苎麻单纤维断裂强力等速伸长测定法研究

冷鹃，肖爱平，杨喜爱，廖丽萍，黎宇

(中国农业科学院麻类研究所，长沙410205)

苎麻是我国特有的一种天然纤维作物，在我国具有悠久的栽培历史，苎麻纤维及其制品是极具中国民族特色的产品，是我国传统的出口创汇产品之一。苎麻单纤维断裂强力是衡量纤维纺织性能的一个重要指标，而纤维断裂强力测定方法主要有等速牵引法、等速加负荷法与等速伸长法三种方法，相应的强力检测仪有等速牵引型、等加负荷型和等速伸长型三种类型[1－2]。其中等速牵引法由于其固有的拉伸非线性缺陷存在着不可克服的测量误差，同时限于机械惯性因素，拉伸速率不能快，否则会造成严重失准，如今已很少使用。等速加负荷法有固有的机械缺陷，操作复杂、耗时长、误差大，有被淘汰的趋势。等速伸长法在检测过程中基本不产生位移，可以认为不存在机械性影响，能比较准确的反映拉伸过程纤维应力应变的真实情况，同时采用的相应电子纤维强力检测仪器，通过微机控制自动操作，自动数据采集、数据分析，人为产生误差较低，机械性能良好、精度高、量程范围大，是国际推荐的标准加载方式，得到了广泛推广应用。故拟对等速伸长法测定苎麻单纤维断裂强力进行研究探讨，为苎麻单纤维断裂强力测定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为精梳苎麻纤维。

1.2 仪器设备

H1KS型单纤维电子强力仪 (SDL Atlas Ltd，锡莱亚太拉斯公司)。

1.3 试验方法[3－4]

选择拉伸隔距d为20 mm、30 mm，每一拉伸隔距分别设定拉伸速率v为10、15、20、30 mm/min，试验根数n均为250根，采用等速伸长法进行拉伸断裂试验。

2 结果与分析

不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力检测结果见表1、2、3、4、5、6、7、8。

表1 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=20 mm，n=250，v=10 mm·min－1)Tab.1 Original test records of different extension gap and different extension rate

表2 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=20 mm，n=250，v=15 mm·min－1)Tab.2 Original test records of different extension gap and different extension rate

表3 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=20 mm，n=250，v=20 mm·min－1)Tab.3 Original test records of different extension gap and different extension rate

表4 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=20 mm，n=250，v=30 mm·min－1)Tab.4 Original test records of different extension gap and different extension rate

表5 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=30 mm，n=250，v=10 mm·min－1)Tab.5 Original test records of different extension gap and different extension rate

表6 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=30 mm，n=250，v=15 mm·min－1)Tab.6 Original test records of different extension gap and different extension rate

表7 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=30 mm，n=250，v=20 mm·min－1)Tab.7 Original test records of different extension gap and different extension rate

表8 不同拉伸隔距与拉伸速率单纤维强力测定原始记录 (d=30 mm，n=250，v=30 mm·min－1)Tab.8 Original test records of different extension gap and different extension rate

运用SPSS统计软件对表1、2、3、4、5、6、7、8纤维断裂强力进行统计分析[5－7]，通过频数分布直方图、P－P图对苎麻单纤维断裂强力检测数据进行正态性检验，结果表明其单纤维断裂强力呈正态分布。以表1为例的单纤维断裂强力频数分布直方图与P－P图 (见图1、2)，图1中的曲线为正态分布曲线，从图2可知，断裂强力基本分布在一条直线上，近似正态分布[8]。

在一定拉伸隔距 (d)为20 mm，不同速度v为10、15、20、30mm/min单纤维断裂强力平均值分别为 27.15、27.55、26.84、27.26 cN，标准差 (SD)分别为 11.08、10.07、11.00、11.09 cN;在一定拉伸隔距 (d)为30 mm，不同速度v为10、15、20、30mm/min单纤维断裂强力平均值分别为 24.71、24.78、24.50、24.79 cN，标准差 (SD)分别为 9.97、10.01、10.77、10.26 cN。

4个不同速度下，断裂强力最大与最小绝对差值，当d=20 mm时，只有0.71 cN，当d=30 mm时，仅为0.29 cN，而4个不同速度下20 mm拉伸隔距断裂强力平均值 (27.20 cN)大于30 mm拉伸隔距断裂强力平均值 (24.70 cN)，绝对差值为2.50 cN，4个不同速度2种拉伸隔距下断裂强力变异系数 (CVP)平均达40.65%。

由此可见，一定拉伸隔距下不同拉伸速度对苎麻单纤维断裂强力的影响不大，相同速度不同拉伸隔距对苎麻单纤维断裂强力有较大影响，且拉伸隔距越大，强力越小。苎麻单纤维离散度较大，需较大试样测定容量，才能较为准确测定苎麻单纤维断裂强力。

图1 苎麻单纤维断裂强力频数直方图Fig.1 Distribution histogram of ramie single fiber

图2 正态分布苎麻单纤维断裂强力P—P图Fig.2 P－P diagram of breaking strengthen of ramie single fiber

3 影响因素分析

3.1 试验根数

图3 平均值的标准偏差与测定根数的关系Fig.3 Relationship between SD of means and tested fiber numbers

基于上述理由，在保证允许偏差率为5%条件下，考虑到苎麻单纤维试样离散性较大，确定单纤维断裂强力测定试验根数n为250根。

3.2 拉伸隔距

苎麻单纤维断裂强力测定，其单纤维断裂强力在相同拉伸速率不同拉伸隔距下的变化规律，通过表9结果表明:相同速率下拉伸隔距为20 mm的断裂强力均大于拉伸隔距为30 mm的断裂强力，相同拉伸速率下的断裂强力与拉伸隔距变化规律符合弱环定理[10]，即随着拉伸隔距的增加强力逐渐减小。同时对拉伸速率为10、15、20、30 mm/min，每个速率分别设定拉伸隔距20 mm、30 mm的单纤维平均断裂强力测定结果进行U检验 (见表9，取显著水平α为0.05)，对应的检验统计量U分别为2.588、3.086、2.403、2.349，均大于U0.05=1.960，表明相同拉伸速率下不同拉伸隔距的苎麻单纤维断裂强力测定结果存在显著性差异。

表9 苎麻单纤维拉伸试验结果与相同速率不同拉伸隔距U检验Tab.9 Results of breaking strength of ramie single fiber and U－Test at the same extension rate but different extension gap

3.3 拉伸速率

表9结果表明，相同拉伸隔距不同拉伸速率与强力无变化规律，拉伸速率对断裂强力结果影响很小。同时对拉伸隔距为20 mm、30 mm，每个拉伸隔距分别设定拉伸速率 (控制变量)为10、15、20、30 mm/min的单纤维断裂强力测定结果 (见表1、2、3、4、5、6、7、8)运用SPSS统计软件分别进行方差分析[11](取显著水平α为0.05)，表10的结果表明:检验统计量F分别为0.181与0.080，均小于1，对应的伴随概率为0.911与0.971，均大于显著水平0.05，故可认定相同拉伸隔距不同拉伸速率间单纤维断裂强力检测结果无显著性差异。

表10 相同拉伸隔距不同拉伸速率苎麻单纤维断裂强力结果方差分析Tab.10 Variance analysis of breaking strength of ramie single fiber at different extension rate and the same extension gap

4 结论与讨论

(1)增加测定根数可以提高测定的精密度，但增加测定根数的代价不一定能从减少误差得到补偿。实际检测中测定根数无需太多，建议苎麻单纤维拉伸断裂试验根数250根为宜。

(2)相同拉伸速率下的断裂强力与拉伸隔距变化规律符合弱环定理，相同拉伸速率下不同拉伸隔距的苎麻单纤维断裂强力测定结果存在显著性差异。根据苎麻单纤维较长的特点 (其单纤维长度通常为60 mm～250 mm)，并参照ISO 5079－1995规定:单纤维长度≥38 mm时，拉伸隔距为20 mm，建议苎麻单纤维拉伸断裂试验拉伸隔距为20 mm。

(3)相同拉伸隔距不同拉伸速率与强力无变化规律，拉伸速率对断裂强力结果影响很小。相同拉伸隔距不同拉伸速率间单纤维断裂强力检测结果无显著性差异。但拉伸速率过小影响检测速度，拉伸速率过大影响纤维拉伸断裂的稳定性，建议苎麻单纤维拉伸断裂试验拉伸速率为30 mm/min。

[1]冷鹃，肖爱平，程毅，等．对苎麻单纤维拉伸速率设定的探讨[J]．中国纤检，2007(8):46－48．

[2]中华人民共和国国家标准.苎麻单纤维断裂强度试验方法[S].GB 5886－1986．

[3]中华人民共和国国家标准.化学纤维单纤维断裂强力和断裂伸长的测定[S].GB/T 9997－1988．

[4]International Organization of Standardization.Textiles Fibres－Determination of Breaking Force and Elongation at Break of Individual Fibres[S].ISO 5079－1995.

[5]冷鹃，程毅，肖爱平，等．黄、红麻束纤维断裂强力测定值正态性检验与取舍[J]．中国麻业科学，2009，31(2):140－158．

[6]冷鹃，肖爱平，杨喜爱，等．苎麻单纤维断裂强力统计特征研究[J]．中国麻业科学，2014，36(3):151－154．

[7]薛薇.SPSS统计分析方法及应用[M].北京:电子工业出版社，2013.

[8]周洪伟.正态性检验的几种常用方法 [J].南京晓庄学院学报，2012(3):13－18.

[9]彭崇慧，等.定量分析化学简明教程[M].北京:北京大学出版社，2009.

[10]张海泉.纺织材料学[M].北京:中国纺织出版社，2013.

[11]高忠江，施树良，李钰.SPSS方差分析在生物统计的应用[J].现代生物医学进展，2008，8(11):2116－2120.