玻璃纤维纱线力学性质损伤的测试分析

朱进忠，苏玉恒

(河南工程学院 纺织工程系，河南 郑州 450007)

玻璃纤维是一种重要的增强材料，最早用于制造复合材料的增强体.玻璃纤维具有高强低伸[1-2]、易弯曲脆断等性能[3-4]，在加工过程中其纱线容易受到拉伸、弯曲、摩擦等外力作用而导致损伤，出现毛丝、断头等问题，严重影响加工和使用[5-7].但是，目前关于玻璃纤维纱线的加工损伤还缺少具体的试验和分析.

本研究对玻璃纤维纱线的断裂强度、断裂伸长率、断裂功、接结强度、摩擦等力学性质指标进行了测试与比较，分析了玻璃纤维纱线在加工过程中的损伤原因.

表1 实验用玻璃纤维纱线规格Tab.1 Glass fibers in experiment

1 玻璃纤维纱线强伸度测试分析

1．1 实验材料和主要仪器

1．1．1 实验材料

两种三股玻璃纤维纱线由洛玻晶纬玻璃纤维有限公司提供，规格见表1.

1．1．2 主要仪器

本实验在HD026N型电子强力仪上进行测试.拉伸隔距设置为200 mm，速度设置为200 mm/min(定速拉伸)，每管纱线测试10次，测试结果见表2.

表2 纱线拉伸性能测试结果Tab.2 Result in the tensile test of yarns

1．2 结果与分析

从表2可以看出，玻璃纤维纱线强度是普通棉纱的4.8～5.2倍，可以承受普通纱线所不能承受的拉伸力，但它的断裂伸长率却很低，不到2%.这种高强低伸性即纱线的脆性大使得玻璃纤维纱线易受变形的影响，即使变形很小，产生的应力也会很大，从而容易在加工过程中造成纱线的断裂损伤.

从表2还可以看出，Y1纱线比Y2纱线的各项力学性质指标高，其原因是纱线的物理机械性质是由组成纱线的纤维性质和成纱结构所决定的.纱线结构最重要的影响因素是加捻[8]，加捻使纱线中原来平行伸直排列的纤维与纱轴倾斜成一定的角度，改变了纱线中纤维的内外分布，使纤维在发生内外转移的同时，自身也发生了扭转变形，从而改变了纱线的物理机械性质.一般来说，纱线加捻后，紧密度增加，直径变小，纱线内纤维间的相互挤压和摩擦力增加，纱线的强度增加.玻璃纤维越细,纱线单位截面内的纤维根数就越多,排列越紧密,纤维之间的相互作用力增加,有利于提高纱线的强度.纱线的线密度也是影响纱线强度的一个重要因素.若组成纱线的纤维直径相同，则纱线的线密度越大(纱线越粗)，纱线的强度也越大.Y1纱线的线密度大，纱线中的玻璃纤维细，故比Y2纱线的各项力学性质指标高.

2 玻璃纤维纱线的接、结强度测试分析

2．1 实验

接结强度反映了纤维纱线的抗弯曲性能，体现的是纱线的脆性.使玻璃纤维纱线按照特定的接结方式在YG061F 电子单纱强力仪上进行测试，测试结果见表3与表4.

表3 玻璃纤维纱线的钩接强度Tab.3 Hook joint strength of glass yarn

表4 玻璃纤维纱线的打结强度Tab.4 The knot strength of glass yarn

2．2 结果与分析

对比表2、表3和表4可知，玻璃纤维纱线弯曲拉伸时的强度要远低于其直拉强度，Y1纱线的钩结强度只达到直拉强度的80%，Y2纱线的钩结强度只有直拉强度的75%.另一个值得注意的现象是,玻璃纤维纱线的断裂点全部发生在钩结处，而棉纱的断裂位置却几乎是随机的，断裂在直线段部分的次数居多，仅有少数发生在纱线弯折处.可以认为，上述结果主要是两者弯曲拉伸断裂机理的不同造成的.棉纤维的大分子结构特点是细长而分子量大，造成屈服应力小、屈服区域大，使得产生在弯曲接触点处的应力可以通过变形得到很好的释放，因而其断裂还是主要发生在弱环处且强度几乎没有什么损失；玻璃纤维是连续长丝，分子结构短小，属于无机物脆性材料，在拉压过程中没有屈服区，无法通过塑性变形来减少弯曲在纤维内部引起的弯曲应力，因而接触点处纱线承载的负荷增加，纱线断裂强度降低.以上结果说明,虽然玻璃纤维纱线强度高,但由于其模量高,脆性大,在弯曲和扭转时易发生断裂，且弯曲的曲率越大越容易断裂，所以可以得到，在加工过程中弯曲是玻璃纤维纱线易造成损伤的重要原因.

3 玻璃纤维纱线摩擦测试分析

图1 LFY—20型纱线耐磨仪Fig.1 LFY—20 wear resistance instrument

3．1 实验

实验在LFY—20型纱线耐磨仪(见图1)上进行，所用的砂纸是600号.实验时，一定根数的纱线为一组(本实验采用10根为一组)，在一定张力的作用下平行排列，固定在工作面上，包裹着砂纸的转轴匀速转动(60 r/min)，砂纸对试样产生摩擦作用，使试样不同程度地受损.Y1所受张力为70.5 cN时的摩断次数为613，Y2所受张力为50.4 cN时的摩断次数为802.试样所受张力变化时，纱线摩断所用的摩擦次数如表5所示.

表5 张力不同时摩断玻璃纤维纱线的摩擦次数Tab.5 Frictional times of broken glass yarn at different tension

3．2 结果与分析

3.2.1 摩断次数变化曲线

由表5可得玻璃纤维纱线摩断次数随纱线张力变化的曲线，如图2所示.随着纱线张力的提高，玻璃纤维纱线所能承受摩擦的次数不断下降.据实验观察，玻璃纤维纱线在摩擦中所能承受的张力很低，在所受张力接近弯曲拉伸强度时，往往仅摩擦几次纱线就断裂了.这是因为玻璃纤维分子结构短小，属于无机物脆性材料.因此，有时在很低的纱线张力下，纱线表面纤维也会断裂，形成毛羽，导致纱线损伤.可以说，在加工过程中，摩擦是玻璃纤维纱线易造成损伤的另一重要原因.

图2 玻璃纱线摩断次数随纱线张力变化曲线Fig.2 The change curve that the glass yarn frictional times with yarn tension

3.2.2 摩断次数变化曲线回归方程的建立

玻璃纤维纱线的摩擦损伤是逐步发生的,在纱线摩擦性能的影响因素中，纱线张力的影响很大.

从图2可以看出，各试样的曲线都是呈下降趋势的，整体近似直线.应用Matlab数学分析软件对数据进行拟合，得到玻璃纤维纱线摩断的摩擦次数随纱线张力变化曲线回归方程，如式(1)和式(2)所示.

N1=1 694.6-12.18X，

(1)

N2=1 488.6-11.68X，

(2)

式中,N1、N2分别为玻璃纤维纱线Y1、Y2摩断的摩擦次数；X为纱线张力，cN.

式(1)拟合相关系数R=0.987,计算F检验值=76.125，置信水平α=0.05下，查F临界值F=10.13，回归方程显著.式(2)拟合相关系数R=0.987, 计算F检验值=76.09，置信水平α=0.05下，查F临界值F=10.13，回归方程显著.

4 结 论

综合上述测试结果，可以得出以下结论：

(1)与棉纱线相比，玻璃纤维纱线的强度大、延伸性差，即纱线的脆性大.弯曲、摩擦、脆性大是玻璃纤维纱线易在加工过程中造成损伤的重要原因.

(2)在打结、钩结等弯曲拉伸时，玻璃纤维纱线的强度远比其直拉强度低，弯曲应力对玻璃纤维纱线强度的影响很大.

(3)玻璃纤维纱线摩断的摩擦次数与纱线张力直线相关，有时很低的纱线张力也会使纱线的表面纤维断裂，形成毛羽，导致纱线损伤.

参考文献:

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[8] 朱进忠，苏玉恒.玻璃纤维纱线强力与捻度的关系[J].河南工程学院学报：自然科学版,2010(1)：8-10.