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作者/李勇 沈柳杨 陈晓川 刘文亮 王金东

编辑/棉纺织技术新传媒-番薯

《棉纺织技术》2017年2月（第45卷，总第544期）火热发售中……

本期《棉纺织技术》涵盖以下技术文章：

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原文刊自：2016年11月

第44卷（总第541期）

摘 要

探讨棉纤维集合体压缩量、体积质量与压缩力的关系。介绍了纤维集合体压缩性能理论,以南疆手摘棉纤维集合体为原料,在不同棉纤维集合体添加量、加载次数、加载速度和种类的条件下,测试了棉纤维集合体压缩量和体积质量与压缩力的关系。结果表明:棉纤维集合体压缩量增加压缩力上升,棉纤维集合体体积质量与压缩力呈显著线性关系。单因素对比试验发现,棉纤维集合体添加量、加载速度、加载次数和种类对压缩力有显著影响。认为:棉纤维集合体压缩性能研究可对棉纤维集合体的生产加工、制品包装环节生产实践提供理论指导。

关键词

棉纤维;集合体;压缩性能;万能材料试验机;线性关系

1 关于棉纤维集合体压缩性能的研究

纺织原料、纺织半成品及成品均为由大量纤维体聚集而成的集合体。纤维集合体的物理机械性能与其生产加工、品质检验、包装运输等环节息息相关。压缩性能是纤维集合体的重要物理机械性能之一,其包含蓬松性、压缩变形性和压缩回复性等。纤维集合体的压缩变形是由纤维体弯曲、拉伸、扭转、滑移以及压缩等共同作用的复杂物理过程。纤维集合体的压缩性能与纤维集合体的种类、形态和物理机械性能有关 ,也与纤维体的体积质量、纤维排列状况相关。

棉花是重要的纺织原料,亦属于纤维集合体。在棉花的采摘、收储、加工等环节,棉纤维集合体需被反复多次压缩、放松。在打包压缩过程中,需注意棉纤维集合体的抗压缩压力、压缩紧密度与打包压力的关系,以及打包后棉包体包内压力是否会引起崩包现象。在纺纱生产过程中,棉块、棉网、棉条、粗纱和细纱等棉纤维集合体的运转均会涉及压缩或被压缩的过程,纤维集合体受力状态发生变化而压缩性能亦存在差异。

自 20 世纪 50 年代起,国外学者就已对纤维集合体压缩力学进行理论推导与模型研究,从深层力学原理角度分析纤维集合体的压缩性能。但此类研究仍存在诸多不足,且研究内容颇少。针对棉纤维集合体的压缩性能研究更是寥寥无几。基于前人压缩理论模型,以新疆南疆手摘棉纤维集合体为原料,研究棉纤维集合体压缩过程中压缩量、体积质量与压缩力的关系,以期为棉纤维集合体的生产环节提供一定理论指导。

2 试验部分

2.1 材料与仪器

原料为新疆阿拉尔市新陆中 37 号手摘棉,原棉、棉网、棉条,籽棉、原棉均提取于棉纺厂,棉网为梳棉棉网,棉条为精梳棉条。万能材料试验机(上海卓技仪器设备有限公司),有效测力范围10N ~ 5 000 N ,试 验 速 度 调 节 范 围

0.001mm / min ~ 500 mm / min ,压 头 直 径100mm ; FA1104 型电子天平(上海安亭科学仪器厂),称重范围 0g~200g 。

2.2 压缩试验

2.2.1 不同原棉量压缩试验

分别称取 150g 、225g 、 300g 、 375g 和 450g原棉,装入外径 110mm (内径 100mm )的 PVC管中,置于万能试验机定平台上,以 20mm / min的加载速度进行压缩试验(室温 14 ℃ ,相对湿度30% )。万能试验机压缩试验简图如图 1 所示。

压缩过程中,试验机压缩软件自动记录传感器压缩力与位移等数据,分别计算压缩过程原棉集合体体积质量与压缩功(定压缩量 120mm ),采用 orgin8.0 软件绘制压缩量、原棉集合体体积质量与压力的曲线。管内原棉集合体体积质量(平均)计算公式如公式(1 )所示。

式中:

ρ 为纤维集合体体积质量( g/ cm^3 ),m为 PVC 管 中 原 棉 质 量 (g ), d 为 PVC 管 直 径( mm ), H 为 PVC 管内存棉有效高度( mm ),x 为动压头下行位移量( mm )。

管内原棉压缩功计算公式如公式(2 )所示。

式中:

W 为纤维集合体压缩功( mJ ), p 为动压头对原棉压力( N )。

2.2.2 不同加载次数原棉压缩试验

采用 2.2.1 所 述 方 法,取 375g 原 棉 以20mm / min 加载速度连续进行 5 次压缩试验(每次压缩待原棉回复一定时间,再进行下一次压缩)。比较不同压缩次数下原棉的压缩性能差异。

2.2.3 不同加载速度原棉压缩试验

采用 2.2.1 所述方法,取 300g 原棉依次以20 mm / min 、 40 mm / min 、 80 mm / min 、160mm / min 加载速度进行压缩试验。比较不同加载速度下原棉的压缩性能差异。

2.2.4 籽棉、原棉、棉网和精梳棉条压缩试验

采用 2.2.1 所述方法,将 300g 籽棉、原棉、棉网和精梳棉条,分别以 20mm / min 加载速度进行压缩试验。比较其相互间的压缩性能差异。

3 纤维集合体压缩性能理论

1946 年 Van Wyk 将纤维看作直杆,建立了杆状弯曲模型 。研究此模型,将纤维的机械性能与纤维集合体的体积特性相联系,推导出了纤维集合体“加压 - 释压”的压积关系式,如公式( 3 )所示。

式中:

P 为压力, V 0 为压缩前纤维集合体体积,V 为压缩后纤维集合体体积, k 为常数, Y 为纤维拉伸杨氏模量, M 为纤维集合体质量, γ 为纤维体积质量。

Bohuslav 提出了在常规压力作用下纤维集合体的一维变形方程 ,如公式(4 )所示。

式中:

P 为压力, k p 为常数, ρ 为纤维集合体体积质量,ρ 0 为纤维集合体初始体积质量, ρm为纤维集合体临界体积质量。

Sebestyen 发现毛纤维集合体的体积质量与压缩力的乘方关系 。Samon 发现毛织物压缩力与织物体积的立方倒数关系 。Stearn 分析了纤维集合体单位体积内纤维相互间接触点数,发现纤维集合体随压缩率的增加,纤维排列状况逐渐调整,纤维间接触密度增多 。由此可知,纤维集合体的体积质量和纤维间相互接触点数等特征量,与纤维集合体的压缩性能息息相关。

4 结果分析

4.1 压缩量与压缩力关系

不同情况下,棉纤维集合体压缩曲线如图 2~ 图 5 所示。

由图 2 可知,随着棉纤维集合体压缩量的增加,棉纤维集合体压缩力均呈增长趋势。 PVC 管内放入初始原棉量越多,曲线斜率越大,压缩力上升速度越快。管内初始原棉集合体体积质量增大,纤维间相互挤压、滑移,阻力增大,导致原棉压缩力增大。

由图 3 可知,同 等压 缩 量 下,在 10mm~60mm 的压缩量范围内,原棉压缩力随加载次数的增多而逐次降低;在 60mm~120mm 的压缩量范围内,原棉压缩力递减规律性不强,原棉首次压缩的压缩力仍大于再次压缩的压缩力。原棉被压缩后,虽解除加压回复一定时间,但因周向仍受管体约束,且每一次压缩都促使棉纤维相互间滑移穿插紧密,故首次压缩的压缩力较大。

由图 4 可知,随加载速度的增加,同等压缩量下,原棉压缩力随加载速度的增加而增加,且压缩量越大,不同加载速度的压缩力差异越大。棉纤维集合体属黏弹性体,原棉加载速度越大,棉纤维集合体发生缓弹性变形和塑性变形几率越大,同时纤维间发生滑移、穿插致密比例降低,故纤维集合体压缩阻力呈增强趋势。

由图 5 可知,4 种棉纤维集合体的初始压缩力排序依次为棉网 > 精梳棉条 > 原棉 > 籽棉,可见其蓬松度依次为棉网 > 精梳棉条 > 原棉 > 籽棉。籽棉纤维以棉籽为核心凝聚成团状,原棉内棉纤维杂乱排列,棉网内棉纤维按一定规律或方向相互交叉排列成网状,棉条内棉纤维按条轴向依次顺序排列。同等压缩量下,棉网的压力高于棉条、原棉和籽棉的压缩力。棉纤维集合体蓬松度和纤维排列规律对压缩性能有明显影响。

不同情况下棉纤维集合体压缩 120mm 的做功量如图 6 所示。由图 6 可知,管内原棉量越多,压缩功越大;加载速度越大,压缩功越大;加载次数越多,压缩功越小;纤维集合体越蓬松,压缩功越大。可见,在棉纤维集合体压缩过程中,棉纤维集合体体积质量、加载速度、加载次数和纤维排布状态对压缩性有显著影响。外力对原棉试样所做的功越大,原棉纤维间蓬松度越大。

4.2 集合体体积质量与压缩力关系

不同棉纤维集合体添加量、加载次数、加载速度和种类下,棉纤维集合体体积质量与压力曲线如图 7~ 图 10 所示。

由图 7~ 图 10 可知,随着棉纤维集合体体积质量的增加,压缩力均呈增长趋势。分别对不同棉纤维集合体添加量、加载次数、加载速度和种类下的棉纤维集合体体积质量与压力进行线性分析,如表 1~ 表 4 所示。 x 指原棉平均体积质量(g/cm^3 ),* 表示差异显著( p <0.05 )。

由表 1~ 表 4 可知,在以上各情况下棉纤维集合体的体积质量(平均)与压缩力线性相关系数均大于 0.9 。故棉纤维集合体的体积质量与压力之间呈良好的线性关系。

5 结论

压缩性能是纤维集合体的重要物理机械性能之一,其与纺织生产加工、品质检验、包装运输等环节息息相关。查阅国内外研究者关于纤维集合体压缩性能的研究,发现纤维集合体的压缩性能与纤维体集合体积质量密切相关。以南疆手摘棉纤维集合体为原料,研究棉纤维集合体压缩过程中压缩量、体积质量与压缩力的关系。结果表明,棉纤维集合体体积质量增加压缩力增加,棉纤维集合体体积质量与压缩力呈显著线性关系。单因素对比试验发现,棉纤维集合体添加量或加载速度越大,压缩力越大;多次加载压缩,压缩力下降;不同种类纤维集合体受纤维排布状况影响,棉纤维集合体越蓬松压缩力越大。棉纤维集合体压缩性能的研究可为棉纤维集合体的生产运输、纤维集合体压力调节以及制品包装环节提供理论指导。

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