湿热处理后牛奶蛋白纤维的拉伸性能及力学模型研究

杨 琳

(1.山东省纺织科学研究院，山东 青岛 266032；2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室，山东 青岛 266032)



湿热处理后牛奶蛋白纤维的拉伸性能及力学模型研究

杨 琳1,2

(1.山东省纺织科学研究院，山东 青岛 266032；2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室，山东 青岛 266032)

文章测试了湿热处理后腈纶基牛奶蛋白纤维的拉伸性能，包括断裂强度和断裂伸长率，并根据测试结果建立了相应的力学模型。通过对牛奶蛋白纤维原样和湿热处理后样品的应力应变曲线进行拟合发现，四元件非线性粘弹性模型可以很好地模拟湿热处理后牛奶蛋白纤维的拉伸性能，反应纤维拉伸过程中的力学变化。

腈纶基牛奶蛋白纤维；耐湿热性能；力学模型

腈纶基牛奶蛋白纤维既有天然蚕丝的优良特性，又兼具腈纶的物理化学性能和良好的可纺性能，是一种全新的纺织材料。牛奶蛋白纤维织物具有外观华丽、色泽鲜艳、穿着舒适等特点，更重要的是牛奶蛋白纤维与人体皮肤亲和性好，且含有多种人体所必须的氨基酸，具有良好的保健作用[1～3]。

腈纶基牛奶蛋白纤维的耐热性差[4～6]，热处理后，力学性能下降较大。本文通过测试湿热处理后腈纶基牛奶蛋白纤维拉伸性能，并建立合适的力学模型，对其拉伸时的应力随应变的变化做出一定分析，为确定合理的加工工艺和服装护理方法提供参考。

1 实验样品 实验仪器及实验条件

1.1 实验样品

为了研究湿热处理对牛奶蛋白纤维拉伸性能的影响，本文选用原样为对照，将湿热处理后纤维的拉伸性能与其进行对照。实验中所用牛奶蛋白纤维的基本规格见表1。

表1 牛奶蛋白纤维的规格

1.2 实验仪器及实验条件

实验仪器： LLY—06E型电子式单纤维强力仪，水浴锅，烧杯，温度计。

实验条件： 将需湿热处理的牛奶蛋白纤维浸没于盛满蒸馏水的烧杯中，将烧杯分别放置在温度为65℃、75℃、85℃、95℃的水浴锅中，待烧杯中蒸馏水的温度稳定后，分别经过30 min、60 min、90 min、120 min、150 min时长的水浴热处理，处理完成后让试样充分干燥，再把充分干燥的湿热处理试样与原样放在温度为20℃，相对湿度为65%的标准大气状态下预调湿24 h。

将预调湿后的湿热处理试样与原样在LLY—06E型电子式单纤维强力仪上进行断裂强度和断裂伸长率测量，其中不同温度不同时间分别取30次试验结果的平均值。实验条件：拉伸速度：10 mm/min；预加张力：100 mg；夹持距离：15 mm；测试次数：30次。

2 实验结果与分析

未处理牛奶蛋白纤维在常温干态条件下一次拉伸断裂性能指标见表2。

经过不同温度，不同时间湿热处理牛奶蛋白纤维一次拉伸断裂实验结果见表3。

表2 未处理牛奶蛋白纤维在常温干态条件下一次拉伸断裂性能指标

表3 不同温度 不同时间湿热处理的牛奶蛋白纤维的拉伸实验结果

由表3可以看出，经同样湿热处理时间，处理温度越高，牛奶蛋白纤维断裂强度的越低，同时，在同样湿热处理温度下牛奶蛋白纤维随处理时间增加其断裂强度逐渐下降。在湿热处理温度为85℃时，经过不同时间的湿热处理牛奶蛋白纤维的强度都下降剧烈。经同样湿热处理时间，牛奶蛋白纤维的断裂伸长率随温度的增高先下降再上升，在湿热处理温度为85℃和95℃时，断裂伸长

率分别达到最小值和最大值，同时，在同样湿热处理温度下牛奶蛋白纤维的断裂伸长率随处理时间增长呈下降趋势。但处理温度为85℃时，断裂伸长率随处理时间增长无明显变化规律，这是因为随湿热处理温度增高，85℃处于断裂伸长率由减小到增加的临界温度。因此，为保证牛奶蛋白纤维具有稳定的断裂伸长率，后整理加工中，湿热处理温度应低于85℃。

3 牛奶蛋白纤维力学模型的建立与分析

3.1 牛奶蛋白纤维力学模型

牛奶蛋白纤维属于粘弹体，其力学性能同时有弹性固体和粘性流体的特征。牛奶蛋白纤维的典型粘弹性力学性能表现一次拉伸性能，即断裂强力，初始模量值是拉伸速度的函数。

通常采用力学模型来模拟对牛奶蛋白纤维粘弹性现象的定量描述。严格来说，牛奶蛋白纤维属于非线性粘弹体，因此它的力学模型应该分为三部分，包括线性弹簧(反映纤维的线性力学性质)、粘弹元件(反映纤维的粘弹性质)以及非线性元件(反映非线性力学性质)。因此，本文用非线性弹簧和一个Maxwell单元并联组成的四元件模型来模拟牛奶蛋白纤维的强伸性能，根据模型做出相应的数学描述，通过Origin软件求解数学方程式得出模型中的各力学量的值，从而对牛奶蛋白纤维的力学变化做出定量的分析。图1为四

元件非线性模型的示意图。

图1 四元件非线性模型示意图

3.2 牛奶蛋白纤维拉伸模型与分析

通过数学运算，得到四元件非线性模型在纤维等速拉伸(ε=Kt， 在本文中，速度K=10 mm/min)的条件下，应力(σ)-应变(ε)的曲线回归方程为：

σ=σ0+Aε+Bε2+C(1-e-Dε)

(1)

运用Origin7.5软件，采用上述四元件非线性模型，对牛奶蛋白纤维原样和经65℃，30min湿热处理试样的应力应变曲线进行拟合，由于纤维细度为一常数，因此可用强度曲线代替应力曲线拟合，拟合参数结果如表4所示，具体的拟合曲线见图2、图3。

表4 不同处理条件下牛奶蛋白纤维拉伸模型参数拟合结果

图2 原样拉伸拟合曲线

图3 湿热处理后牛奶蛋白纤维拉伸拟合曲线

从表4可以看出，力学模型拟合的相关系数都在0.99以上，说明用四元件非线性粘弹性模型来模拟牛奶蛋白纤维的拉伸性能是非常合适的。同时可以看到拟合结果中预加张力σ0小于0，可能是在测试过程中由于仪器的原因，对牛奶蛋白纤维的预加张力不够。

实际曲线与拟合曲线变化趋势相同，但起始点的拟合程度不佳，可能是由于选取的数据点过多，导致拟合程度下降。从实际曲线可以看出，拉伸曲线的初始阶段为急弹性阶段， 是牛奶蛋白纤维拉伸曲线的线性区，在这个阶段，外力作用使得牛奶蛋白纤维大分子中的键角键长发生变化，伸长率变化很小，而且此时的伸长可以在外力消除后恢复；第二个阶段为牛奶蛋白纤维缓弹性阶段，是非线性弹性部分，在这个阶段，牛奶蛋白纤维大分子结构在外力作用下发生变化甚至重新组合排列，变形过程比较缓慢，随着牛奶蛋白纤维伸长的增加，强力增加缓慢；第三个阶段为牛奶蛋白纤维的塑性变形阶段，大分子之间产生了相对滑移，纤维在接近断裂时，强力、伸长快速增加。

用数学模型来模拟牛奶蛋白纤维的拉伸性能，可以对其拉伸时的应力随应变的变化做出一定分析，可以很好地反应拉伸过程中牛奶蛋白纤维力学性能。

4 结论

腈纶基牛奶蛋白纤维的耐热性较差，湿热处理时，在同样热处理温度下纤维随处理时间增长其断裂强度不断下降，断裂伸长率先下降再上升；经过同样热处理时间，纤维的断裂强度随处理温度升高而下降，断裂伸长率无明显变化规律。湿热处理温度为85℃时牛奶蛋白纤维的断裂强度下降最剧烈，断裂伸长率达到最小值，因此纤维后整理加工时要保证湿热处理温度低于85℃。

利用四元件非线性粘弹性模型模拟腈纶基牛奶蛋白纤维的拉伸性能，实际曲线与拟合曲线变化趋势相同，力学模型拟合的相关系数都在0.99以上，可以很好地反应拉伸过程中牛奶蛋白纤维应力随应变的变化，从而为进一步探讨牛奶蛋白纤维内部结构提供参考。

[1] 李克兢,何建新,崔世忠.牛奶蛋白纤维的结构与性能[J].纺织学报,2006,27(8):57—60.

[2] 孙冀,陈建兴.牛奶蛋白质再生纤维[J].人造纤维,2007,37(1):21—23.

[3] 郑宇,程隆棣.牛奶蛋白纤维的特性、应用和定性检测[J].上海纺织科技,2006,(6):56—57.

[4] 阎均.酪蛋白纤维及其产品开发[J].上海纺织科技,2004,32(6):49—50．

[5] 朱广舟.牛奶蛋白纤维产品简介[J].现代纺织技术,2004,12(4):26.

[6] 杨琳,徐颖.热处理对腈纶基牛奶蛋白纤维性能的影响[J].山东纺织科技,2016,57(1):22—24．

[7] 杜俊萍.纽代尔纤维及其混纺产品基本性能的研究[D].青岛:青岛大学,2009.

Study on the Tensile Properties and Mechanical Model of PAN-milk Protein Fiber after Heat-moist Treatments

YangLin1,2

(1.Shandong Textile Research Institute,Qingdao 266032,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Textiles Processing Technology,Qingdao 266032,China)

The tensile properties of PAN-milk protein fiber after heat-moist treatments were tested, included the breaking strength and elongation, and corresponding mechanical model was established based on test results. By fitting stress-strain curves of original samples and samples after heat-moist treatments, we found that four-component nonlinear viscoelasticity model could simulate the tensile properties of PAN-milk protein fiber after heat-moist treatments very well, reflect changes of mechanical properties in the tensile process.

PAN-milk protein fiber; wet-heat resistant property; mechanical mode

2016-06-06

杨 琳(1986—)，男，山东青岛人，助理工程师。

TS101.92+1.4 文献识别码：B

1009-3028(2016)04-0004-04