（纺织材料与纺织品设计专业论文）聚氨酯涂层织物撕裂性能的研究.pdf

摘要 本文研究了涂层织物撕裂破坏机理，建立了涂层织物梯形法撕 裂强力的力学模型，分析了影响单缝法撕裂强力的因素，并对测定 涂层织物的撕裂强力方法和涂层工艺对撕强的影响也进行了实验 研究。 对l2 种不同规格的原料为涤纶长丝的涂层织物，采用4 种不 同撕裂方法进行撕裂强力的测定，得到不同撕裂方法测得的撕裂强 力的大小顺序为双缝法、梯形法 单缝法 落锤法。单缝、双缝和落 锤3 种方法撕强值相关系数在0 7 6 0 9 8 之间，而梯形法和其它 方法撕强值相关系数很小。同时讨论了涂层前后织物拉伸性能的变 化，涂层后织物的拉伸强力增加，断裂伸长率和梯形法撕裂强力降 低。通过涂层工艺对织物撕裂强力的分析表明，随着焙烘温度和涂 层厚度的增加，涂层织物的撕裂强力降低；焙烘时间对撕裂强力无 显著性影响。在梯形法撕裂强力试验方法中，由于布条上预置了切 口，在切口附近发生应力集中现象，通过对涂层前后织物的应力集 中损减系数的测试得知，涂层后织物的应力集中损减系数较涂层前 的低。 通过试验及分析得出：织物涂层后，涂层剂填充了纱线间和纤 维间的空隙，因而增加了纱线间的固接点，增加了纱线间的摩擦，使 纱线间滑移变小，同时改变了织物的拉伸性能。涂层表面薄膜不会 对织物撕裂有贡献，相反由于聚氨酯渗透到织物内部使受力三角形 中纱线根数减少和严重的应力集中而使撕强大大地降低。通过在前 人的机织物撕裂强力模型的基础上，得到了涂层织物梯形法撕裂强 力的理论表达式，并对梯形法撕裂强力的理论值和实测值进行了比 较，梯形法撕裂强力与涂层织物的断裂强力、断裂伸长率和试样尺 寸有关，实验表明该理论表达式对涂层织物撕强值的预测有较好的 效果。 本文同时分析了涂层织物单缝法撕裂强力与纱线强伸性能和 织物结构指标( 经密、纬密、抽出阻力) 的关系，抽出阻力是在自 制的装置上应用纱线强伸仪进行测试的。分别在预加张力为0 和等 于单缝法撕裂强力值时的两种情况下用一般多元线性回归方法建 立多变量的数学模型，并建立了标准化多元线性回归方程，讨论了 织物性能指标对单缝法撕裂强力的影响程度。并用逐步回归建立最 优回归方程。结果表明纱线强力是影响单缝法撕强的主要因素，其 次是抽出阻力、纬密和经密。 关键词涂层织物撕裂强力梯形撕裂方法单缝撕裂方法聚氨酯 抽出阻力 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i c a lm o d e l e x p r e s s i n gt r a p e z o i dt e a r i n gs t r e n g t ho f c o a t e df a b r i cw a s p r o p o s e d ，a n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gs i n g l e r i pt e a rs t r e n g t ho f c o a t e df a b r i c sw e r es t u d i e d a tt h es a m et i m e ，t h em e a s u r i n gm e t h o d so f t e a r i n g s t r e n g t ha n dt h ei n f l u e n c eo fc o a t i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt e a r i n gs t r e n g t h w e r ea l s os t u d l e d t e a r i n gs t r e n g t h o ft h et w e l v ek i n d so fc o a t e df a b r i c sw i t hd i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n sw e r em e a s u r e db yu s i n gf o u rd i f f e r e n tt e a r i n gm e t h o d s ，t h er e s u l t s s h o wt h a td o u b l e r i pt e a r i n gs t r e n g t ha n dt r a p e z o i dt e a r i n g s t r e n g t ha r eb i g g e r , w h i l es i n g l e - r i pt e a r i n gs t r e n g t ha n df a l l i n g - p e n d u l u m t e a r i n gs t r e n g t ha r es m a l l e r t h ec o r r e l a t i v e c o e f f i c i e n to fs i n g l e r i p t e a r i n gs t r e n g t h , d o u b l e r i pt e a r i n g s t r e n g t h a n d f a l l i n g - p e n d u l u mt e a r i n gs t r e n g t h i s0 7 6 o 9 8 h o w e v e rt h e c o r r e l a t i v e c o e f f i c i e n to ft r a p e z o i dt e a r i n g s t r e n g t ha n do t h e rm e t h o d st e a r i n g s t r e n g t hi sv e r ys m a l l a n dt h et e n s i l ep r o p e r t i e so fc o a t e df a b r i ca n du n c o a t e d f a b r i cw e r et e s t e d ，a f t e rc o a t i n g ，t e n s i l es t r e n g t ho ff a b r i ci sr a i s e d ，b u tb r e a k i n g e l o n g a t i o na n dt r a p e z o i dt e a r i n gs t r e n g t ha r er e d u c e d m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c e so f c o a t i n gp r o c e s s i n go nt e a r i n gs t r e n g t hw e r es t u d i e d 器c u r i n gt e m p e r a t u r ea n d c o a t i n gt h i c k n e s si n c r e a s e ，t h et e a r i n gs t r e n g t ho f c o a t e df a b r i cd e c r e a s e s w h i l e b a k i n gt i m eh a sr l os i g n i f i c a n ti m p a c to nt e a r i n gs t r e n g t ho f c o a t e df a b r i c i nt h e t r a p e z o i dt e a r i n gm e t h o d ，s t r e s s c o n c e n 订a t i o nw i l lb eo c c u r r e dn e a rt h ec u t b e c a u s ec u tw a sm a d ei nt h es a m p l e s ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nw e a k e nc o e f f i c i e n t o f c o a t e df a b r i cw a ss m a l l e rt h a nt h a to f u n c o a t e df a b d c b a s e do np r e v i o u se x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，t e a r i n gf a i l u r em e c h a n i s mw e r e o b t a i n e d ，c o a t i n ga g e n te n t e r si n t e r s p a c e so fy a r n s ，f r i c t i o na n dc o n c r e t i o no f y a r n sw e r ee n h a n c e d ，t h u ss l i p p a g eo fy a r n sa r er e d u c e d c o a t i n gf i l md i d n t c o n t r i b u t et ot e a r i n gs t r e n g t ho ff a b r i c ，w h i l ei tl o w e r e dt e a r i n gs t r e n g t hb c a u s p ue n t e r e dt h ef a b r i c ，t h e r e f o r et h en u m b e ro f y a r n si nt e a r i n gt r i a n g l ed e c r e a s e s ， a n dt h e r ei s s e v e r e l y s t r e s sc o n c e n t r a t i o n am e c h a n i c a lm o d e l e x p r e s s i n g t r a p e z o i dt e a r i n gs t r e n g t ho f c o a t e df a b r i ci sp r o p o s e d ；t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lm o d e lc o u l db eu s e dt o p r e d i c tt r a p e z o i dt e a r i n g s t r e n g t ho f c o a t e df a b r i cw i t hc e r t a i np r e c i s i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a r ps i n g l e r i p t e a r i n gs t r e n g t ha n dt h ey a r n t e n s i l ep r o p e r t i e sa sw e l la sf a b r i cs t r u c t u r ei ss t u d i e db ym u l t i e l e m e n tl i n e a r r e g r e s s i o nf o rt h ee i g h t e e nk i n d so f c o a t e df a b r i c sw i t hd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n s t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e m a i nf a c t o ri n f l t i e n c i n gt h ew a r ps i n g l e r i pt e a r i n g s t r e n g t ho f c o a t e df a b r i c si sw a r ps t r e n g t hf o l l o w e db yp u l l o u tf o r c e ，w e f td e n s h y a n dw a r pd e n s i t yw h i l et h ei n f l u e n c eo fw a r p b r e a k i n ge 1 0 n g a t i o n a n do t h e r f a c t o r si sv e r ys m a l l g e z h e n y u ( f i b e rs c i e n c ea n dt e x t i l e sd e s i g n ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry u j i a n y o n g k e y w o r d s ：c o a t e df a b r i c s ，t e a r i n gs t r e n g t h ，s i n g l e - - r i pt e a r ，t r a p e z o i dt e s tm e t h o d ， p u l l o u tf o r c e ，p u 东华大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 涂层织物概述 第一章前言 涂层整理是在织物表面均匀地涂一薄层或多层能成膜的高聚物等物 质，使织物的正反面产生不同功能的一种表面整理技术。所用的成膜高聚 物称为涂层剂，所用的织物称为基布。涂层织物是根据各种产品的性能要 求，在某种织物( 基布) 上用适当的涂层剂进行涂覆，成膜后经必要的后 处理加工而成的织物。涂层织物不仅具有织物原有的功能，更增加了覆盖 层的功能。由于可供选择的涂层剂品种很多，再加上涂层工艺的变化，涂 层产品的品种繁多。织物涂层技术给纺织行业制造功能型织物提供了更多 的可能性，大大拓宽了纺织品的用途“1 。 1 1 1 纺织品涂层整理剂 纺织品涂层整理剂。1 ，是一种均匀涂于织物表面的高分子类化合物， 它通过粘合作用，在织物表面形成一层或多层薄膜，使织物改善外观和风 格，增加附加功能，具有防水、透湿、阻燃等特殊功能。早在二千多年 前，古代中国人民就已经将生漆、桐油等天然化合物涂于织物表面，用于 制作防水布。时至近代，出现了性能优越的多种聚合物类涂层胶。最初的 产品存在仅防水而不透湿的缺陷，为了改善涂层胶的通气透湿性，自7 0 年 代以来，科研工作者通过改性涂层化学结构和改进涂层加工方法等手段研 制出了一系列防水透湿型织物涂层胶。近年来，功能型涂层胶和复合型涂 层胶也发展较快。 涂层胶。1 的分类方法很多，按化学结构分类主要有：聚丙烯酸酯类 ( p a ) 、聚氨醑类( p u ) 、聚氯乙烯类( p v c ) 、有机硅类、合成橡胶 类，还有聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯和蛋白质类。按使 用的介质分为溶剂型和水基型两种。溶剂型具有耐水压高，成膜性好，烘 燥快，含固量低等优点，但同时又有渗透性强、手感粗硬，毒性大、易着 东华大学硕士学位论文第一章前言 火，溶剂需回收、且回收费用高的缺陷。与溶剂型相比：水基型无毒、不 燃、安全、成本低、不需回收，可制造厚涂产品，有利于有色涂层产品的 生产，涂层亲水性好；其缺点是耐水压低，烘燥慢，在长丝织物上粘着较 难。按涂层工艺及焙烘条件不同又有干式涂层胶和湿式涂层胶、低温交联 涂层剂和高温交联涂层胶之分。 ( 1 ) 聚丙烯酸酯涂层胶( 简称p a ) 聚丙烯酸酯类织物涂层胶是目前常用的涂层胶之一，一般由硬组分 ( 如聚丙烯酸甲酯) 和软组分( 如聚丙烯酸丁酯) 共聚而成。聚丙烯酸酯 涂层的主要单体有丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯等，为 了提高其防水性能，必要时可加入丙稀酰胺和丙稀腈。聚合引发剂一般用 过氧化物( 如过硫酸钾等) 聚丙烯酸酯涂层胶的优点：耐日光、气候牢度好，不易泛黄；透明 度、共容性好，有利于生产有色涂层产品；耐洗性好；粘着力强；成本较 低。其缺点是：弹性差、易折皱：表面光洁度差：手感难以调节适度。 聚丙烯酸酯涂层剂分为防水型p a 涂层剂、防水透湿型p a 涂层剂和多 功能性p a 涂层剂。 ( 2 ) 聚氨酯涂层胶( p u ) 聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是分子结构中含有一n h c 0 0 一单元的 高分子化合物，该单元由异氰酸基和羟基反应而成。 2 0 世纪7 0 年代，德国o t t ob a y e r 首先合成了p u ，在1 9 5 0 年前后，p u 作为纺织整理剂在欧洲出现，但大多为溶剂型产品用于干式涂层整理。2 0 世纪6 0 年代，由于人们环保意识的增强和政府环保法规的出台，水系p u 涂 层应运而生。7 0 年代以后，水系p u 涂层迅速发展，p u 涂层织物已广泛应 用。8 0 年代以来，p u 的研究和应用技术出现了突破性进展“1 。与国外相 2 东华大学硕士学位论文 第一章前言 比，国内关于p u 纺织品整理剂的研究较晚。 聚氨酯涂层剂是当今发展的主要种类，它的优势在于：涂层柔软并 有弹性；涂层强度好，可用于很薄的涂层；涂层多孔性，具有透湿和通气 性能；耐磨、耐湿、干洗。其不足在于：成本较高；耐气候性差；遇水、 热、碱要水解。p u 涂层剂按组成分类有：聚酯系聚氨酯；聚醚系聚氨酯； 芳香族异氰酸酯系聚氨酯；脂肪族异氰酸酯系聚氨酯。按使用介质分为溶 剂类和水系类。 溶剂类p u 具有良好的强伸度和耐水性，但毒性大，易燃烧。从组分 上来说，它还分为双组分类和单组分类。双组分产品由预聚物和交联剂组 成，预聚物是将异氰酸酯与低聚多元醇反应生成的末端为羟基的物质。交 联剂则是含有多个( 三个以上) 异氰酸酯基的化合物。在涂层整理时，预 聚物与交联剂反应，形成热固性网状薄膜，赋予纺织品优良的性能。为了 达到防水透湿“3 的效果，溶剂型涂层整理剂一般采用湿法涂层工艺加工织 物。 水系型又分为水溶性和水分散型，水系p u 用于织物涂层整理，量大 面广。水系p u 成膜性好，并有较好的防水性。水分散型p u 对酸碱敏感，在 酸存在下，阴离子p u 将凝聚，阳离子p u 不耐碱。水系p u 涂层胶通常用于干 法涂层。为了提高涂层产品的耐水性，应进行前、后的防水处理。p u 大分 子中含有大量的极性基团，分予间力很强，导致其具有优良的成膜性，能 够在织物上形成坚韧而耐久的薄膜，拒水性良好，它还具有一定透湿性。 为了提高乳液及膜的性能，扩大应用范围，需要对p u 乳液进行适当 的改性途径大致可分为：改进单体和合成工艺；添加助剂：实施交联；优 化复合，其中以复合乳液的研究最为活跃。 ( 3 ) 有机硅( 聚硅氧烷) 类涂层胶 东华大学硕士学位论文 第一章前言 2 0 世纪7 0 年代，有机硅类涂层整理剂开始发展。有机硅类涂层整理 剂主要由具有活性基团的聚硅氧烷弹性体组成，在金属盐或有机酸盐的作 用下可以进行交联反应。采用不同的聚硅氧烷弹性体和不同的催化剂能使 涂层纺织品具有不同的性能和风格。 1 1 2 纺织品涂层工艺 织物涂层工艺，一般分成直接涂层、转移涂层、凝固涂层、层压 ( 叠压) 等几种。涂层工艺”3 包括浸没、喷涂等，通过涂层整理可以改变 织物的外观，使织物呈珠光、双面效应、皮革外观等效果，改变织物的风 格，使织物具有高度的回弹性、油状手感和柔软丰满手感等，还能增加织 物的功能，使织物具有拒水、耐水压、透湿、防污、反射和阻燃。9 3 等效 果。 ( 1 ) 直接涂层是将涂屡剂直接施加在织物上的一种工艺。施加的涂层剂可 以是溶剂型的，也可以是乳液、乳液泡沫体、增塑糊和有机溶剂稀释的增 塑糊等。制成的涂层织物可用于服装面料、装饰织物、产业用织物 在产业用织物中，作为底布的织物( 或非织造布) 起着骨架作用，承 担着复合材料的抗张强力、撕裂强力、尺寸稳定性等方面的职能“1 ：涂 层剂在成膜后，承担着保护底布组织以及表面特性( 如防止水分渗透、耐 化学药品侵蚀等) 的职能“。“1 。涂层技术将底布和涂层膜结合成复合材 料。 ( 2 ) 转移涂层是将涂层剂涂在片状载体( 离型纸或钢带) 上使它形成连续 的、均匀的薄膜，然后，再在薄膜上涂上粘结剂，和织物( 或起毛织物) 叠合，经过烘干和固化，把载体剥离，涂层剂( 包括粘结层) 膜就会从载 体七转移到织物上，膜的表面也就带有离型纸的花纹。转移涂层主要用在 制造聚氯乙烯人造革、聚氨酯人造革和防水透湿人造革等。 4 东华大学硕士学位论文 第一章前言 ( 3 ) 凝固涂层，又称湿法涂层。它的特点是在凝固浴中生成多孔膜，这与 直接涂层、转移涂层在烘箱中成膜大相径庭，其产品性能优越，是公认的 高档涂层织物。凝固涂层所用的涂层剂只有一种单组分聚氨酯。凝固涂层 产品分为人造麂皮和光面革两种。 ( 4 ) 层压，就是把薄片状材料一层层地叠合，通过加压粘结成为一体。层 压不仅仅是功能的叠加，而且可以增效。层压工艺对选择的材料“”要求不 高，范围很广。层压产品有聚四氟乙烯层压产品、聚氨酯层压产品、乙烯 一醋酸乙烯层压织物和复合水泥袋等。 1 1 3 聚氨醅弹性体的一般性能 聚氨酯粘合剂的特点： 由于分子链中有n h c 0 0 基和一n c o 基，因而有很强的极性和化 学活泼性，尤其是一n c o 基，容易同多种物质中的活泼氢和附着水发生反 应，因而对多种材料有吸附和化学粘和作用，既可以粘接多孔性材料，也 可以粘接表面光洁的材料。 可以通过分子链中“软”、“硬”段比例和结构来控制粘合剂的 性质，因而配方自由度大，可适应不同粘接性能要求和工艺要求。 聚氨酯粘合剂的低温性能超过其它类胶粘剂 聚氨酯粘合剂的耐磨性、抗老化性、抗冲击性、耐油性、填隙性 等性能好。 除湿固化型外，一般固化时无副产物产生，不会引起胶粘面的缺 陷1 。 聚氨酯粘合剂的缺点是耐热性能较差，尤其是耐湿热性能较差；以芳 香族异氰酸酯为原料的聚氨酯胶粘剂容易变黄；价格较一般粘合剂高。 在目前加工工艺的水平下，弹性体的表面和内部不可能不存在微小的 东华大学硕士学位论文第一章前言 裂缝和缺陷，弹性体在应力作用下，往往就是在这些薄弱环节开始断裂 “7 r ”1 。弹性体受应力的作用而断裂的过程，包含着下面的一些阶段或过 程：断裂开始阶段，即裂纹缓慢扩展的阶段和裂纹急剧扩展，并达到某个 不稳定尺寸，最终导致弹性体断裂的阶段。在裂纹开始扩展的阶段，除了 原有的微孔变形和原有的裂纹缓慢扩展的过程以外，还可能产生新的微孔 和新的裂纹，或使原有的裂纹改变方向和分叉，这就导致了因应力的作用 而积聚起来的能量分散，延缓了弹性体的断裂，有利于强度的提高。但在 裂缝急骤扩展阶段，裂纹的尺寸很快变得极不稳定，样品的断裂就势不可 挡川。 1 2 织物撕裂强力模型概述 1 2 1 梯形法撕裂强力模型的进展 obh a g e ”“等人最早从事这方面的研究，1 9 4 7 年提出在假设纱线拉伸 曲线为直线型时，撕破强力为： 州m a 一去c 占) m ， 式中：f h 为纱线的断裂强力：i ，为纱线最初夹持距；l 为纱线的断裂伸长 率；c 为织物密度；a ，b 为常数。由于对于不同的织物有不同的a ，b 值，计算麻烦。且此模型只是最初纱线断裂时的撕强值而不是最大值。 r i c h a r ds t e e la n di r v i n gjg r u n t f e s t 啪3 在1 9 5 7 年从事这方面的研 究，得到了三种不同类型织物拉伸曲线的撕强表达式，当假设织物拉伸瞌 线为直线型时，撕破强力为： f = 渤乇2 c o t 口水1 + ) l n ( 1 + s ) 一s 】( 1 - 2 ) 式中：g 为织物模量；h 为织物厚度：a 为梯形的锐角；e 为织物的断裂 伸长。此表达式也仅是当裂口处第一根纱线断裂时的撕裂强力，而不是织 东华大学硕士学位论文第一章前言 沈志耕和邹秀娟“2 ”1 9 8 0 年对梯形法撕破强力力学性质进行了探讨， 在设组成织物的纱线都是平行的，每根纱线的应力应变函数关系也是相同 的条件下，根据对不同应力应变函数形式的研究结果，得出撕破强力的一 只。= 0 5 中k d f ( e ) l o c t g o + 2 a o 】( 1 _ 3 ) 式中：只一织物中单根纱线的断裂强力；f ( e ) 一e 的函数式；工。一 布条开剪终端的长度；d 一织物密度；一不包括切口长的布条宽度； o 一织物的应力集中损减系数。 在假设织物的应力应变函数式为直线型时，上式具体为： p 。= 。s m p 。 e 一毒3 ( 1 + s ) 一，( l o c t g o + 2 a o ) c ，一。， 作者第一次提出撕裂强力是随着裂口的延伸而增加，并讨论了应力集 中损减系数巾的概念。这个模型的模拟效果较好，但是在每根纱线的应力 应变函数关系是相同的条件下，上式的最大值问题有待商榷，在本文的以 后部分有所讨论。 储才元1 于1 9 9 2 年重申了这个问题，他提出当裂1 2 1 处第一根纱线断裂 时，受力纱线将逐渐向远离裂口的方向移动，相当于公式( 1 ) 中，。在逐 渐增加，这时撕裂强力也将逐渐增加，因为随着裂1 2 1 的移动，同时受力的 纱线根数将不断增多，在撕裂波动曲线上反映出最大峰值不断升高。只有 当裂口对面处最外边上的那根纱线刚开始受力时，织物才达到最大撕强 值。此时撕裂强力为： 7 东华大学硕士学位论文第一章前言 f = ! 糍【( 1 + 。) n ( 1 + s 。) 一s 。】c 一s ， 式中：p 纱线的断裂强力；b 一相邻纱线间的中心距；k 一布条开剪终端 的长度；d 一试样撕裂宽度：a 梯形的锐角：e 。一织物的断裂伸长。 此式提出了织物撕裂强力达到最大值时的具体位置，对梯形法撕裂分 析较透彻，但忽略了应力集中损减系数这一因素，所以有待进一步完善。 1 9 9 8 年樊小东“等假设纱线不滑移情况下提出涂层织物梯形结构的撕 裂模型。织物所受总拉力为： f = 只= 4 a ，= ( a a 。n ) i = 仃。a ( n + 1 ) 2 b k 0 + 1 ) 2 ( 1 - 6 ) 式中： 一单根受拉纱线的面积：n 一同时受拉纱线根数：d 一受拉纱线 拉应力； b 】一纱线许用拉应力；f i 一第i 根纱线所受拉力。 由上式可知，在涂层织物中，增加纱线之间的滑移( 或减小涂层料的 弹性模量) ，即减小两受拉纱线之间的距离，可增加同时受拉的纱线总根 数n ，从而增加织物的撕破强力。这个模型只是浅显地分析了梯形法撕裂 强力，假设条件本来误差就很大，且n 值是未知的，所以无法评价模拟效 果。 1 2 2 单缝法撕裂强力模型的进展 k r o o k 和f o x 。”在1 9 4 5 年最早开始从事对织物撕裂强力的研究，并试 图确立舌形撕裂强力机理，他们发现在保持织物纬密不变的情况下，随着 经密的减少，试样的平均撕强增加，但是，在保持织物经密不变的情况 下，纬密的变化对撕强的影响很小。而且他们提议可以通过用高拉伸强力 的纱线，或通过在织物中使用更多的光滑纱线或较长的浮长线减少摩擦效 应来增加织物的抗撕裂性能。 1 9 5 5 年，t e i x e i r ae ta l 。8 3 提出一些影响织物抗撕裂性能的重要因 素，这包括：受力三角形内或其周围的组织屈曲的类型和数量，三角形前 8 东华大学硕士学位论文 第一章前言 面织物负荷的相对延伸性，受力三角形中纱线的负荷伸长曲线和断裂强 力，断裂三角形平均伸长及变异和试样尾部的延伸性。这些因素反过来又 很大程度上依赖下面的因素：将纱线抽出织物卷曲平衡所需的力，织物中 纱线间的空隙，织物面内的变形性。虽然t e i x e i r ae ta l 在理解撕裂中作 出了很大的贡献，他们的预测织物撕强却基于三角形区域内纱线是理想化 的假设，也就是说，这些都是靠相同的负荷伸长关系来表征的，当然一个 较好的改善他们模型的方法是增加断裂强力和伸长的分布另外。三角形 中每根纱线的伸长被认为是等于三角形伸长而小于三角形边缘的距离，虽 然他们认为会发生一定的滑移，这有助于三角形中每根纱线的自由长度完 全用于纱线的伸展，更进一步讲，如果考虑到滑移，受力纱线的有效夹持 长度应被调整 1 9 5 9 年t a y l o r 。1 认为三角形的形成依赖于纱线滑移( 包括经纬纱) ，织 物的严重扭曲，以及可以想象的卷曲互换，这样有助于无论何时都可获得 受力纱线必须承担的结构。他忽略了所有因素，除了纬纱滑移时经纱空间 的变化外，正是根据这种假设他提出了类似p e i r c e 的最初结构的舌形撕 裂模型，如下所示： 靠= f 警+ 。1 0 d 8 ) ! ! 堡壁： ：+ 2姜0 - 7 ) z 其中：t 。一预测的舌形撕裂强力；f 。一通过n 个相交纱线所需滑移力 口；p 一2 9 ( 来自c a p s t a n 方程) ；( l - de ) 一每根相交纱线间伸直部分 t a y l o r 的撕裂模型如果假设允许的话那是较完整的，但是仍没有说明 些基本的现象，特别地。假设“纱线从n 个交织点中抽拔出来的力) 来 表征，这两个基本的问题不象抽拔试验，三角形中纱线像绳子一样纠缠在 一起，撕裂试样中纱线正承受来自阻碍它们运动的受力尾部的较正常大的 力，这就使三角形中纱线从织物中抽拔出来比一根纱线从织物中自由抽出 来困难的多。 1 9 8 9 年s e o 1 的模型类似于t a y l o r 的模型在于他采纳了p e i r c e 7 结构，并侧重于撕裂用5 = - - f 自形纱线受力形式的抽拔部分，然而，这个模 东华大学硕士学位论文 第一章前言 型和他推出的机制不符。t a y l o r 的模型基于应力，而s e o 的模型基于应 变，当然不是假定t a y l o r 的结构，s e o 引入了作为浮动变量的三角形的顶 角，此模型为： k = f ：p - ds 。i n o + d 武 b 害掣一十1 1 面习面+ 1 ( 1 8 ) 这里s e o 引入的新参数为8y b 是纱线断裂时平均应变率。 1 9 9 4 年，was c e l z o ，sb a c k e r 和mcb o y c e m 8 “1 考虑了撕裂前的堵 塞，他们认为以前的研究均忽略了这点。撕裂时，有两种力阻碍纱线进入 试样的堵塞区，分别为弹力和摩擦力。二者在纱线进入堵塞区的过程中所 起作用是变化的，下图1 1 显示了它们的不同： 由图l l 可知，距离织口较远处，纱线张力主要表现为弹力，随着 接近织口，摩擦力逐渐占主要地位。堵塞的织物可以认为是打纬的极端情 形。 当试样尾部受负荷时，有两部分阻碍三角形中纱线的相对运动，第 一：抵制纬纱横过经纱滑移并进入三角形区，第二：抵制纬纱沿经纱滑移 在三角形前形成堵塞，抗撕裂还要考虑的一个重要因素是纱线强力。 f h 。r t w r p - - - _ 图1 一l 摩擦力( r ，) 和弹力( r ，) 在纱线进入堵塞区的不同 他们提出了四个假设： 1 用弹簧组合，尾部足够的硬，三角形前的织物不受力a 一曼兰茎兰堡圭兰焦芝塞墨二兰堕童 2 三角形中纱线在承受载荷时处于垂直平面中。 3 三角形纱线的弯曲和摩擦并不影响他们的内在性能( 如强力，断 裂伸长，摩擦性) 。 4 纱线断裂是最主要形式( 而不是从尾部抽拔出来) ，这是一个短隔 距现象。 为此，提出以下模型 图2 1受力三角形的组成 f ( y ) = 1 ( y ) t c 卜d 。i 。( y ) ) 2 ；t ( y ) = k ( y ) + k i 。n 。 去：上+ 士( 1 - 9 ) k ( y )k r h m七。“一m 其中：f 一第y 根纱线承担载荷的计算值。 r 一这三根弹簧对第y 根纱线共同作用结果。 ( d - 出。( ) 尼一相关弹簧的位移。 d _ 施加于尾部的总位移。 吐。一承担第y 根纱线所需最小尾部位移。 。，试样堵塞部分的弹性模量，可以通过金属圈测试，它是力对纬 纱位移曲线的导数，是一非线性变量。 疋。一纱线的弹性模量，它是由纱线拉伸强力，断裂伸长在两根最近 纱线间纱线长度计算来的，在短隔矩下其值趋于无穷大。 心。一拉伸预张力最初倾角和预张力的比值，包括三角形纱线拉直时 东华大学硕士学位论文第一章前言 情况。 他们考虑了交织阻力的影响，和前人不同的是引入了预加张力的概 念，这个想法很好，但是对于具体某块织物，到底根据预加张力为多少去 确定疋m m 。求撕裂强力时，每个弹簧的伸长量很难确定。这里作者没有 交待清楚。 德国w a c k e r 化学公司的j h e n n “3 2 0 0 2 年提出用聚硅酮涂层剂其抗撕裂 效果比现在的涂层剂提高5 0 ，这是因为弹性体的高柔顺性和低的弹性模 量可使纱线在撕裂过程中易于滑移并形成纱束，增加了同时受力纱线根数 和同时断裂纱线根数，提高了撕强。 还有人认为涂层织物应被认为是正交异型薄板，并建立其本构方程 m 1 ，与原来织物的正交异型本构模型不同，增加了织物纤维之间相互挤压 的弹性模量。 杨以雄啪3 等人利用带有a d 转换器的p c 机，摄像机以及测音仪，对不 同纤维原料，密度的平纹织物在不同撕裂速度下的撅破强力与现象进行了 观测分析。并认为构成受力三角形的纱线破坏状态可用式样沙县断裂根数 除以撕裂曲线波峰数的结果表示；长丝织物在低纬密，低速度撕裂时可用 撕裂音的测定予以区别。 1 3 本课题研究意义 从1 9 4 5 年k r o o k 和f o x 第一次着手进行研究织物的舌形法撕裂性能开 始，国内和国外的科研人员陆续进行类似方面的工作研究。他们对传统的 机织物提出了一些假设，并在假设的基础上建立了自己的力学和数学模 型，尤以was c e l z o ，sb a c k e r 和瓶cb o y c e 的模拟效果最好，但是对于 涂层织物的撕裂强力的研究甚少，偶有模型效果不好，建立比较完善的涂 层织物撕裂强力的数学及力学模型因而显得越发重要。这不仅可填补这一 领域的理论空白，并丰富了织物撕裂强力模型。有助于人们深刻理解涂层 后织物的力学性能的变化，影响涂层织物撕裂强力的一些重要因素( 比如 说纤维的品种，纱线的强力和伸长率以及织物的经纬密，组织结构，后整 东华大学硕士学位论文第一章前言 理中涂层剂的选取) ，以及这些因素对涂层织物的具体影响，并定性或定量 地了解涂层织物的撕裂。 功能性涂层整理赋予织物前所未有的优良性能，随着科技的进步和人 们生活水平的提高，人们的消费观念正慢慢地发生改变，回归大自然已成 为一种时尚。外出旅游，探险，野外工作等，这样促生了产业用涂层织物 帐篷的大力发展，并伴随对其防水、透气、防紫外线、拒水、舒适感等性 能有定的要求。当然，野外环境的恶劣，以及日常使用过程中常受到各 种外力的作用，就对帐篷的一些机械性能提出了更高的要求，其中抗撕裂 性能就是一个最重要的考虑因素。织物经涂层加工后，其撕破强力明显下 降，最多可下降达7 5 ，大大影响其使用性能。选用合适的纤维，纺纱工 艺参数，织物组织结构和后整理中的涂层剂，来提高帐篷的撕裂性能，并 能满足生产实际可行和用户的需求。根据建立的模型，以及织物的内在因 素可以预测成品的撕裂强力，并可根据用户的实际需要来开发相应的产 品。因此如何提高涂层织物的撕破性能显得尤为重要。 1 4 本课题研究内容 本文研究织物涂层前后一些力学性能的变化，在前人对织物撕裂强力 模型的基础上提出涂层织物梯形法撕裂强力模型。用多元线性回归分析了 织物性能因素对涂层织物单缝法撕裂强力的影响程度。最后提出些提高 涂层织物撕裂强力的措旌。 i ：涂层对织物性能的影响 通过测试织物涂层前后其拉伸断裂强力、断裂伸长率、撕裂强力的变 化，涂层工艺( 涂层厚度、焙烘温度和焙烘时间) 对撕裂强力的影响，织 物涂层前后其应力集中损减系数的变化，讨论涂层对织物撕裂强力的影 响。并对不同撕裂方法( 单缝法、双缝法、落锤法和梯形法) 所得涂层织 物撕裂强力进行了比较 l3 东华大学硕士学位论文第一章前言 i i ：涂层织物梯形法撕裂强力模型的推导及验证 在假设涂层织物负荷伸长曲线为直线的基础上，根据r i c h a r ds t e e l 的模型，考虑最大值问题和应力集中损减系数得到涂层织物的梯形法撕裂 强力模型。并就撕强的理论值利实测值，撕强理论值利织物断裂强力、切 口处的试样长度、扣除剪口后试样的宽度、夹角的正切值的关系进行了验 证。同时讨论了涂层前后织物撕裂强力差异的原因。 i n ：涂层织物单缝法撕裂强力性能的研究 根据对单缝法撕裂强力影响因素的分析，选出几个主要的因素( 经 密、纬密、纱线强力、纱线的断裂伸长率、一定预加张力下纱线的交织阻 力) 。在预加张力为0 和预加张力为单缝法撕裂强力两种情况下分别就单 缝法撕裂强力和上述影响因素建立一般多元线性回归的数学模型。用逐步 回归建立最优回归方程，并讨论各个因素对单缝法撕裂强力贡献的相对程 度。 i4 东华大学硕士学位论文第二章涂层对织物性能的影响 第二章涂层对织物性能的影响 2 1 概述 涂层整理在增加织物附加值的同时，会对织物的机械性能产生 影响，本章研究涂层前后织物力学性能( 拉伸断裂强力、断裂伸长 率、撕裂强力) 的变化，并分析其原因。在涂层剂一定的情况下， 讨论涂层工艺( 焙烘温度、焙烘时间、涂层厚度) 对织物梯形法撕 裂强力的影响，有助于分析涂层剂对织物撕裂强力的影响机理。撕 裂时由于预置的切口引起了应力集中问题，涂层前后应力集中变化 很大，这对于深刻理解梯形法撕裂强力有很大的意义。本章最后通 过对涂层织物撕裂强力( 单缝法、双缝法、梯形法、落锤法) 间相 关性的比较，发现涂层织物不同撕裂破坏方法所测撕裂强力之间的 相关性和未涂层织物有所不同。 2 2 实验 2 2 1 试样 为了研究涂层前质织物力学性能( 拉伸断裂强力、断裂伸长率、 撕裂强力) 的变化，选择4 种原料为涤纶长丝、组织结构为平纹的 织物作为涂层基布，其规格列于表2 1 ，对这4 种基布进行涂层 加工，其制备方法如2 2 2 节所述。 表2 14 种基布的规格 生2 0 22 n 生l8 8】6 q2 2 85 生j 5 65 6 为了研究涂层织物4 种撕裂方法的撕裂强力之间的相关关 系，实验试样选择1 2 种原料为涤纶长丝、组织结构为平纹的涂层 i5 1 3 1 9 3 8 2 1 9 9 9 3 7 2 o 8 o 3 0 3 3 2 3 4 4 4 l 4 o 4 2 4 2 2 9 3 1 2 2 2 2 7 2 9 5 o 3 2 2 2 o 6 4 9 5 5 2 6 2 7 9 3 8 7 7 2 6 2 l ， 3 东华大学硕士学位论文 第二章涂层对织物性能的影响 经密4 2 24 0 45 1 64 3 26 0 84 7 24 1 03 1 03 1 63 8 04 0 84 1 2 根1 0 c m 纬密 3 1 23 1 43 0 83 1 62 9 03 0 86 3 04 0 55 9 4 2 5 83 3 03 1 6 根l o c m 面密度8 1 68 07 8 i 66 8 ，59 7 28 118 5 26 8 ，5g o 57 7 57 2 25 4 7 g m 2 2 2 ，2 涂层织物试样制备 溶剂型聚氨酯涂层剂由上海洋帆实业有限公司提供。 涂层所用实验仪器为：5 m u 9 7 2 型落地式涂层机( 北京纺织枫 械器材研究所研制) 。 实验方法是将处理好的基布夹在夹布框上，用偏心轮夹紧小 样，将小样绷平，锁紧挡圈的螺钉，将刮刀放在紧刀架块上，用偏 心凸轮夹紧定位，在转动刮刀升降手柄由百分表指示涂层厚度。在 刮刀前小样上放入涂料，推动托板手柄完成涂层，接液槽放在样品 末端接残留涂液。将涂层好的布从夹布框上取下，放入烘箱中根据 不同的温度进行焙烘，并掌握好焙烘时间。 2 2 3 织物拉伸和撕裂所用实验仪器 织物的拉伸性能测试所用仪器为；h d0 2 6 n 电子织物强力仪( 南 通宏大实验仪器有限公司) ：夹持长度均为2 0 0 m m ；拉伸速度为 1 0 0 m m m i n ；预加张力为2 n 。 织物的单缝法、双缝法、梯形法撕裂性能测试所用仪器为：h d 0 2 6 n 电子织物强力仪( 南通宏大实验仪器有限公司) ：根据 g b 3 9 1 9 - 8 3 “”夹持长度均为1 0 0 m m ；拉伸速度为l o o m m m ir l ：预加 张力为0 。 16 查兰奎堂堡主兰垡堕皇蔓三皇堡星塑! 塑堡! ! 堕墅堕 织物的落锤法撕裂性能测试采用y g 0 3 3 织物撕裂仪( 温州大荣 纺织标准仪器厂) 。 2 3 结果与讨论 2 3 ，1 涂层前后织物性能的变化 对涂层前后的织物进行拉伸性能和梯形法撕裂强力的测定，测 试结果列于表2 3 。 表2 3涂层前后织物性能的变化 试样编号 涂层前后拉伸强度( n ( 5 c m ) 1 ) 断裂伸长率( ) 梯形法撕裂强力n 经 纬 经 纬经纬 1 前 6 4 05 1 0 g 2 8 22 5 46 9 44 9 6 后 6 5 7 55 1 5 2 2 1 82 2 52 9 72 2 2 2前8507 4 9 62 6 22 3 21 0 9 2 l5 5 。6 后88469 5 0 g2 2 22 0 97 5 6 5 07 3 前 5 2 4 3 4 2 92 1 13 05 9 15 1 1 后5 4 9