王越平，繆斌斌，張宇飛，代國亮，肖 紅

(1.北京服裝學院 材料設(shè)計與工程學院，北京 100029；2.軍事科學院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

并列復(fù)合彈性長絲由具有不同熱收縮性能的同系物組成，一般沿纖維軸向并列排列紡絲后得到[1]。該類長絲具有明顯的卷曲彈性，卷曲伸直后，又具有聚酯類長絲較高的彈性模量及拉伸性能[2-4]。不同于以往的大變形、極小模量的氨綸、聚烯烴類彈性纖維需要包芯或包覆后使用，并列復(fù)合彈性長絲可以直接使用，且能夠提供良好的力學性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類彈性織物中[5]。

并列復(fù)合彈性長絲的拉伸力學性能及反復(fù)多次拉伸后的彈性性能，是研發(fā)該類彈性織物的基礎(chǔ)。其典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為卷曲伸長段和伸直纖維應(yīng)力應(yīng)變段[2]。王慷[6]對聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)并列復(fù)合彈性長絲進行了定伸長循環(huán)測試，證明熱處理能夠顯著提高長絲的卷曲伸長率和斷裂伸長率，且能夠進一步提升長絲的彈性回復(fù)性能。魏艷紅等[7]對多種新型聚酯并列復(fù)合彈性長絲進行了彈性回復(fù)性能測試，但循環(huán)次數(shù)較少，無法真實反應(yīng)反復(fù)多次拉伸條件下，并列復(fù)合彈性長絲的彈性性能。另一方面，尚鮮有對新型并列復(fù)合彈性長絲常壓分散染料可染改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯(NEDDP/PBT)力學和彈性性能的比較研究，NEDDP/PBT在常溫常壓下具有良好的可染和勻染性能，有著廣闊的市場應(yīng)用前景。

本文首先比較了熱處理前后，4種并列復(fù)合彈性長絲(NEDDP/PBT、PTT/PET、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET(改性)/PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET))和氨綸包芯紗的拉伸力學性能和彈性性能。針對反復(fù)多次拉伸的應(yīng)用場景，進行了100次30%定伸長循環(huán)拉伸，通過建立循環(huán)次數(shù)與滯后環(huán)高度差的函數(shù)方程，以期有效減少循環(huán)拉伸次數(shù)，提高評價效率。為彈性長絲紗的應(yīng)用以及紗線彈性性能的研發(fā)提供良好的借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

材料：選用新型并列復(fù)合彈性長絲NEDDP/PBT與市售的PTT/PET、PET(改性)/PET、PBT/PET及氨綸包芯紗作為實驗材料，具體規(guī)格見表1。

表1 實驗材料規(guī)格Tab.1 Test materials specification

儀器：Instron5566型電子萬能材料試驗機(英斯特朗(上海)實驗設(shè)備貿(mào)易有限公司)。

1.2 熱處理

為減少絲筒表層長絲對實驗結(jié)果的影響，將外層易受損長絲剝?nèi)?0 m棄用。將試樣用紗布包裹后浸于100 ℃去離子水中處理10min[2]。自然風干待質(zhì)量穩(wěn)定后，置于溫度20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中平衡24 h。

1.3 卷曲性能

參照GB/T 14338—2008《化學纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》，將長絲一端固定，預(yù)加張力0.001 6 cN/dtex，30 s后記錄長度L0(mm)，再加上0.24 cN/dtex張力，記錄長度L1(mm)。試樣卷曲伸長率R計算式見式(1)。

(1)

1.4 拉伸斷裂性能

控制夾持距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min，預(yù)加張力為0.01 cN/dtex，每個試樣測試10次，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，并計算彈性模量、斷裂伸長率、斷裂應(yīng)力。

1.5 彈性性能

參照FZ/T 50007—2012《氨綸絲彈性試驗方法》，采用定伸長循環(huán)拉伸實驗進行測試?？刂茒A持距離200 mm，拉伸速度200 mm/min，預(yù)加張力0.02 cN/dtex，定伸長值為夾持距離的30%，反復(fù)拉伸100次，每組實驗5次，取平均值。塑性變形率d和彈性回復(fù)率r見式(2)(3)。

(2)

(3)

式中：D0為未伸長時的夾持長度，mm;D1為設(shè)定伸長時的長度，mm;D2為達到試樣預(yù)加張力值時的長度，mm。

1.6 滯后性能

在定伸長循環(huán)拉伸曲線上，當位移相同時，回復(fù)曲線與拉伸曲線之間的差值記為滯后量H(n)，滯后量H(n)與拉伸次數(shù)n有函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。相關(guān)公式如下：

H(n)=Eu(n)-El(n)

(4)

式中：H(n)是一定伸長下第n次拉伸回復(fù)的載荷滯后量；Eu(n)和El(n)分別是第n次拉伸和回復(fù)時，定伸長處的載荷量。

(5)

式中：H0是H(n)的漸進值，是理論上的收斂數(shù)值；A1、A2為滯后量的幅度；t1、t2為損耗率指數(shù)。

式(5)為指數(shù)損耗函數(shù)，用以構(gòu)建循環(huán)次數(shù)n與滯后量H的函數(shù)關(guān)系, 可以大幅度減少定伸長拉伸次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理的影響

2.1.1 熱處理對卷曲性能的影響

并列復(fù)合彈性長絲在熱處理后，組分間熱收縮率的差異使得纖維發(fā)生卷曲。當外力作用時，三維螺旋卷曲提供了極大的伸長量，賦予長絲柔軟的手感和優(yōu)良的彈性伸長性能[8-9]。圖1示出并列復(fù)合彈性長絲的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖中OA段為卷曲伸長，對應(yīng)纖維的卷曲伸長率，反映纖維的卷曲程度和卷曲彈性。AB為彈性區(qū)階段，AB區(qū)域的模量為彈性模量[2]，OA段應(yīng)變作為長絲的卷曲伸長率，表征長絲在小外力下的形變能力。并列復(fù)合彈性長絲熱處理前后的卷曲伸長率結(jié)果見圖2。

圖1 并列復(fù)合彈性長絲的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Typical strain-stress curve of bicomponent elastic filament

圖2 并列復(fù)合彈性長絲熱處理前后的卷曲伸長率Fig.2 Crimp elongation of composite elastic filament before and after heat treatment

由圖2可以看出，PTT/PET的卷曲伸長率最大，其次是NEDDP/PBT和PBT/PET，PET(改性)/PET的卷曲伸長率最小。幾種聚酯類高聚物中，PET、PTT和PBT 3種熔體本征黏度不同，且玻璃化溫度依次降低，NEDDP的玻璃化溫度和PBT近似。

由此可見，并列復(fù)合彈性長絲中，組分性能差異是影響卷曲彈性的最重要因素，性能差異越大，卷曲越大。由于PTT具有“奇碳效應(yīng)”和大分子鏈的“T—T—G—T”式構(gòu)象，導(dǎo)致該組分自身取向度低，受熱時熱收率較大，使得PTT/PET的卷曲伸長率最大；其次是黏度差異，PET(改性)/PET的2個組分黏度雖然存在差異可以實現(xiàn)卷曲，但效果不顯著。

2.1.2 熱處理對拉伸力學性能的影響

并列復(fù)合彈性長絲熱處理前后的彈性模量測試結(jié)果見圖3。由圖3可看出，4種并列復(fù)合彈性長絲的彈性模量在熱處理后均有不同程度的下降。熱處理前后PET(改性)/PET的彈性模量變化最大，下降了60%；PBT/PET和NEDDP/PBT下降程度相近，分別下降了48%和40%；PTT/PET下降程度最小，僅有22%。熱處理后彈性模量下降是因為在松弛狀態(tài)下進行熱處理有利于大分子鏈的解取向運動，分子鏈由相對伸直的狀態(tài)轉(zhuǎn)為卷曲狀態(tài)，從而使彈性模量下降明顯。

圖3 并列復(fù)合彈性長絲熱處理前后的彈性模量Fig.3 Elastic modulus of parallel composite elastic filament before and after heat treatment

圖4示出4種并列復(fù)合彈性長絲在熱處理前后的斷裂伸長率和斷裂應(yīng)力。從圖4(a)可以看出，熱處理后并列復(fù)合彈性長絲的斷裂伸長率均大幅度提升，歸因于卷曲的產(chǎn)生。斷裂伸長率的大小順序和卷曲伸長率的大小順序一致，PTT/PET>NEDDP/PBT>PBT/PET>PET(改性)/PET。由此說明，并列復(fù)合彈性長絲的斷裂伸長率與卷曲性能密切相關(guān)。

圖4 并列復(fù)合彈性長絲熱處理前后的斷裂伸長率和斷裂應(yīng)力Fig.4 Elongation at break and breaking stress of composite elastic filament before and after heat treatment. (a) Elongation at break;(b) Breaking stress

如圖4(b)所示，熱處理后并列復(fù)合彈性長絲的斷裂應(yīng)力均有所下降(除PET(改性)/PET外)，且斷裂應(yīng)力值的離散大大增加。原因是組成彈性長絲的雙組分物質(zhì)在熱處理后性能差異進一步增大，斷裂應(yīng)力值因為雙組分物質(zhì)斷裂的不均一性而減小且離散增大；雙組分物質(zhì)性能差異越大，斷裂應(yīng)力值離散就越大。從數(shù)據(jù)上看，PET(改性)/PET、PBT/PET、PTT/PET 3種長絲的斷裂應(yīng)力在2.0～2.6 cN/dtex之間，NEDDP/PBT最低，為1.89 cN/dtex, 需要進一步改進提升。

2.2 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗對比

為了比較并列復(fù)合彈性長絲和相當線密度的氨綸包芯紗的彈性伸長，將并列復(fù)合彈性長絲的卷曲伸長率和氨綸包芯紗在0.24 cN/dtex張力下的伸長率，統(tǒng)一稱為卷曲伸長率，對比結(jié)果如圖5所示，力學性能對比結(jié)果如圖6所示。

由圖5可見，在0.24 cN/dtex的外力下，實驗所用氨綸包芯紗依然具有很高的卷曲伸長率，適合于高彈性面料開發(fā)。由圖6可知，從伸直纖維的力學性能對比可以看出，氨綸包芯紗的彈性模量最大，但斷裂應(yīng)力最低。由此說明，并列復(fù)合彈性長絲具有較好的力學性能，不容易拉斷，且伸直段纖維也需要較大外力才能夠拉伸。

圖5 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗卷曲伸長率對比Fig.5 Comparison of crimp elongation of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

圖6 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗力學性能對比Fig.6 Comparison of tensile mechanical properties of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn.(a) Elastic modulus;(b) Elongation at break and fracture stress

2.3 定伸長循環(huán)拉伸下的彈性性能

2.3.1 循環(huán)拉伸次數(shù)對彈性性能的影響

圖7(a)(b)分別為并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗在不同循環(huán)拉伸次數(shù)下的彈性回復(fù)率和塑性變形率。可見，PET(改性)/PET的彈性和其他4種紗線差距明顯。這是由于PET(改性)/PET中PET大分子鏈中的2個苯環(huán)間僅有2個亞甲基，導(dǎo)致大分子鏈柔性較差，在受力作用下難以發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變，故表現(xiàn)出的彈性回復(fù)率遠低于其他并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗，塑性變形率遠高于其他并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗。而PTT/PET、PBT/PET、NEDDP/PBT和氨綸包芯紗擁有相近的彈性回復(fù)率和塑性變形率。隨著循環(huán)次數(shù)的增加彈性回復(fù)率下降、塑性變形率上升。

圖7 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗的彈性回復(fù)率和塑性變形率Fig.7 Elastic recovery rate(a) and plastic deformation rate(b) of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

從圖7可以看到彈性性能的變化主要集中在前10次循環(huán)中，10次以后的彈性回復(fù)性能趨于穩(wěn)定。這是由于并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗受拉伸變形可以分為2個部分：立即彈性位移、初級蠕變和次級蠕變[10]。在初始幾次的重復(fù)運動中會逐漸消除次級蠕變，僅留下立即彈性位移和初級蠕變，彈性趨于穩(wěn)定。

2.3.2 滯后性能分析

2.3.2.1滯后環(huán)的形態(tài)

普通纖維材料的循環(huán)拉伸曲線根據(jù)滯后環(huán)形態(tài)大致可分為3種類型：完美彈性、完全彈性和不完美彈性[11-12]。并列復(fù)合彈性長絲紗和氨綸包芯紗的100次拉伸回復(fù)曲線如圖8所示。

圖8 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗的100次拉伸回復(fù)曲線Fig.8 100 times tensile recovery curve of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn. (a)PTT/PET; (b)PBT/PET;(c)NEDDP/PBT;(d) PET(modified)/PET;(e) Spandex core-spun yarn

可見，并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗的循環(huán)拉伸曲線均有明顯滯后環(huán)，拉伸和回復(fù)路徑不同，所形成的滯后環(huán)形狀均較寬，滯后環(huán)形狀改變明顯，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯后環(huán)也在相應(yīng)移動，滯后環(huán)之間疊合程度低。所以4種彈性長絲在100次循環(huán)拉伸情況下均屬于不完美彈性。在0.02 cN/dtex預(yù)加張力作用下，在30%定伸長循環(huán)中，PET(改性)/PET拉伸曲線中明顯出現(xiàn)了彈性區(qū)和屈服區(qū)，而其他3種并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗表現(xiàn)為正在進入彈性區(qū)。這是因為PET(改性)/PET熱處理后的三維螺旋卷曲程度最低，預(yù)加張力又消除了絕大部分卷曲伸長，在經(jīng)歷較短的彈性伸長后很快就進入了彈性伸長區(qū)、屈服區(qū)和增強區(qū)，載荷增長迅速。

2.3.2.2滯后環(huán)的穩(wěn)定性分析

根據(jù)定伸長處環(huán)的滯后量隨循環(huán)次數(shù)的變化可以確定各種復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗達到滯后穩(wěn)定的拉伸次數(shù)[11,13-14]。從實驗的滯后環(huán)形態(tài)來看，實驗適合在定伸長處測量環(huán)高度的變化來定量比較各種纖維的滯后環(huán)穩(wěn)定性。

如式(4)所示，滯后環(huán)高度差H(n)與循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系可以用來描述并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗在多次反復(fù)拉伸后保持其拉伸和回復(fù)路徑的能力。通過建立函數(shù)關(guān)系，可以在較少的拉伸次數(shù)下，得出滯后環(huán)形態(tài)相對穩(wěn)定狀態(tài)所需的循環(huán)拉伸次數(shù)。表2為不同定伸長次數(shù)下，在55 mm處回復(fù)曲線與拉伸曲線之間的差值，記為H(n)，同時根據(jù)式(5)得出非線性擬合公式中的各項參數(shù)，見表3。

表2 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗在55 mm處的滯后量H(n)Tab.2 Hysteresis of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn at 55 mm

表3 并列復(fù)合彈性長絲與氨綸包芯紗滯后量的非線性擬合公式Tab.3 Nonlinear fitting formula of parallel composite elastic filament and spandex core-spun yarn

由此獲得描述并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗循環(huán)次數(shù)與滯后環(huán)高度差之間關(guān)系的函數(shù)方程，設(shè)纖維達到相對穩(wěn)定狀態(tài)的條件為H(n)-H0<0.001，由表3中擬合公式推算，要使并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗達到滯后環(huán)形態(tài)相對穩(wěn)定狀態(tài)，PTT/PET、NEDDP/PBT、PET(改性)/PET、PBT/PET和氨綸包芯紗需要在30%定伸長條件下至少拉伸3 445、142、138、146、92次，可見PTT/PET的抗疲勞性在本文實驗范圍內(nèi)最好，氨綸包芯紗的抗疲勞性最差。

3 結(jié) 論

本文對4種并列復(fù)合彈性長絲，常壓分散染料可染改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯(NEDDP/PBT)與市售的聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)、改性聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET(改性)/PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PBT/PET)及氨綸包芯紗的拉伸力學、反復(fù)拉伸彈性性能進行了對比研究，得到如下結(jié)論：

①在拉伸斷裂性能方面，并列復(fù)合彈性長絲熱處理后卷曲伸長率和斷裂伸長率大幅增長，彈性模量及斷裂強度有所下降；

②在彈性方面，所測試的4種復(fù)合彈性長絲的彈性回復(fù)率和塑性變形率在前10次反復(fù)拉伸時均有明顯變化，10次以后趨于平穩(wěn)；PET(改性)/PET外，其他3種復(fù)合彈性長絲均能提供與氨綸包芯紗相近的彈性回復(fù)率和塑性變形率；

③通過滯后穩(wěn)定性分析，并列復(fù)合彈性長絲和氨綸包芯紗均屬于不完美彈性；經(jīng)過非線性擬合表明PTT/PET長絲擁有最好的耐疲勞性，氨綸包芯紗的耐疲勞性最差。

彈性復(fù)合長絲在斷裂強度、抗疲勞性等方面相較于氨綸包芯紗更具優(yōu)勢，其中NEDDP/PBT 兼具良好彈性及常壓分散可染性能，是一種理想的、適用于不耐高溫染整加工織物的彈性纖維。