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1、第2 6 卷第1 期 2 0 0 5 年2 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x m eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 1 F e b 2 0 0 5 竹浆纤维力学性能的模拟分析 张涛1 ,鲍文斌2 ,俞建勇1 ( 1 东华大学纺织学院,上海2 0 0 0 5 1 ;2 东华大学化学与化工学院,上海2 0 0 0 5 1 ) 摘要应用固体力学模型分析比较了竹浆纤维和粘胶纤维的流变性能,指出了竹浆纤维的松弛( 或延迟) 时间普 遍比粘胶纤维的长,发生流变较慢,松弛蠕变好于粘胶纤维。 关键词竹浆纤维;力学模型;应力松弛;蠕变;粘弹性 中图分类号:T s1
2、 0 2 5 1文献标识码:A 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 ) 0 1 0 0 2 8 0 3 S i m l l l a t ea n a l y s i so fm e c h a I l i c a lp r o p e n i e so fb 锄b o op l l l p6 b e r Z H A N G7 1 1 a 0 1 ,B A OW e n - b i n 2 ,Y UJ i a n y o n 9 1 ( 1 c o 比鲈矿Z 池,D o ,培彘跏沁r s 渺,_ s 地n 咖i2 0 0 0 5 1 ,吼i 船; 2 c D 伊矿G k
3、 m 括竹口以吼锄泐z 西画胱 增,D 0 ,咖跏矗脯毋,s 7 m ,咖i2 0 0 0 5 l ,仇i ,1 0 ) A b s t r a c t U s i n gs o l i dm e c h a I I i cm o d e l ,a n 越y z e dt h er h e l o g i c a lp m p e r t yo fb 锄b o op u l pf i b e ra n dr a y o n 矧D e r R e s u l t i n gal o n g e r r e l a ) 【a t i o nt i m et h a nt h e 瑚I y o ns
4、 t 印l e6 b e r I t sr h e o l o g yi ss l o w e r ,r e l a ) 【a t i o n c r e e pi sb e t t e rt h 锄i t K e yw o r d sb a m b o op u l p 胁e r ;m a c h a n i c a lm o d e l ;s t r e s sr e l a 】【a t i o n ;c r e e p ;v i o s c o e l a s t i c i t y 鉴于竹浆纤维与粘胶纤维同属再生纤维素纤 维,在外观风格上有很多相类的地方,因此本文对二 者的流变情况进行
5、了初步分析与比较,以更好地预 测竹浆纤维纺织品的有关性能。 1 模型 用简单线性三元件模型对竹浆纤维和粘胶纤维 的粘弹性进行模拟,以便检验和对比二者的应力松 弛及蠕变情况。典型的力学模型有四元件模型和三 元件模型,四元件模型是根据高聚物的分子运动机 理而设计的。当粘滞系数叩,一时,四元件模型就 变成了三元件模型,见图1 。它经常被用来描述纺 织材料的粘弹性现象。 局 叼 ( b ) 模型b 图1固体力学三元件等效模型 图l 中,E 。,E :分别为虎克型弹簧的弹性模量, 叩为牛顿型粘性流动单元的粘滞系数。根据各元件 的排列配置和变形关系,得二个模型的本构关系 为旧。: 模型a E l 叩 d
6、eE lE 2 刁 d 口 i 了衰面+ 瓦了i 62 玎 瓦面+ 仃 ( 1 ) 模型b 塞+ 争舢。鸲,誊+ 竽 在应力松弛试验时,设e = e 。( e 。为常数) ,对于 模型a 若边界条件为仃。= 蔫e 。,可解得模型a 的应力松弛方程: 出,= 燕( + 爷一) 式中,r 。= 叩( E ,+ E :) 为模型a 的松弛时间。 模型b 中,当边界条件为盯。= ( E 。+ E :) e 。,可 解得模型b 的应力松弛方程: 盯( f ) :E 2 e 。+ E l 。e 。h -( 4 ) 式中,r - = 叩E - 为模型b 的松弛时间。 在蠕变实验中,以模型a 为例来说明其粘弹
7、特 性。当盯= 盯。= 常数时,式( 1 ) 简化为: 警+ 等= 半知面+ 了2 百一。瓦c r c , 作者简介:张涛( 1 9 7 9 一) ,女,汉族,硕士研究生。研究方向为竹浆纤维的性能分析。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第l 期纺织学报【2 9 】 上述方程的解为 = c e 一“z + 盯。( 1 E l + 1 E 2 )( 6 ) 式中,r := 叩E :为模型a 的延迟时间。 由此可知,三元件等效模型即表征
8、了粘弹性材 料的蠕变,也同时表征了应力松弛,并且得出了表征 松弛快慢的松弛时间r 和表征蠕变快慢的延迟时 间r 2 。 2实验方案 在Y G ( B ) 0 0 3 AT E S T E R 单纤强力机上分别对二 种试样进行了应力松弛及蠕变试验,以2 0 删r n i n 速度拉伸。具体参数:预加张力0 5c N ;夹持距离 1 0m m ;统计次数1 0 次;反复拉伸次数为6 次。松弛 试验定时兀为1 0s ,定伸长率选取2 ,5 ,8 , 1 0 ;蠕变试验定时兀为1 0s ,定负荷值选取:0 5 、 1 0 、1 5 、2 0 、2 5c N 。其实验结果见图2 、3 。 1 z l 姜
9、, 翅o O 2 2 l8 1 4 lO O6 0 2 02 时间s ( a ) 竹浆 l 枣1 R 翅0 O O24681 0 1 2 时问s ( b ) 粘胶 圈2 不同负荷下的松弛曲线 O2468l O 1 2 时间s ( a ) 竹浆 O24681 01 2 时问,s ( b ) 粘胶 0 c N 5 c N O c N 5 c N 图3 不同负荷下的蠕变曲线 用模型a 对实验结果进行模拟,得到表3 、4 的 参数。 表3 模型a 的蠕变拟合参数 预加力 粘胶纤维竹浆纤维 ! 坐垒! ! ! 翌:! 竺:! ! 璺! ! ! 型:! 竺:! ! ! ! ! 坐:! :坠:! ! 笙望堕
10、塑兰! ! 墨! ! ! ! 型:! 竺:! ! 墨! ! ! ! 垡:坚:! ! ! ! ! 型:! :! 竺:! ! 笙望堕塑:! ! ? 1 O0 1 0 30 1 5 5O 9 6 0 9 3 3O 0 5 6 0 1 1 60 8 3 4 1 4 8 1 1 5 O 1 2 8 O 2 6 11 O 8 5 7O o 2 O 2 6 0 O 9 9 31 2 1 1 2 OO 1 5 0O 2 8 61 2 3 I 8 2 2O 1 0 7 0 2 “ 1 2 3 2 1 1 5 0 2 50 1 9 0O 3 8 01 2 9 6 6 1 8 3O 1 6 0 O 2 7 9 1
11、4 4 99 0 6 对表3 、4 实验结果进行指数函数曲线拟合,得 到竹浆纤维与粘胶纤维应力松弛及蠕变的回归方程 如表5 所示。 表5 纤维松弛蠕变回归分析表 实验参数竹浆纤维粘胶纤维 ,:0 1 0 + 0 2 1 6 3 e ( 一7 7 8 3 ) F :O 躬+ O 5 1 8 9 2 e ( 一7 1 挪) ,:0 8 6 + 0 4 0 6 8 l e ( 一7 1 螂”) F :1 1 7 + O 4 9 “e ( 一”1 8 ) O 5 c N无蠕变现象 蠕定1 o c Ne = o 4 3 一o 1 4 3 0 e 卜“9 ) 变祷1 5 c N :o 7 6 一o 3 1
12、 1 1 e “”1 2 O c N = 1 2 0 4 0 3 9 e ( 一“14 ”“) 无蠕变现象 :0 9 0 4 7 9 l e ( 一7 93 ”) :1 4 一O 3 4 6 3 e ( 一,85 6 9 7 ) E = 1 9 6 0 4 1 6 8 e ( 一7 82 2 4 ) 3 结果分析与讨论 1 ) 在一定的温度和恒定应变条件下,纤维的内 应力随时间的延长逐渐减小;在一定的应力条件下, 形变随时间的延长而增大,变化规律呈指数关系。 2 ) 在不同拉伸率下,纤维随定伸长率的增加其 松弛时间r ,逐渐减小,松弛变快,松弛现象都愈加 明显;在不同应力条件下,纤维随负荷的增
13、加其延迟 时间r :逐渐减小,蠕变现象愈加明显,这主要是纤 维内部氢键断裂不同的结果1 。 3 ) 在相同拉伸率条件下,竹浆纤维的松弛时间 r 较粘胶纤维长,即粘胶的应力松弛速率比竹浆快, 松弛现象更明显;同样,在相同负荷条件下,竹浆纤维 发生蠕变的延迟时间r :较粘胶纤维长,即粘胶的蠕 变速率比竹浆快,蠕变现象更明显。这主要是受纤维 的取向度、规整程度及回潮率等影响造成的H 1 。 ( 下转第3 2 页) 8 4 O 6 2 2 lO O O 目m,制毯 N N N N 吣孔 gm锹邂 昕 ” ” 舛 瑚 ! 抛 粥 一 一 - _ 孔踮獬狮 呈耄| 1 5 4 J 0 O O 0 + +
14、+ +巧船卯鸲 0 0 0 O l l : : : F F F Fm 2 5 8 K 初拉伸率 松弛 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【3 2 】纺织学报 2 0 0 5 年第1 期 广 J I L 图4P V A - S P F 晶胞结构模型 取向度应在7 0 8 0 。这是由于在P V A S P F 中, 聚乙烯醇和大豆蛋白大分子均呈直线形排列,并且 由于极性基团较多,大分子间的作用力较强,因此在 纺丝成形过程中大分子的敛集速度较快,可能是以
15、 大分子束的形式在拉伸过程中较易于沿纤维轴向取 向所致,见图5 。 3 结论 1 ) P V A S P F 的聚集态结构是以直线大分子网状 ( 上接第2 9 页) 根据以上比较可预知,与粘胶纤维相比,竹浆 纤维织物在受到小外力压痕后,织物不易产生皱褶; 将织物在高温高压下进行特殊褶皱效果处理后,织 物的保形性较粘胶好,不易变形。因此竹浆的蠕变 要好于粘胶纤维,其织物的抗皱性也要好于粘胶 织物。 图5P v A s P F 的大分子柬在纤维 内轴向有序排列的电子显微镜照片 结构为主体,部分伴有微晶的聚集态结构。 2 ) 直线形大分子网状结构易使大分子处于板结 的状态,从而恶化纤维性能。应改善工
16、艺条件,减少 网状结构的生成,促进结晶区的增加。 参考文献: 1 】姜岩,王宝东,王业宏,等大豆蛋白质纤维的结构研究( I ) : 大分子组成和化学结构 J 纺织学报,2 0 0 4 ,2 5 ( 6 ) :4 3 4 4 2 吴宏仁,吴立峰纺织纤维的结构性能 M 北京:纺织工业出 版社,1 9 8 5 3 日本纤维机械学会纤维工学出版委员会编纤维的形成结构 与性能 M 丁亦平译北京:纺织工业出版社,1 9 8 8 4 韩光亭,王彩霞,孙永军,等大豆蛋白质纤维性能分析研究 J 纺织学报,2 0 0 2 ,2 3 ( 5 ) :4 5 4 6 5 日本纤维性能评价研究委员会编,纺织测试手册 M
17、张亮恭 等译北京:纺织工业出版社,1 9 8 3 6 于伟东,储才元纺织物理 M 上海:东华大学出版杜,2 0 0 2 参考文献: 1 c h I i s t e n s e nRM T h e o r y0 fv i s c o e l 髂t i c i t y M A c a d e I l l i cP r e s s , 1 9 8 2 6 7 7 1 2 w EM o n o n ,JwsH e a l l e P h y s i c a lp m p e r t i e so ft e x t i l ef i b r e s M L o n d o n :T e 如l eI n s t i t u t ea l l dH e i n e m a n n 1 9 7 5 4 6 0 4 6 5 3 wE 毛顿,Jw sH 亥尔纺织纤维物理性能 M 北京:中国 财政经济出版社,1 9 8 4 4 姚穆纺织材料学 M 北京:纺织工业出版社,1 9 9 3 1 4 1 1 4 5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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