印度纖維疲勞度研究的核心

　　工程纖維材料和工程紡織品結(jié)構(gòu)在使用過程中需要經(jīng)受不同強度的變動應(yīng)力。如果應(yīng)力很小，產(chǎn)生的交變加載和卸載通常會導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而大大降低織物的強度。由于累計磨損的緣故，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，纖維抵抗外力的強度就會逐漸減退。當(dāng)承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強度極限時，損壞就有可能發(fā)生，我們稱之為疲勞損壞。

　　疲勞損壞對產(chǎn)品的質(zhì)量和市場前景帶來重大影響，如服裝面料、家居陳設(shè)、汽車內(nèi)飾材料、以及工業(yè)紡織品應(yīng)用中的輸送帶等等，都同樣如此。對穩(wěn)定性較高的復(fù)絲紗而言，抗疲勞性的強弱直接影響其加工性能的高低。在漿紗的織造以及復(fù)絲紗的變形和扭曲加工過程中，我們均可見其效果。最終的穩(wěn)定性仍與單根纖維和長絲的疲勞性密切相關(guān)。

　　隨著大量新型纖維不斷應(yīng)用于服裝面料和其他工業(yè)，全球各地紡織學(xué)家們對纖維的疲勞特性研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，而印度的紡織纖維工業(yè)是世界上開展纖維疲勞檢測較早和較深入的國家之一。印度業(yè)界認(rèn)為，紡織纖維本身沒有多大的彈性區(qū)間，因此通過尋求導(dǎo)致?lián)p壞的周期載荷直接效果獲取疲勞測試結(jié)果便成其為主要方法。1993年，印度紡織專家安南吉華拉（Anandjiwala）等人提出，在周期載荷下，拉伸壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力產(chǎn)生的磨損性疲勞破壞應(yīng)有三個衡量準(zhǔn)則：1.疲勞失效；2.力學(xué)性能損耗；3.外觀損傷。疲勞失效通常是在周期性疲勞引發(fā)的累積破壞達(dá)到極限時，紗線應(yīng)力超出許用應(yīng)力所導(dǎo)致的失效；而力學(xué)性能損耗則是在力學(xué)性能損耗（通常為抗張強度）產(chǎn)生疲勞壽命和后果之前，紗線應(yīng)力通常達(dá)到周期性疲勞承受的已知數(shù)值；而外觀損傷則是在紗線細(xì)微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)疲勞損壞的影響方式和影響程度得出定性數(shù)據(jù)，由此可以對不同種類纖維的抗疲勞性得出結(jié)論和比較。這或許已成為印度紡織品疲勞度研究的核心點。

　　多種循環(huán)拉伸加載方法的誕生

　　纖維斷裂的條件可通過各種方法測量出來。為了便于分類，他們一般分為循環(huán)拉伸加載的正常斷裂負(fù)荷值范圍（0%~50%）；在測量用滾柱上方前后向擺動引發(fā)的撓曲、纖維應(yīng)力超限、表面摩擦；雙軸滾柱旋轉(zhuǎn)。

　　1963年，循環(huán)拉伸加載技術(shù)由印度人布斯（Booth）和赫爾勒（Hearle）首次用于纖維疲勞測量。用雙夾提取樣件進(jìn)行，其中一個夾鉗用于變位循環(huán)。這種方法的缺陷在于樣件由于未完全恢復(fù)導(dǎo)致應(yīng)力松弛加劇，在每次應(yīng)力循環(huán)中，大部分樣件不再經(jīng)受張力載荷。只有當(dāng)強張力超出許用范圍時才會肉眼見到纖維斷裂。

　　為了克服纖維斷裂，印度研究人員采用了一種累積張力循環(huán)技術(shù)。在每次張力循環(huán)結(jié)束時，這種技術(shù)可抑制應(yīng)力松弛，并為下一次循環(huán)加上固定的張力以助樣件應(yīng)力恢復(fù)。這種方法使纖維在循環(huán)時更易觀察。1970年和1971年，赫爾勒與其他檢測技術(shù)人員分別在他們的實驗儀器中將此種方法確定為主要檢測方法之一并將其奉為準(zhǔn)則。此后，這種方法開始在印度紡織業(yè)界推廣開來。具體做法是，首先用兩組夾鉗夾住纖維，其中一組在0-10kHz頻率下與運行中的振動器相連，在50kHz頻率時發(fā)生3毫米的位移。上方夾鉗與壓電傳感器相連，在懸梁上方將單臂電橋與之粘合。通過此種方法，在纖維配比的周期載荷和平均載荷上，由此電子信號提供了分析數(shù)據(jù)。

　　1974年，印度另一專家也使用了此項彎曲斷裂測試技術(shù)，即將樣件一端固定在懸掛振動器軸夾鉗上，結(jié)果纖維在大約2毫米的振幅中撓曲變形。1983年，印度工程師就開發(fā)出一種設(shè)備，它能設(shè)在受控溫度和某特定化學(xué)環(huán)境下，通過引力作用在任意結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生循環(huán)摩擦，從而在長絲、紗線或織物條紋上施加恒定的軸向拉伸載荷。這種作用使纖維原料在加工的同時，能模擬應(yīng)力的拉伸、彎曲、磨損承受力。1993年，印度研究人員依據(jù)疲勞失效、磨損率、外觀損傷三個標(biāo)準(zhǔn)，在纖維循環(huán)延長及磨損的情況下使用一種稱為蘇爾澤·盧蒂（Sulzer-Ruti）的網(wǎng)絡(luò)檢測器，對穩(wěn)定性高的紗線（經(jīng)紗）的疲勞性進(jìn)行了深入研究。此后，印度另一專家詹姆士.里昂斯（JamesLyons）研究出新的試驗方法，即使用上下兩個活栓懸掛好纖維，底部的夾鉗用兩個把手支撐。略低一些的把手通過可調(diào)整的滑塊在豎直擺動中運行，這種循環(huán)作用屬于恒位移試驗法之一——振幅的扭曲疲勞試驗。此后，其他印度纖維測試專家在纖維樣品中使用撓曲疲勞試驗的方法對正反替代的扭轉(zhuǎn)形變進(jìn)行反復(fù)研究。使用頻率最高的方法是，使長度為10厘米的纖維在恒定拉伸力的作用下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗以判斷纖維是否斷裂。由此，印度專家發(fā)明了一種軸旋轉(zhuǎn)檢測技術(shù)。即讓纖維通過可變抗扭形變進(jìn)行軸旋轉(zhuǎn)。在扭轉(zhuǎn)和拉伸模式的結(jié)合中形成提供的纖維疲勞監(jiān)測數(shù)據(jù)。此后，他們又設(shè)計出一套專用于壓縮型扭曲的纖維試驗的設(shè)備。這種作用模式使兩端纖維疲勞能輕易觀察到，能在壓縮性軸向載荷下產(chǎn)生扣環(huán)。他們又相繼開發(fā)出一種彎曲斷裂測試技術(shù)。這不僅提高了紗線循環(huán)拉伸引起的耐磨性和疲勞性的測試的準(zhǔn)確性，也擴大了纖維循環(huán)彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力疲勞的分布。

　　雙軸旋轉(zhuǎn)檢測技術(shù)

　　在所有的疲勞試驗技術(shù)中，最有效的便是雙軸試驗。它能有效地結(jié)合循環(huán)彎曲和扭轉(zhuǎn)，獲得相應(yīng)結(jié)果。目前，因為這種方法經(jīng)多重分裂產(chǎn)生纖維斷裂后，與實際使用中產(chǎn)生的斷裂相仿。因此在觀察紡織品紗線加工中，雙軸旋轉(zhuǎn)技術(shù)更受青睞。雙軸旋轉(zhuǎn)意味著纖維在彎曲構(gòu)型中進(jìn)行軸向旋轉(zhuǎn)。但印度專家并未就此止步，1980年，一名叫卡利爾的專家提出檢測設(shè)備的數(shù)種方法。其中有一方法是，因單根長絲的粗纖維可輕而易舉地扭彎并鉗住，以至于可將兩端纖維旋鈕在一起。這種方法導(dǎo)致應(yīng)力拉伸和壓縮的預(yù)期變更，但并不適合直徑纖度為10微米的細(xì)絲。

　　自由雙軸旋轉(zhuǎn)技術(shù)

　　應(yīng)力拉伸和壓縮的預(yù)期變更并不適合直徑纖維為10微米的細(xì)絲。另一方法是，作者克服了第一種方法的弊病，在此基礎(chǔ)上采用小曲率半徑作用力，通過一定張力讓纖維通過輥軸或金屬絲，從而纖維的一端受到扭轉(zhuǎn)并承受懸重而產(chǎn)生應(yīng)力拉伸。

　　單向驅(qū)動的輥柱旋轉(zhuǎn)技術(shù)

　　1979年，印度專家卡利爾與赫爾勒進(jìn)一步深入研究。試驗方法的突出特點在于纖維樣品的末端在90度方向用兩個夾鉗鉗住彼此。纖維受力，輥上產(chǎn)生彎曲，通過其中的一個鉗軸，在它懸重張力下進(jìn)行軸向移動，將纖維放置于恒定張力下。夾鉗此時以同樣速度和方向旋轉(zhuǎn)對纖維凈捻度沒有影響。這個檢測結(jié)果與旋轉(zhuǎn)時受壓縮和伸長變更控制的輥有關(guān)聯(lián)。這種疲勞作用最終導(dǎo)致纖維斷裂，從而獲得數(shù)據(jù)。

　　1979年，赫爾勒與其他專家再次研發(fā)出一套更先進(jìn)的設(shè)備。纖維張力更易控制，受控于輥——相連于固定在變相測量器上的懸臂上。接著，另一種技術(shù)也在印度問世，其遵循的檢測原則類似，但與鉗軸平行排列。這種應(yīng)力張拉的連帶效應(yīng)為：它允許纖維在輥周圍有8度角的彎曲，纖維長度在700-1700間變更。系統(tǒng)中，纖維樣件末端與兩夾鉗軸相連。此外，另一套新的張拉系統(tǒng)也已發(fā)明成功，系統(tǒng)中的輥安裝在線偏振光束之上，能夠沿不銹鋼軸在軸承上自由垂直移動。這樣一來，只需簡單的增加重力便能測試其張力。但這種方法使輥彎曲旋轉(zhuǎn)的纖維產(chǎn)生拉伸-壓縮，本身會導(dǎo)致纖維損壞。

　　形成斷裂數(shù)據(jù)的影響因素

　　既然測量纖維斷裂的方法各有不同，那么測試獲得的數(shù)據(jù)反映的特性也各異，這合乎邏輯，而獲得的循環(huán)數(shù)據(jù)則是能反映纖維斷裂最普遍的判定方法。由此，可以看出，影響疲勞壽命的因素主要有下列這些：

　　1.纖維本身的韌性。研究發(fā)現(xiàn)，纖維加工中形成的韌性越強，纖維的壽命也越長，而聚丙烯纖維相對于尼龍和聚酯而言韌性則更強。隨后，又有人稱，棉纖維細(xì)胞壁厚度對其壽命的影響非常明顯。

　　2.環(huán)境溫度的影響。隨著溫度的升高，尼龍的疲勞壽命表現(xiàn)出下降的趨勢。也有其他研究獲得相同結(jié)論，即隨著溫度的升高聚酯和單根尼龍長絲的疲勞壽命下降。

　　3.相對濕度的影響。印度技術(shù)專家通過改變相對濕度，分別發(fā)現(xiàn)，不同的濕度會影響聚酯和尼龍絲的疲勞壽命。然而聚酯單長絲纖維的疲勞溫度在濕度的每個水平階段保持穩(wěn)定，而尼龍單絲的疲勞壽命則在循環(huán)疲勞中隨著濕度逐漸從50%增至100%，溫度從0℃升至200℃，疲勞壽命則表現(xiàn)出下降的趨勢。

　　4.pH值的影響。1977年，赫爾勒證明，尼龍纖維的pH值（0~14）在6.6pH區(qū)間，其結(jié)論為：若pH值在0~2之間，尼龍的疲勞壽命有了明顯的增加。實際上，早在1952年，一位專家在對碳化參數(shù)為46的羊毛樣品進(jìn)行研究之后推斷出：碳化纖維比加工后的纖維在撓曲疲勞抵抗力上較小。

　　5.墨塞絲光處理的影響。由于纖維加工技術(shù)的改進(jìn)以及受控纖維中的許多弱項移除，纖維撓曲疲勞壽命的長短也受絲光工藝的影響。實驗證明，加工工藝可縮短也可延長纖維的壽命。

　　6.樹脂的影響。纖維加工過程中會加進(jìn)一些樹脂。據(jù)印度專家研究指出，樹脂加工會明顯降低棉纖維的疲勞壽命。

　　7.水份的影響。研究表明，水分對pH值具有至關(guān)重要的影響，對尼龍纖維、棉纖維、聚酯、尼龍單根長絲的疲勞性都有影響，只是影響的程度有所不同。但是，印度專家認(rèn)為，未經(jīng)加工的棉纖維在水中的壽命明顯長于在空氣中的壽命。盡管絲光工藝?yán)w維的壽命在水中和空氣中相同，但仍舊高于未加工的浸水棉纖維兩倍多。但浸泡在海水中的聚酯和尼龍長絲的疲勞壽命要短于蒸餾水中的壽命。而棉纖維置于空氣中的壽命長于在潮濕條件下的壽命。

　　疲勞性技術(shù)研究在紡織工業(yè)中的應(yīng)用

　　印度的檢測疲勞性能的常規(guī)實驗方法，是在有一定應(yīng)力/張力作用下，進(jìn)行周期性負(fù)載試驗。這種方法在日常生產(chǎn)應(yīng)用中可處處體現(xiàn)出來。在紡織加工中，拉伸疲勞會產(chǎn)生經(jīng)紗斷裂。這種機械撓曲因素對紡織物磨損影響很大，其纖維的撓曲疲勞壽命與磨損密切相關(guān)。例如，地毯的磨損主要是由撓曲疲勞而產(chǎn)生纖維斷裂。

　　輪胎在使用時也須經(jīng)受不同濕度與溫度條件下的周期性應(yīng)力和不平等應(yīng)力、應(yīng)力松弛、應(yīng)力壓縮等影響；因此輪胎簾布的抗疲勞性強弱在輪胎性能中尤為重要，因為輪胎的補強性能在機動車的結(jié)構(gòu)負(fù)荷中屬于主要因素。

　　洗衣和上漿也對疲勞性起著決定性作用，這些加工能改變衣物的絕緣性以及透氣性。傳送帶循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力和張力疲勞性在高模量夾層中惡化，導(dǎo)致疲勞損壞在船舶拖載和停泊后的拉扯中發(fā)生。疲勞損壞也會在紡織機構(gòu)中變壞，包括纖維的扭曲、交織相互影響或纏結(jié)。局部變形通常也是由于應(yīng)力拉伸、彎曲度、側(cè)壓力、切力、不彎曲等因素結(jié)合所致。

　　復(fù)絲在變形和扭曲操作中的疲勞損壞性能，在不同強度的應(yīng)力反復(fù)作用下，纖維的疲勞性對眾多終端產(chǎn)品的應(yīng)用十分重要，例如：服裝面料、家居陳設(shè)、汽車裝飾材料、以及其他工業(yè)織品應(yīng)用。

　　穩(wěn)定性高的紗線在周期性拉伸并受損的影響下，其拉伸疲勞性能也可通過其他方法檢測出來，紗線的抗疲勞檢測尺度還包括斷裂、損傷率、外觀視覺等等。印度纖維疲勞性檢測技術(shù)具有一定參考價值，其中闡述的幾種疲勞影響因素普遍存在于紡織纖維各個領(lǐng)域，因此它對我們研究如何提高纖維的檢測技術(shù)以及產(chǎn)品的質(zhì)量都有重要意義。

來源：印染在線