竹浆纤维的力学性能分析

摘要：为了解竹浆纤维的基本力学性能，为开发竹纤维织物提供理论依据，研究了干态、湿态和常温态下竹浆纤维的力学性能，主要包括单次拉伸性能、定伸长反复拉伸、应力松弛和蠕变性能，并与棉纤维和粘胶纤维进行了对比分析，结果表明：竹浆纤维和粘胶纤维较棉纤维更易受湿度的影响；在常温态和干态下，竹浆纤维的断裂比强度均最大，棉纤维次之，粘胶纤维最小；在常温态、湿态和干态下，粘胶纤维的断裂伸长率均最大，竹浆纤维次之，棉纤维最小；从湿态到常温态再到干态，竹浆纤维的断裂比强度逐渐增大，而断裂伸长率逐渐减小；湿态下竹浆纤维的抗塑性变形能力、抗应力松弛性能和抗蠕变性能最好，而干态下均最差。

关键词：竹浆纤维； 拉伸性能；应力松弛；蠕变

随着人类环保意识的增强，竹浆纤维作为一种新型绿色环保纤维越来越受到世人的关注[1-3]。中国是竹子资源最丰富的国家，竹子种类、面积、蓄积、产量均居世界之首，被誉为“竹子王国”。竹纤维是可再生资源，并且可以自然生物降解，有利于保护环境，实现人类社会的可持续发展[4-5]。以竹子为原料生产的纤维素纤维，具有许多其他纤维无法比拟的优点，如良好的可纺性、着色性、天然的抗菌保健功能及居纤维之首的吸湿放湿性，因此，竹纤维被称为“会呼吸的纤维”[6-8]。竹纤维既可以纯纺，也可以与棉、丝、麻和合成纤维混纺或交织，可广泛应用于生产具有特效功能的产品，如内衣、衬衣、裤子、凉席、纱布、口罩、浴巾、浴衣、毛巾、床上用品等，市场前景十分广阔[9]。

本文主要研究了常温态、干态、湿态下竹浆纤维的力学性能，并与棉纤维和粘胶纤维进行对比分析，为竹浆纤维织物的开发和应用进一步提供依据。

1试验部分

1.1试验材料及条件

试验材料：竹浆纤维、棉纤维、粘胶纤维，细度均为1.55dtex。

试验条件：温度20℃，相对湿度65%条件下，测试三种不同状态下纤维的力学性能，如表1所示。

1.2 仪器及用具

YG（B）005A型电子式单纤维强力仪、电子显微镜、烘箱、烧杯、黑绒板、镊子等。

1.3方案设计

1.3.1一次拉伸断裂性能的测试

在YG（B）005A型电子式单纤维强力仪上对纤维的一次拉伸性能进行测试。

试验参数：夹持距离为10 mm，预加张力为0.1 cN，拉伸速度分别为10mm/min，测试20次，最后取平均值。

表达指标为断裂比强度，cN/dtex、断裂伸长率，%。

1.3.2定伸长反复拉伸试验

在YG（B）005A型电子式单纤维强力仪上对竹浆纤维在定伸长条件下的反复拉伸性能进行测试。

在定伸长反复拉伸试验中，夹持距离为10 mm，预加张力为0.1cN，拉伸速度为10mm/min，纤维拉伸至定伸长率10%，即纤维总伸长。下夹持器停顿1s后回升，当纤维内应力减少至初始张力时，伸长回复值即急性弹性回复，然后下夹持器停顿1s后继续下降开始第二次拉伸，重复第一次拉伸过程直至循环5次后测总塑性变形，单次测试结束，测试10次，取平均值。

表达指标：总塑性变形。

1.3.3纤维松弛试验

在松弛试验中，夹持距离为10 mm，预加张力为0.1cN，拉伸速度为10mm/min，当纤维拉伸至2%时，停顿时间60min，对竹浆纤维进行测试。

1.3.4纤维蠕变试验

在蠕变试验中，夹持距离为10 mm，预加张力为0.1cN，拉伸速度为10mm/min，当纤维拉伸至0.5cN时，停顿时间60min，对竹浆纤维进行测试。

2结果与讨论

2.1一次拉伸断裂试验结果

常温态、湿态、干态下三种纤维的一次拉伸断裂试验结果见图1、图2所示。

从图1中可以看到在常温态时，竹浆纤维的断裂比强度最大，棉纤维次之，粘胶纤维最小；在湿态下棉纤维的断裂比强度最大，竹浆纤维次之，粘胶纤维最小；在干态下，竹浆纤维的断裂比强度最大，棉纤维次之，粘胶纤维最小；从湿态到常温态再到干态，竹浆纤维和粘胶纤维的断裂比强度逐渐增大，且湿态强度下降较明显，而棉纤维的断裂比强度从湿态到常温态再到干态是逐渐减小，但变化不是很明显。由此可知，竹浆纤维和粘胶纤维较棉纤维更易受湿度的影响。

由图2可知，在常温态、湿态和干态下，粘胶纤维的断裂伸长率均最大，竹浆纤维次之，棉纤维最小；从湿态到常温态再到干态，竹浆纤维和粘胶纤维的断裂伸长率逐渐减小，且干态断裂伸长率下降较明显，而棉纤维的断裂伸长率从湿态到常温态再到干态是逐渐增加，但变化不是很明显。由此可知，竹浆纤维和粘胶纤维较棉纤维更易受湿度的影响。

2.2定伸长反复拉伸试验结果

在图3中，波峰即竹浆纤维伸长到设定值，内应力达到最大值；波谷即下加持器回升，纤维的内应力减小到初始张力。在伸长一定时，不同状态下的竹浆纤维内应力的变化情况不一样，干态下竹纤维的内应力最大，常温态次之，而湿态竹纤维的内应力最小。当纤维内应力减小到初始张力时，由于无论常温态、湿态还是干态，初始张力都相同，都为0.1cN，所以波谷处在同一直线上，此时即为纤维的急弹性回复，当完成设定的循环次数时最终得到的是竹纤维的总塑性变形。

湿态竹浆纤维的总塑性变形为0.7mm，常温态下总塑性变形为0.78mm，干态下总塑性变形为0.91mm，由以上结果可知，竹浆纤维在干态下塑性变形最大，湿态下的塑性变形最小，说明竹浆纤维在干态下进行定伸长反复拉伸后，其急弹性回复能力比在湿态下要差，而湿态和常温态下竹浆纤维的抗塑性变形能力差别不大。

2.3应力松弛试验结果

在图4中，曲线上的C、S、G分别为竹浆纤维在常温态、湿态、干态下应力松弛时开始趋于平缓的点。从应力松弛的性质我们可以知道，当一种纤维进行应力松弛时，其应力松弛曲线越早趋于平缓，即纤维的抗应力松弛性能就越好。从图4中可以看到，干态竹纤维应力松弛曲线趋于平缓的时间约为16s，常温态竹纤维应力松弛曲线趋于平缓的时间约为9.5s，湿态竹纤维应力松弛曲线趋于平缓的时间约为6s，这说明，湿态下竹纤维的抗应力松弛能力要比常温态和干态下竹纤维的抗应力松弛能力强，常温态下的竹纤维的抗松弛能力比湿态下的弱但比干态的强，干态下竹纤维抗应力松弛能力相对较差。

2.4蠕变试验结果

从图5中可以看出竹浆纤维在三种状态下进行蠕变时的受力情况，三种状态下的竹纤维在迅速达到设定的拉伸强力0.5cN后，在拉伸强力的作用下进行约60s的蠕变。表2为竹浆纤维在三种状态下进行蠕变后的蠕变长度。

从表2中可以看到，竹纤维在干态下的蠕变长度最大，在湿态下的蠕变长度最小，所以，竹纤维在湿态下抗蠕变性能最好，而在干态下抗蠕变性能相对较差，常温态下的竹纤维的抗蠕变性能比在湿态下的弱，但相差不大，不过要明显好于在干态下的竹纤维。

3结论

（1）在常温态和干态下，竹浆纤维的断裂比强度均最大，棉纤维次之，粘胶纤维最小；在常温态、湿态和干态下，粘胶纤维的断裂伸长率均最大，竹浆纤维次之，棉纤维最小；从湿态到常温态再到干态，竹浆纤维和粘胶纤维的断裂比强度逐渐增大，而断裂伸长率逐渐减小，且湿态下变化均较明显。因此，竹浆纤维和粘胶纤维较棉纤维更易受湿度的影响。

（2）定伸长反复拉伸后竹浆纤维的抗塑性变形受湿度的影响较大，干态下竹纤维的抗塑性变形性能最差，湿态下竹纤维的抗塑性变形性能最好。

（3）竹浆纤维的应力松弛容易受湿度影响，在湿态下竹纤维的抗应力松弛性能最好，干态下竹纤维的抗应力松弛性能最差。

（4）竹纤维的抗蠕变性能同样受湿度的影响较大，湿态下竹纤维的抗蠕变性能最好，干态下抗蠕变性能最差。

参考文献：

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（作者单位：叶远静，福建省纤维检验局；袁小红，闽江学院 服装与艺术工程系）