非织造布拉伸断裂强力测量不确定度分析

1. 上海市质量监督检验技术研究院， 上海 200233；2. 东华大学纺织学院， 上海 201620

与机织物不同，非织造布不是通过经、纬纱线相互交织而形成的，而是由短纤或长丝按一定方向或随机排列形成纤网结构，然后经机械作用、热黏合或化学反应等方法加固而形成的。

拉伸断裂强力[1]是指试样在拉伸试验中被拉伸至断裂时所测得的的最大力值。其是评定非织造布内在质量的重要指标之一，也常用于评定非织造布经日晒、洗涤、磨损以及各种后整理后内在的质量变化情况。条样法是最简单且最常用的织物拉伸性能测试方法。

通常，非织造布的断裂强力越高，其品质越好、强度越优异。因此，准确分析断裂强力测量的不确定度，对试验测试中需要注意的因素有一定的指导作用。正确理解并合理评估测试结果的不确定度是非常重要的[2]。本文探讨非织造布断裂强力测量不确定度的主要来源及评定方法，运用不确定度的相关理论得出断裂强力测量的合成不确定度，最后分析得出断裂强力测量的扩展不确定度。

1 测试原理和方法

1.1 原理

根据GB/T 24218.3—2010，将规定尺寸的试样垂直地夹持在强力机夹持器的中心，启动仪器，沿着试样长度方向施加使试样产生等速伸长的力，拉伸直至试样断脱，记录相比时织物的断裂强力值。试样的应力-应变曲线见图1。

图1 应力-应变曲线

1.2 试样与仪器

根据文献[3]，在温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±4)%的环境下对试样进行调湿平衡。按照文献[4]分别沿机器输出方向(纵向)和布匹幅宽方向(横向)各裁取5块试样。要求所裁取试样的边沿距离布边至少100.0 mm，并且沿试样的纵向和横向均匀分布。试样宽度为(50.0±0.5)mm，长度应满足名义夹持距离200.0 mm，本试验规定试样长度为(300.0±1.0)mm。采用英斯特朗(INSTRON)5567型强力机(图2)进行拉伸试验。

图2 英斯特朗5567型强力机

1.3 试验方法

试验在文献[3]规定的标准大气环境中进行。使用英斯特朗5567型强力机，调试至等速伸长(Constant Rate Extension， CRE)拉伸模式下进行试验。设定拉伸试验隔距为(200.0±1.0)mm，拉伸速度为100 mm/min。将试样夹持在夹持器的中心位置，保证夹口线和拉力线相互垂直。然后启动仪器，拉伸至试样断裂为止，记录断裂强力的峰值。计算5块试样的断裂强力均值并修约至0.1 N。

2 测量不确定度评定模型

测量不确定度的评定模型[5]为

Y=X+ΔX

(1)

式中：Y——断裂强力的测量值；

X——断裂强力平均值；

ΔX——断裂强力修正值。

3 测量不确定度的来源及分析

不确定度的评定方法包括A类和B类评定法[6]。A类评定法指的是在规定测量条件下用统计方法对测量值进行处理的一种评定方法，测试过程中试样的不确定度由随机效应所产生，如样品均匀性、织物调湿及均匀性、样品夹持状态等产生的不确定度；B类评定法是指在规定测量条件下用非统计方法对测量值进行处理的一种评定方法，测试过程中试样的不确定度由系统效应产生，如仪器校准、数值修约等产生的不确定度。

3.1 随机效应导致的不确定度

3.1.1 试样的均匀性

纤维的线密度、卷曲度、表面性状，纤维原料是否均匀喂入，以及非织造布加工工艺的分散性均会导致不同试样断裂强力的测试结果出现差异。测试非织造布的断裂强力时，试样最后将被破坏掉，考虑到成本，试样的数量不可能很大，因此条样法测试只能有一定的样本量，故这种方法的不确定度是由试样的代表性所导致的。为避免选择布边批次的试样，需要从试样中间选择裁取试样，以提高试样的均匀性。

3.1.2 测量中的不准确性导致的不确定度

量具直尺的精确度不佳：由测量试样宽度的钢直尺的误差所导致的不确定度。

调湿平衡时间：吸湿对纺织材料的断裂强力有明显的影响，由于不同纺织材料(如麻织物和黏胶织物)的及湿性能不同，调湿时间或湿度的波动偏差将导致断裂强力的值出现波动。

夹持状态不理想：按标准要求夹口方向应与拉伸线保持垂直，但在实际操作中，由于非织造布的结构较为特殊，难以达到理想的夹持状态，从而导致不确定度。

拉伸速度不匀：在测试过程中，拉伸速度的不均匀使得强力值在转换过程中不能完全传达到仪器中，导致转换失真，从而产生不确定度。

3.2 系统效应导致的不确定度

仪器的灵敏性不佳和测量结果修约的规则不一致都会产生误差。

不确定度的主要来源如图3所示。

图3 非织造布断裂强力测量不确定度来源

4 测量不确定度的评定

4.1 试样不均匀性引入的不确定度u1

试样纵、横向断裂强力测试结果见表1和表2。

表1 非织造布的纵向断裂强力

表2 非织造布的横向断裂强力

通过多次测量得到结果，用平均值的标准差表示由随机效应导致的不确定度，即应用贝塞尔公式[7]计算断裂强力的标准差，按式(2)计算。

(2)

式中：xi——单次测试结果；

n——试验次数。

非织造布纵、横向断裂强力的标准差分别为

4.2 器具精确性引入的不确定度u2

样品宽度测量的不确定度主要来源为钢直尺的最大允许误差和分辨率。

(1) 根据钢直尺说明使用书，测试所用钢直尺的最大允许误差为±1.0 mm，按均匀分布计算，则其不确定度分量u21为

(2) 根据钢直尺说明使用书，钢直尺的分辨率为0.5 mm，按均匀分布计算，则其不确定度分量u22为

(3) 合成质量校准引入的不确定度u2为

4.3 仪器基本误差引入的不确定度u3

仪器示值的准确性是由仪器跟踪应力的灵敏度和模量转换的准确性所导致的示值误差，根据INSTRON 5567型强力机的使用说明书，示值相对误差限定为0.5%，按照矩形分布，k=3[8]。

纵向：u3=uz=90.3×0.002 89=0.261 (N)

横向：u3=uh=64.3×0.002 89=0.186 (N)

4.4 数值修约引入的不确定度u4

按照标准要求，电子装置计算的平均断裂强力应精确至0.100 N。

5 合成不确定度

分别测试相对不确定度分量，各分量彼此独立，因此

2.305 (N)

2.566 (N)

6 扩展不确定度

包含因子是为求得扩展不确定度所乘的数字因子。包含因子根据扩展不确定度的置信水平确定。由合成标准不确定度乘以一个倍数，得到扩展不确定度。

若没有特殊要求，一般取包含因子k=2[9]，置信概率P=95%，则

纵向：Uz=ucz×2=4.608≈4.700 (N)

横向：Uh=uch×2=5.114≈5.100 (N)

7 结论

测试分量对不确定度的贡献度及分析总结如下：

(1) 非织造布纵向断裂强力为(90.300±4.700)N，横向断裂强力为(64.300±5.100)N，取包含因子k=2，置信概率近似95%。

(2) 从非织造布的断裂强力的不确定度贡献可以看出，仪器基本误差引入的不确定度u3和数值修约引入的不确定度u4可以忽略，试样不均匀引入的不确定度u1和器具精确性引入的不确定度u2为主要因素。

(3) 随着试验次数的增加，重复性在不确定度中贡献度逐渐减小，并趋近于某个固定值。