“羊絨般的滑糯、輕暖，絲般的柔順、滑爽，棉般的舒適、柔軟”是消費(fèi)者對(duì)纖維性能最直接的感覺(jué)。這些感覺(jué)又都和纖維彎曲柔軟性能緊密相連，對(duì)于紡織研究單位、紗線加工企業(yè)，服裝設(shè)計(jì)部門(mén)，如果能獲得所用纖維彎曲柔軟性能的一手資料，通過(guò)利用纖維原料比例、并條、混紡等手段，能優(yōu)化紗線性能，從而改善紡織面料最終性能。

紗線在紡織加工中以及織物在服用過(guò)程中都會(huì)受到彎曲力矩的作用，產(chǎn)生彎曲變形。紗線和織物彎曲是纖維自身彎曲和纖維間相互作用的疊加。纖維間相互作用在紗線中表現(xiàn)為紗線捻度和紗線轉(zhuǎn)移，在織物中表現(xiàn)為交織點(diǎn)和浮長(zhǎng)。纖維自身彎曲性能是紗線和織物彎曲最基本因素，然而測(cè)量方法和測(cè)量范圍限制使得紡織品彎曲評(píng)價(jià)仍然停留在紗線這一層次。

JQ03單纖維壓縮彎曲儀是中晨公司在單纖維彎曲測(cè)量方面的突破，使得單纖維特別是短纖維的彎曲性能評(píng)價(jià)變得可能，經(jīng)測(cè)量分析可提取出等效彎曲模量和抗彎剛度這兩項(xiàng)基本彎曲指標(biāo)。該方法已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，上海市發(fā)明專(zhuān)利獎(jiǎng)，相關(guān)論文在《紡織學(xué)報(bào)》、《中國(guó)纖檢》和《Journal of Applied Polymer Science》發(fā)表，實(shí)驗(yàn)相關(guān)方法在《Fiber Society》年會(huì)上宣讀，得到國(guó)際纖維屆的。

經(jīng)我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“羊毛比羊絨更僵硬主要是細(xì)度大，羊駝毛手感松軟是表面摩擦小，棉柔軟是橫截面慣性距小，麻纖維刺癢是彎曲模量大所造成，易于彎曲纖維大多在紗線外層分布……”。

軸向壓縮彎曲法測(cè)量細(xì)小單纖維的彎曲性能實(shí)為纖維檢測(cè)領(lǐng)域的一大突破。測(cè)量采用一端握持一端模擬鉸鏈的開(kāi)放測(cè)量方法，使其裝樣簡(jiǎn)便可控。纖維的對(duì)中、纖維突出長(zhǎng)度、纖維直徑均采用壓縮彎曲過(guò)程中光學(xué)原位組合測(cè)量，使其結(jié)果離散小、重現(xiàn)性好。根據(jù)纖維細(xì)度和剛?cè)嵝�，選擇性測(cè)量合適長(zhǎng)徑比的單纖維試樣，使其結(jié)果。

測(cè)量時(shí)調(diào)整合適長(zhǎng)徑比即可適用于不同種類(lèi)纖維測(cè)量，如高性能纖維、金屬纖維、蜘蛛蛋白纖維、羊絨、常用服用纖維和各種改性纖維的彎曲性能客觀定量評(píng)價(jià)。該方法及裝置解決了短纖維（如羊絨、棉纖維）無(wú)法測(cè)量彎曲性能的難題，同時(shí)也適用于各種長(zhǎng)絲纖維。通過(guò)更換不同微孔直徑或帶有細(xì)槽的上平臺(tái)即可測(cè)量紗線、薄膜和織物的彎曲性能。

該方法能定量計(jì)算彎曲特征參數(shù)值，即等效彎曲模量和抗彎剛度。等效彎曲模量是獨(dú)立于纖維直徑反映纖維材料抗彎性能的本質(zhì)特征值，由單纖維材料自身分子結(jié)構(gòu)決定，在數(shù)值上等效于拉伸模量和純壓縮模量沿纖維截面的積分平均和。

上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司

附錄：應(yīng)用研究實(shí)例

作羊毛纖維和蠶絲纖維對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蠶絲的等效彎曲模量大于羊毛纖維的彎曲模量，即b折疊比a螺旋的結(jié)構(gòu)更剛硬。抗彎剛度是等效彎曲模量和慣性矩的乘積，慣性矩受纖維直徑和纖維截面形態(tài)影響，單纖維自身剛?cè)嵝阅艽笮∮衫w維等效彎曲模量、纖維直徑和纖維截面形態(tài)決定。根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)盡管蠶絲等效彎曲模量大于羊毛，但由于羊毛纖維直徑較大，使羊毛單纖維抗彎剛度比蠶絲抗彎剛度大15倍左右，即蠶絲單纖維更柔軟。

1 等效彎曲模量

不同于金屬纖維，紡織纖維為各項(xiàng)異性體，有著復(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1b，橫截面mn和pq繞垂直于xy平面的軸線作相對(duì)旋轉(zhuǎn)，因而，纖維凸邊的縱向原纖伸長(zhǎng)，而凹邊的縱向原纖縮短。于是，纖維的上部原纖處于壓縮狀態(tài)而下部原纖處于拉伸狀態(tài)。在纖維的頂部和底部之間的某處，存在一個(gè)縱向原纖長(zhǎng)度不變的面。在圖中用虛線ss表示，稱(chēng)為中性面。它與任一橫截面的交線，稱(chēng)為該橫截面的中性軸，變形之后，兩個(gè)相鄰的橫截面mn和pq交于軸O，該軸為纖維縱軸的曲率中心這兩個(gè)平面之間的夾角用dq表示，dx為相鄰兩個(gè)橫截面mn和pq之間微段的長(zhǎng)度，而曲率半徑用r表示。根據(jù)該圖的幾何形狀我們得知：

                                      (1)

離中性面為y的一根典型縱向原纖ab的伸長(zhǎng)為ydx/r，如圖1a且相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)椋?/P>

                                     (2)

中性軸以下為拉應(yīng)力，中性軸以上為壓應(yīng)力。在整個(gè)橫截面面積上所有這樣的微元力矩的積分必等于彎矩M，如圖1c因此

                    (3)

式中 ; ; E_t 為切線模量為應(yīng)力和應(yīng)變的比值，由于紡織纖維不同于金屬纖維，其有明顯的屈服點(diǎn)，且比例極限點(diǎn)應(yīng)力較低，有必要考慮切線模量的變化,如圖1d。而拉伸曲線和纖維純壓縮曲線相似但不相同，因此纖維等效彎曲模量E_B并不等同于楊氏模量或拉伸模量，其值為拉伸模量和壓縮模量沿纖維截面的積分平均。鑒于此有必要設(shè)計(jì)合適測(cè)量方法，定量計(jì)算等效彎曲模量E_B 并計(jì)算抗彎剛度E_BI，而非帶入拉伸模量近似計(jì)算。

圖1單纖維彎曲 (A) 單纖維彎曲分析圖. (B) 羊毛纖維原纖結(jié)構(gòu)圖. (C) 單纖維彎曲截面應(yīng)力分析圖(D) 拉伸切模量和壓縮切模量示意圖

2 單纖維軸向壓縮彎曲測(cè)量法原理

根據(jù)Euler載荷原理，即利用纖維軸向的載荷來(lái)產(chǎn)生彎曲，由于纖維長(zhǎng)徑比較大，因此壓縮過(guò)程中偏心作用成為主導(dǎo)，纖維被彎曲，而不是被純壓縮。采用下端握持,上端鉸鏈的單纖維壓縮彎曲模型來(lái)構(gòu)造測(cè)量裝置

3征指標(biāo)計(jì)算

纖維抗彎剛度反映了纖維抵抗彎曲的能力，即通常所指剛硬還是柔軟，其綜合了纖維本質(zhì)彎曲因素（即彎曲模量）和橫截面因素（即直徑與橫截面形狀）。在定量化分析單纖維彎曲性能時(shí)，有必要把纖維本質(zhì)彎曲因素分離出來(lái)。因此對(duì)單纖維的等效彎曲模量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)計(jì)算。根據(jù)壓縮彎曲儀的實(shí)驗(yàn)原理，考慮纖維截面形態(tài)的影響，相應(yīng)的臨界載荷的表達(dá)式為：

            （4）

公式 4中P_cr 為壓縮彎曲臨界載荷(10^-5N)；E_B 嚴(yán)格的說(shuō)法是等效彎曲模量，相當(dāng)于拉伸和壓縮模量的復(fù)合；K_B為截面形狀系數(shù)；I₀慣性矩；L 單纖維突出長(zhǎng)度；D纖維直徑；r纖維半徑。

對(duì)于正圓形的最小慣性矩為I₀=pr⁴/4,較多纖維的橫斷面接近正圓形，而一些纖維特別是天然纖維素纖維其橫截面有明顯長(zhǎng)短軸之分，而纖維彎曲時(shí)總是向它最容易彎曲的方向彎折，因此計(jì)算纖維的臨界載荷時(shí)，需引入截面形狀系數(shù)K_B,詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)，而羊毛的截面近于正圓，因此形狀系數(shù)暫以K_B＝1進(jìn)行計(jì)算，蠶絲截面以正三角進(jìn)行近似計(jì)算K_B＝1.209。在公式 4中，設(shè)k=0.99E_BK_B，則P_cr=k(D⁴/L²)，k為過(guò)原點(diǎn)的線性方程的斜率。依據(jù)P_cr與D⁴/L²圖實(shí)測(cè)擬合直線（過(guò)原點(diǎn)的線性方程）的斜率k，可求得纖維等效彎曲模量E_B(GPa)，即見(jiàn)圖2和圖3

                                (15)

                                                      圖2羊毛P_cr與D⁴/L²關(guān)系圖          圖3蠶絲P_cr與D⁴/L²關(guān)系圖           

具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1

表1蠶絲和羊毛纖維彎曲性能對(duì)比