印度紡織業(yè)測試纖維疲勞度的方法

　　紡織品質量的重要環(huán)節(jié)。它直接涉及到纖維品質的定級以及終端應用，如服裝、家用紡織品、汽車內飾件等多種用途。任何紡織品都要經過強度不斷變化的應力反復作用，因此，紡織品的疲勞度的測試顯得尤為重要。

　　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構在使用過程中需要經受不同強度的變動應力。如果應力很小，產生的交變加載和卸載通常會導致應力集中，從而大大降低織物的強度。由于累計磨損的緣故，隨著應力循環(huán)次數的增加，纖維抵抗外力的強度就會逐漸減退。當承受的交變應力遠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。

　　疲勞損壞對產品的質量和市場前景帶來重大影響，如服裝面料、家居陳設、汽車內飾材料、以及工業(yè)紡織品應用中的輸送帶等等，都同樣如此。對穩(wěn)定性較高的復絲紗而言，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。

　　隨著大量新型纖維不斷應用于服裝面料和其他工業(yè)，全球各地紡織學家們對纖維的疲勞特性研究產生了濃厚的興趣，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)界認為，紡織纖維本身沒有多大的彈性區(qū)間，因此通過尋求導致損壞的周期載荷直接效果獲取疲勞測試結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，拉伸壓縮應力和彎曲應力產生的磨損性疲勞破壞應有三個衡量準則：1.疲勞失效;2.力學性能損耗;3.外觀損傷。疲勞失效通常是在周期性疲勞引發(fā)的累積破壞達到極限時，紗線應力超出許用應力所導致的失效;而力學性能損耗則是在力學性能損耗(通常為抗張強度)產生疲勞壽命和后果之前，紗線應力通常達到周期性疲勞承受的已知數值;而外觀損傷則是在紗線細微結構的基礎上，根據疲勞損壞的影響方式和影響程度得出定性數據，由此可以對不同種類纖維的抗疲勞性得出結論和比較。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、纖維應力超限、表面摩擦;雙軸滾柱旋轉。

　　1963年，循環(huán)拉伸加載技術由印度人布斯(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導致應力松弛加劇，在每次應力循環(huán)中，大部分樣件不再經受張力載荷。只有當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。在每次張力循環(huán)結束時，這種技術可抑制應力松弛，并為下一次循環(huán)加上固定的張力以助樣件應力恢復。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據。

　　1974年，印度另一專家也使用了此項彎曲斷裂測試技術，即將樣件一端固定在懸掛振動器軸夾鉗上，結果纖維在大約2毫米的振幅中撓曲變形。1983年，印度工程師就開發(fā)出一種設備，它能設在受控溫度和某特定化學環(huán)境下，通過引力作用在任意結構下產生循環(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，能模擬應力的拉伸、彎曲、磨損承受力。1993年，印度研究人員依據疲勞失效、磨損率、外觀損傷三個標準，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)的網絡檢測器，對穩(wěn)定性高的紗線(經紗)的疲勞性進行了深入研究。此后，印度另一專家詹姆士.里昂斯(James Lyons)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形變進行反復研究。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行扭轉試驗以判斷纖維是否斷裂。由此，印度專家發(fā)明了一種軸旋轉檢測技術。即讓纖維通過可變抗扭形變進行軸旋轉。在扭轉和拉伸模式的結合中形成提供的纖維疲勞監(jiān)測數據。此后，他們又設計出一套專用于壓縮型扭曲的纖維試驗的設備。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生扣環(huán)。他們又相繼開發(fā)出一種彎曲斷裂測試技術。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確性，也擴大了纖維循環(huán)彎曲產生的應力疲勞的分布。

　　雙軸旋轉檢測技術

　　在所有的疲勞試驗技術中，最有效的便是雙軸試驗。它能有效地結合循環(huán)彎曲和扭轉，獲得相應結果。目前，因為這種方法經多重分裂產生纖維斷裂后，與實際使用中產生的斷裂相仿。因此在觀察紡織品紗線加工中，雙軸旋轉技術更受青睞。雙軸旋轉意味著纖維在彎曲構型中進行軸向旋轉。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備的數種方法。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。這種方法導致應力拉伸和壓縮的預期變更，但并不適合直徑纖度為10微米的細絲。

　　自由雙軸旋轉技術

　　應力拉伸和壓縮的預期變更并不適合直徑纖維為10微米的細絲。另一方法是，作者克服了第一種方法的弊病，在此基礎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并承受懸重而產生應力拉伸。

　　單向驅動的輥柱旋轉技術

　　1979年，印度專家卡利爾與赫爾勒進一步深入研究。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，輥上產生彎曲，通過其中的一個鉗軸，在它懸重張力下進行軸向移動，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對纖維凈捻度沒有影響。這個檢測結果與旋轉時受壓縮和伸長變更控制的輥有關聯。這種疲勞作用最終導致纖維斷裂，從而獲得數據。

　　1979年，赫爾勒與其他專家再次研發(fā)出一套更先進的設備。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。這種應力張拉的連帶效應為：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的纖維產生拉伸-壓縮，本身會導致纖維損壞。

　　形成斷裂數據的影響因素

　　既然測量纖維斷裂的方法各有不同，那么測試獲得的數據反映的特性也各異，這合乎邏輯，而獲得的循環(huán)數據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，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出下降的趨勢。也有其他研究獲得相同結論，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。印度技術專家通過改變相對濕度，分別發(fā)現，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6.6 pH區(qū)間，其結論為：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為46的羊毛樣品進行研究之后推斷出：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。由于纖維加工技術的改進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一些樹脂。據印度專家研究指出，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，印度專家認為，未經加工的棉纖維在水中的壽命明顯長于在空氣中的壽命。盡管絲光工藝纖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。

　　疲勞性技術研究在紡織工業(yè)中的應用

　　印度的檢測疲勞性能的常規(guī)實驗方法，是在有一定應力/張力作用下，進行周期性負載試驗。這種方法在日常生產應用中可處處體現出來。在紡織加工中，拉伸疲勞會產生經紗斷裂。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。例如，地毯的磨損主要是由撓曲疲勞而產生纖維斷裂。

　　輪胎在使用時也須經受不同濕度與溫度條件下的周期性應力和不平等應力、應力松弛、應力壓縮等影響;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構負荷中屬于主要因素。

　　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)產生的應力和張力疲勞性在高模量夾層中惡化，導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中變壞，包括纖維的扭曲、交織相互影響或纏結。局部變形通常也是由于應力拉伸、彎曲度、側壓力、切力、不彎曲等因素結合所致。

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

　　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域，因此它對我們研究如何提高纖維的檢測技術以及產品的質量都有重要意義。