示，试样的强力-伸长率撕裂曲线如图3所示．

(a) 20 s (b) 40 s

(c) 60 s (d) 80 s 图2 试样不同时刻的撕裂形态Fig．2 Specimen tearing forms in different moments

图3 试样撕裂试验的强力-伸长率曲线Fig．3 Strength-elongation curve of tearing(nail shank)test

由图2和3可知，试样钉杆撕裂的过程可分为3个阶段.第一阶段为试样撕裂初始阶段，撕裂曲线中撕裂强力与伸长率呈线性关系，此时钉子周围的纤维还未变形，主要的变化为上夹持器与钉子之间的试样纤维的滑移及伸长变形，类似于拉伸试验.随着试样的继续拉伸，钉子周围区域的纤维逐渐抽离变形，钉子下方纤维受钉子的握持作用向下弯曲并移动，逐渐移向试样下端边缘，钉子上方纤维受拉伸作用向上弯曲移动，横向纤维取向逐渐变为纵向，钉子左右两边的纤维开始抽离、伸长，形成两个缺口，如图2(b)所示，此时试样形成类似于菱形四边形的受力及变性区，为第二阶段.试样继续拉伸，此时撕裂强力主要体现在左右两个菱形角区域，纤维逐根受力被抽离拉断，纵向纤维起主导作用，类似于梯形撕破试验受力情况，随着试样逐渐受力，完整纤维数量逐渐减少，左右两边菱形缺口角度越来越大，如图2(c)所示，菱形角β>α，最后试样在菱形角区域断裂，断裂时菱形角β接近于180°，为第三阶段．撕裂强力峰值的出现在第二阶段和第三阶段，试样在撕裂过程中3个阶段的变化并不是独立进行的，是共同存在的，只是所起的主导作用不同．

2．2 试验参数对撕裂性能的影响

2．2．1 试样宽度对撕裂性能的影响

裁剪相同的试样各10块，试样宽度分别为50、 75、 100、 125和150 mm，钉子孔中心距电子织物强力机上夹持器边缘的初始距离为100 mm，钉子孔中心距试样下端边缘的距离为50 mm，拉伸速率设为100 mm/min，钉子直径为2．5 mm，撕裂性能试验结果如图4所示．

图4 试样宽度变化对撕裂性能的影响Fig．4 Effect of specimen width change on the tearing performance

由图4可知，在一定宽度范围内，试样的撕裂强力随着试样宽度的增加先上升而后趋于稳定．试样宽度为50 mm时撕裂强力只有106 N，宽度为75 mm 时撕裂强力上升至124 N，宽度在100 mm以上试样的撕裂强力稳定在142 N．原因为试样原料涤纶纤维的长度为51 mm，当试样宽度较窄时，试样裁剪时部分纤维处于断裂状态，撕裂过程中断裂状态的纤维参与撕裂，并没有充分体现纤维的力学性能，测得的撕裂强力低于材料的实际撕裂强力；当试样宽度达到一定值之后，参与撕裂的纤维均为完整的状态，能够充分体现单根纤维的强力特性，撕裂强力增大；当试样宽度继续增大，而参与撕裂的纤维状态及受力区域并未变化，只是完全撕裂所需的时间延长，故撕裂强力并未明显增大．而试样越宽对测试仪器的要求越高，故试样宽度能充分体现纤维的力学性能即可．综合考虑，试样宽度选择100 mm是可行的，且此时测出的撕裂强力值较稳定，欧洲标准撕裂性能测试中试样宽度的设置对涤纶短纤水刺非织造材料具有可行性．

2．2．2 钉子孔中心距上夹持器的距离对撕裂性能的影响

裁剪相同的试样各10块，试样宽度为100 mm，钉子孔中心距试样下端的距离设为50 mm，钉子直径尺寸为2．5 mm，拉伸速率为100 mm/min，钉子孔中心距上夹持器的距离分别设为50、 75、 100、 125和150 mm，得到的撕裂性能试验结果如图5所示．

图5 钉子孔中心距上夹持器的距离对试样撕裂性能的影响Fig．5 Effect of the distance between the center of the nail hole and upper grip on the tearing performance of specimen

由图5可知，钉子孔中心距上夹持器的距离为50 mm时，撕裂强力值较低，原因为其距离较近时，被钉子握持参与撕裂的部分纤维可能被上夹持器夹住，上升过程中提前被拉断，并未充分体现单根纤维的强力特性．当钉子孔中心距上夹持器的距离增大到75 mm后，撕裂强力值增大，约为142 N，此时被钉子握持的纤维都充分发挥了各自的力学性能，使得撕裂强力值增大，但75 mm的距离对于51 mm长的纤维来说，上夹持器出现的应力集中现象可能会影响试样的撕裂强力，故图5中显示试样的撕裂强力值分布较分散．钉子孔中心距上夹持器的距离继续增大，撕裂强力值增大不明显，原因为参与撕裂过程的区域并未改变，故撕裂强力值变化不明显．综上所述，将钉子孔中心距上夹持器的距离设为100 mm能较客观反映试样的实际撕裂强力，且撕裂强力值分布较均匀稳定．说明欧洲标准中相应参数的设置对本文的试样材料具有可行性．

2．2．3 钉子孔中心距试样下端边缘距离对撕裂性能的影响

裁剪相同的试样各10块，试样宽度为100 mm，钉子孔中心距上夹持器的距离设为100 mm，钉子直径尺寸设为2．5 mm，拉伸速率为100 mm/min，钉子孔中心距试样下端边缘的距离设为20、 35、 50、 65和80 mm，得到的撕裂性能试验结果如图6所示．

图6 钉子孔中心距试样下端边缘距离对试样撕裂性能的影响Fig．6 Effect of the distance between the center of the nail hole and specimen lower end edge on the tearing performance of specimen

由图6可知：当钉子孔中心距试样下端边缘为20和35 mm时，撕裂强力较低，原因为当距离较近时试样还未完全伸长而撕裂过程就已结束，并未充分体现纤维的力学性能，所测撕裂强力值低于材料的实际值；当钉子孔中心距试样下端边缘为50 mm时试样的撕裂强力值明显增大，原因为参与撕裂过程的纤维充分伸展，撕裂强力值增大，且撕裂强力值很稳定；当钉子孔中心距试样下端的距离继续增加，撕裂强力值增加不明显，原因在于距离的增加并未改变参与撕裂的纤维数量，根据撕裂机理试样的受力区域未改变，故撕裂强力值趋于稳定． 钉子孔中心距试样下端边缘的距离为65 mm的撕裂强力稍高于距离为50 mm的撕裂强力，与试样原料纤维的长度有关，此时参与撕裂的纤维都处于较完整的状态，欧洲标准中沥青防水卷材原料的特性不同于文章中的涤纶短纤，故本文认为在测试涤纶短纤水刺非织造材料的撕裂性能时可适当增大钉子孔中心距试样下端边缘的距离，将钉子孔中心距试样下端边缘的距离设为65 mm．

2．2．4 拉伸速率对撕裂性能的影响

裁剪相同的试样各10块，试样宽度为100 mm，钉子孔中心距上夹持器的距离为100 mm，钉子孔中心距试样下端边缘的距离为50 mm，钉子直径为2．5 mm， 拉伸速率分别设为50、 100、 150、 200和250 mm/min，得到撕裂性能试验结果如图7所示．

图7 拉伸速率对试样撕裂性能的影响Fig．7 Effect of stretching rate on the tearing performance of specimen

由图7可知:拉伸速率低于150 mm/min时撕裂强力值变化不大，当拉伸速率为100 mm/min时撕裂强力稍高些，约为142 N，且分布均匀；当拉伸速率继续增大，试样的撕裂强力出现降低的现象，原因为拉伸速率过大时，试样受力变形区域的纤维还未充分伸展就会进入屈服状态，力学性能未充分体现，测得的撕裂强力值低于实际值．故欧洲标准拉伸速率设为100 mm/min对于本文中涤纶短纤非织造材料是可行的．

2．2．5 钉子尺寸对撕裂性能的影响

裁剪相同的试样各10块，试样宽度为100 mm，钉子孔中心距上夹持器的距离为100 mm，拉伸速率为100 mm/min，钉子孔中心距试样下端边缘的距离为50 mm，钉子直径分别设为1．5、 2．5、 3．5、 4．5和5．5 mm，得到的撕裂性能试验结果如图8所示．

图8 钉子尺寸对试样撕裂性能的影响Fig．8 Effect of nail size on the tearing performance of specimen

由图8可知，试样的撕裂强力随钉子尺寸的变化并无太明显的规律.当钉子直径为2．5 mm时撕裂强力约为128 N，且力值分布较均匀集中；钉子直径尺寸增加到4．5 mm时，撕裂强力值稍微提高，但幅度不大，原因为钉子尺寸增大时，被钉子握持的纤维增多，参与第二阶段撕裂变形的纤维增多，撕裂强力值增大；钉子尺寸变化不大时，撕裂强力变化不大．基于工程实用性与实际应用，故欧洲标准选用直径为2．5 mm的钉子是可行的．

2．3 撕裂性能与拉伸性能的关系

分别对试样进行纵横向撕裂性能测试(钉杆法)和拉伸性能测试(条样法)，得到两种强力-伸长率曲线如图9所示．

(a) 撕裂曲线

(b) 拉伸曲线图9 试样的撕裂曲线与拉伸曲线Fig．9 Specimens tearing curve and stretching curve of specimen

由图9可知，试样的纵横向撕裂强力很接近，纵横向拉伸强力也几乎相同．原因为试样采用的是交叉铺网工艺，纤维在各个方向排列基本相同，参与受力变化的纤维数量几乎相等，纵横向强力比接近于1，故两种方法测试的试样纵横向强力值相差不大．但由图9(a)和9(b)可以很明显看出，试样的撕裂强力明显小于试样的拉伸强力，并且撕裂试验在开始的一段时间，曲线上升较快，而拉伸试验在开始一段时间曲线较平缓．这与两种测试的机理有关．撕裂试验开始时，纤维受力滑移，钉子周围区域纤维方向发生改变，形成受力四边形，类似于梯形撕破的受力三角区，纤维逐根断裂．而拉伸试验开始时，纤维先经过滑移、伸长、伸直，最后发生断裂，几乎是所有的纤维同时受力发生方向的改变，断裂具有同步性．故试样的拉伸强力大于其撕裂强力．拉伸测试反映试样的整体力学性能，与试样的制备工艺有较大关系；而撕裂测试更能反映纤维本身的性能，与纤维自身的细度、力学性能关系更紧密.两种测试方法既有相关性又有各自的特点．

3 结 论

(1) 在一定试样宽度范围内，撕裂强力随试样宽度的增加先增加后稳定，故欧洲标准撕裂性能测试中试样宽度设为100 mm对涤纶短纤水刺非织造材料具有可行性．

(2) 试样撕裂强力随着钉子孔中心与上夹持器距离的增大出现先增大后趋于平缓的现象，随钉子孔中心与试样下端边缘距离的增加出现先增加后稳定的趋势.欧洲标准对钉子孔中心与上夹持器的距离设为100 mm对于本文的涤纶短纤非织造材料具有可行性，但钉子孔中心与试样下端的距离可根据纤维长度适当大于50 mm，设为65 mm．

(3) 在一定范围内，试样的撕裂强力随着拉伸速率的增大出现下降趋势，欧洲标准中试样的拉伸速率设为100 mm/min对于本文涤纶短纤非织造材料具有可行性．

(4) 试样的撕裂强力随着钉子尺寸的改变未呈现明显的变化规律，基于工程实用性与实际应用，欧洲标准中采用直径为2．5 mm的钉子尺寸对本文的涤纶短纤水刺非织造材料是可行的．

(5) 撕裂测试与拉伸测试既有一定关系，也各有独自的特点，撕裂性能与试样原料本身的力学性质及尺寸有密切关系．

[1] 赵海敏．建筑用新型防水材料薄型非织造布的生产与应用[J]．产业用纺织品，1993，11(1)：19-21．

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TearingPerformanceTestMethodofSpunlacedNonwovensPreparedwithPolyesterStaples

LÜQing1，HANXu2，WUHaibo1

(1． Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University，Shanghai 201620， China； 2．Hezhong Nonwovens Co． Ltd．， Shaoxing 312000， China)

Spunlaced nonwovens can be used as roof waterproofing materials in architectural engineering after finished． It not only has good moisture and air permeability properties， but also has excellent resistance to tearing． Based on European standards about roof waterproofing sheets test method (nail shank) of tearing performance and through change clamp distance， stretching rate， nail size and other test parameters in nail shank tests， the results effects caused by parameters changes were analyzed． The results show that it can use nail shank method to test tearing performance of polyester staples spunlaced nonwovens which are used as roof waterproofing materials． When specimen width is set as 100 mm， distance between the center of nail hole and upper grip is set as 100 mm， stretching rate is set as 100 mm/min， nail diameter is set as 2．5 mm and distance between the center of the nail hole and specimen lower end edge is set as 65 mm， nail shank test method is reasonable， and it will reflect the materials tearing performance objectively．

spunlaced nonwovens； tearing performance; roof waterproofing； nail shank tearing

1671-0444(2017)05-0634-05

2016-06-23

浙江省重大科技专项重点工业资助项目(2013C01102)

吕 青(1990—)，女，河南周口人，硕士研究生，研究方向为产业用纺织品. E-mail: 841143789@qq.com

吴海波(联系人)，男，高级工程师，E-mail: hbwu@dhu.edu.cn

TS 176+．5

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(责任编辑：杜佳)