謝納冰， 張春燕*， 陳 峰， 李姝佳

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620；2.經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司， 北京 100125； 3.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

非織造布因其選材原料廣、生產(chǎn)流程短、適用性強(qiáng)和性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于日常生活、醫(yī)療衛(wèi)生、服飾面料、環(huán)保過(guò)濾和土木建筑等領(lǐng)域[1]。據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)道的數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)非織造布產(chǎn)量高達(dá)878.8萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)35.86%[2]，已經(jīng)成為全球最大的非織造布生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。

非織造布是將纖維進(jìn)行定向或隨機(jī)排列形成纖網(wǎng)后再經(jīng)機(jī)械、熱粘或化學(xué)等方法加固而成[3]，可見(jiàn)纖維是非織造布的主要組成成分，非織造布中纖維的細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響了產(chǎn)品的物理力學(xué)性能。鄧曉明等[4]對(duì)水刺非織造布的孔隙結(jié)構(gòu)和透濕性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水刺布平均孔徑越大，透濕性越好。趙博[5]對(duì)水刺非織造布的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)、厚度、面密度、透氣性、透濕性、斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力、耐磨性、拒水性和硬挺度等進(jìn)行了系列測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水刺非織造布的性能與纖維直徑、纖網(wǎng)厚度和纖維結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)。

目前，對(duì)于非織造布物理力學(xué)性能測(cè)試主要有均勻性、拉伸性、柔軟性及透氣透濕性等[6-7]，其中拉伸性是非織造布性能測(cè)試中的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)?，F(xiàn)對(duì)非織造布拉伸測(cè)試多用強(qiáng)力測(cè)試儀和拉力試驗(yàn)機(jī)等通用設(shè)備[8-9]，價(jià)格相對(duì)昂貴且不具有針對(duì)性；其次，對(duì)非織造布纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)多采用掃描電鏡法[10-11]，測(cè)試條件要求高且過(guò)程相對(duì)繁瑣。目前還未有公開(kāi)文獻(xiàn)資料報(bào)道有關(guān)非織造布纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)與拉伸過(guò)程中力學(xué)性能參數(shù)同步獲取的一體化裝置。

課題組基于非織造布國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，提出一種非織造布表層形貌觀測(cè)與拉伸同步測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)方案，并研制了測(cè)試裝置。以某水刺非織造布為例，利用研制的測(cè)試裝置對(duì)試樣進(jìn)行表層形貌圖像采集及拉力測(cè)試，建立起非織造布細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能間的聯(lián)系。

1 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.3─2010《紡織品非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，確定拉伸測(cè)試方案[12]。測(cè)試試樣寬度為(50±0.5) mm，長(zhǎng)度滿足名義夾持距離(200±1) mm。在測(cè)試過(guò)程中，夾持試樣的夾具一個(gè)固定、另一個(gè)以100 mm/min的恒定速度沿直線運(yùn)動(dòng)，確保試樣的伸長(zhǎng)與時(shí)間成正比。在拉伸過(guò)程中，獲取試樣拉伸長(zhǎng)度、拉力及橫向收縮量等力學(xué)性能參數(shù)與表層形貌圖像。圖1為非織造布表層形貌與拉伸同步測(cè)試原理圖。

圖1 非織造布表層形貌與拉伸同步測(cè)試原理

根據(jù)上述測(cè)試原理，該測(cè)試裝置設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

1) 裝置的平穩(wěn)性要求。盡可能減少拉伸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能存在的振動(dòng)，保證測(cè)試過(guò)程的穩(wěn)定性，避免造成測(cè)試數(shù)據(jù)誤差；2個(gè)夾具需保持在同一水平面上，保證在拉伸過(guò)程中非織造布試樣不傾斜或扭轉(zhuǎn)；夾具應(yīng)保證試樣不受破壞以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不松弛。

2) 零件間的協(xié)調(diào)性要求。整個(gè)測(cè)試裝置需協(xié)調(diào)每一個(gè)零器件，在滿足所有功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，保證零器件相互之間工作過(guò)程流暢無(wú)干涉。

3) 測(cè)試參數(shù)的精度要求。非織造布拉伸力較小，試樣收縮變化量小，需控制拉力和收縮量數(shù)據(jù)的精度，減小測(cè)試誤差。

4) 數(shù)據(jù)采集的同步性要求。在非織造布試樣拉伸過(guò)程中，所獲取的力學(xué)性能參數(shù)與試樣表層形貌圖像需同時(shí)獲取和采集，保證測(cè)試數(shù)據(jù)同步性。

2 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與研制

根據(jù)以上提出的測(cè)試裝置4點(diǎn)要求，制定裝置的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。測(cè)試裝置包括4大模塊：固定夾持模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)與圖像采集模塊。

圖2 非織造布表層形貌與拉伸同步測(cè)試裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 固定夾持模塊設(shè)計(jì)

在固定夾持模塊設(shè)計(jì)中，采用便于安裝的鋁型材作為支撐支架，鋁型材上放置固定板，固定力/位移傳感器、導(dǎo)軌和滾珠絲桿滑臺(tái)模組等零件。在此模塊中，針對(duì)非織造布柔軟輕薄的特點(diǎn)，需自行設(shè)計(jì)非織造布夾具，保證非織造布受力均勻且不易松弛，夾具的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 夾具設(shè)計(jì)

此夾具包括上夾具、下夾具、2個(gè)蝶形螺栓和2個(gè)彈簧。其中蝶形螺栓的設(shè)計(jì)方便擰緊；彈簧可控制夾持口的張合；上夾具設(shè)計(jì)有出布槽，方便調(diào)整試樣位置；通過(guò)下夾具的力傳感器安裝孔使用螺栓螺母將下夾具與力傳感器連接，螺栓通過(guò)夾具固定孔將夾具與導(dǎo)軌上的滑塊連接；上、下夾具設(shè)有齒型面，使非織造布試樣受力均勻，且防止拉伸過(guò)程中試樣脫落或滑移。使用時(shí)，擰松蝶形螺栓，彈簧自動(dòng)將上夾具頂開(kāi)，非織造布試樣從齒型面夾持口伸入，再?gòu)纳蠆A具出布槽穿出并拉緊，最后擰緊螺栓，夾持口閉合，完成試樣的夾持。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)如圖4所示，主要包括導(dǎo)軌、滑塊、2個(gè)滾珠絲桿滑臺(tái)模組、伺服電機(jī)及電控箱。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌上放置2個(gè)相同的滑塊，2個(gè)夾具固定在2個(gè)滑塊上；力傳感器固定在支撐架上，同時(shí)與夾具1相連；2個(gè)夾具夾緊非織造布(試樣)，保證非織造布沿直線拉伸；滾珠絲桿滑臺(tái)模組1上的滑塊與導(dǎo)軌上的滑塊分別與固定板相連，電機(jī)1控制模組1的滑塊運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)夾具2移動(dòng)使試樣拉伸。滾珠絲桿滑臺(tái)模組2上滑塊固定KEYENCE光學(xué)位移傳感器，電機(jī)2控制模組2的滑塊運(yùn)動(dòng)，以此帶動(dòng)光學(xué)位移傳感器的移動(dòng)，使其可以測(cè)量試樣的橫向收縮量。

2.3 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

測(cè)量模塊包括力傳感器、力傳感器放大器、KEYENCE光學(xué)位移傳感器[13]及位移傳感器控制器。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]第13頁(yè)，在各類非織造布拉伸時(shí)，斷裂強(qiáng)力不超過(guò)300 N，由此來(lái)確定力傳感器的量程；該力傳感器配置有力傳感器放大器，放大器輸出信號(hào)給LMS數(shù)據(jù)采集儀便于試樣拉力參數(shù)的采集。KEYENCE光學(xué)位移傳感器配置傳感器控制器，控制器輸出信號(hào)給LMS數(shù)據(jù)采集儀便于試樣橫向收縮量數(shù)據(jù)的采集。課題組選用的測(cè)量模塊所用器件關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量模塊所用器件關(guān)鍵參數(shù)

2.4 數(shù)據(jù)與圖像采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)與圖像采集模塊包括LMS數(shù)據(jù)采集儀、光學(xué)電子顯微鏡以及計(jì)算機(jī)。力傳感器放大器與位移傳感器控制器輸出信號(hào)同時(shí)輸入LMS數(shù)據(jù)采集儀中，同時(shí)在非織造布拉伸過(guò)程中，光學(xué)電子顯微鏡實(shí)時(shí)拍攝非織造布表層形貌圖像，LMS數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)與顯微鏡采集的圖像同步輸入計(jì)算機(jī)，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)與圖像的后處理。課題組選用的數(shù)據(jù)與圖像采集模塊所用器件關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)與圖像采集模塊所用器件關(guān)鍵參數(shù)

2.5 測(cè)試裝置研制

根據(jù)測(cè)試裝置4大模塊設(shè)計(jì)，研制測(cè)試裝置如圖5所示。此裝置具有非織造布表層形貌觀測(cè)系統(tǒng)，可在非織造布試樣拉伸過(guò)程中同步采集試樣表層纖維圖像。

圖5 測(cè)試裝置

3 測(cè)試裝置應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證研制測(cè)試裝置可行性及測(cè)試的有效性，課題組以水刺非織造布為例，根據(jù)試樣表層形貌，采集拉伸過(guò)程中試樣圖像；基于圖像處理技術(shù)得到纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)參數(shù)即名義孔隙率(名義孔隙率是指采樣單位面積內(nèi)除所有表層纖維之外的孔隙占總面積的比值)。同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，以實(shí)例驗(yàn)證該測(cè)試裝置可建立非織造布細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能間的聯(lián)系。

3.1 試樣

課題組以某水刺非織造布試樣為例對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試樣的基本參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試樣基本參數(shù)

3.2 結(jié)果與討論

測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度25 ℃、相對(duì)濕度為30%的條件下進(jìn)行。測(cè)試時(shí)，試樣被夾持在2個(gè)夾具上，一端夾具固定，另一端夾具以100 mm/min的速度移動(dòng)，使試樣拉伸一定長(zhǎng)度。由于水刺非織造布具有較大的松弛性和蠕變性，因此實(shí)時(shí)同步采集試樣的表層形貌圖像和拉力數(shù)值是正確建立非織造布細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能間聯(lián)系的基礎(chǔ)。

在拉伸過(guò)程中，光學(xué)電子顯微鏡以放大130倍倍數(shù)實(shí)時(shí)拍攝試樣的細(xì)觀纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖像，拍攝面積為2.5 mm×1.5 mm。為記錄試樣拉伸過(guò)程中名義孔隙率的變化，在試樣拉伸伸長(zhǎng)率分別為0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%和35%(試樣未斷裂前)時(shí)采集圖像，圖像采集的位置如圖6所示。在試樣靠近中線的位置選5處采集位置并編號(hào)為P1，P2，…，P5。對(duì)采集的圖像進(jìn)行二值化處理，利用MATLAB軟件中的Graythresh函數(shù)獲得圖像二值化的最佳閾值并得到二值化圖像，計(jì)算圖像中白色部分像素點(diǎn)數(shù)與所有像素點(diǎn)數(shù)的比值，即為名義孔隙率的計(jì)算值。

圖6 圖像采集位置與參數(shù)提取

利用研制的測(cè)試裝置對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，對(duì)LMS數(shù)據(jù)采集儀采集的拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；在5處圖像采集位置同步采集圖像并進(jìn)行圖像處理，得到名義孔隙率并取平均值。繪制試樣拉伸伸長(zhǎng)率與拉力及名義孔隙率變化曲線如圖7所示。

圖7 試樣拉力與名義孔隙率變化曲線

由圖7可知，在一定的拉伸伸長(zhǎng)率下，該試樣的拉力隨拉伸伸長(zhǎng)率的增大而增大，名義孔隙率隨拉伸伸長(zhǎng)率的增大而減小，利用研制的測(cè)試裝置能夠快速有效建立非織造布細(xì)觀上纖維結(jié)構(gòu)與宏觀上力學(xué)性能間的聯(lián)系。

4 結(jié)語(yǔ)

課題組基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中非織造布斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定方法，研制了一個(gè)非織造布表層形貌觀測(cè)與拉伸力學(xué)性能同步測(cè)試一體化裝置。以某水刺非織造布為試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)試樣表層形貌觀測(cè)的同時(shí)進(jìn)行拉力測(cè)試。研究結(jié)果表明：①在一定的拉伸伸長(zhǎng)率范圍內(nèi)，隨著試樣拉伸伸長(zhǎng)率的增大，拉力呈現(xiàn)非線性增大，名義孔隙率近似線性減??；②研制的測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)非織造布表層形貌與拉伸同步測(cè)試，能快速有效建立起非織造布細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀拉伸力學(xué)性能間聯(lián)系，具有可行性與有效性。

課題組研制的測(cè)試裝置為建立非織造布細(xì)觀上纖維結(jié)構(gòu)與宏觀上力學(xué)性能間的聯(lián)系提供了一個(gè)研究平臺(tái)。