GBT 43013-2023 化學纖維 動態(tài)彈性模量的測定 聲脈沖傳播法（正式版）

化學纖維動態(tài)彈性模量的測定聲脈沖傳播法2023-09-07發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國化學纖維標準化技術委員會(SAC/TC586)提出并歸口。本文件起草單位：新鳳鳴集團股份有限公司、武漢紡織大學、上海市紡織工業(yè)技術監(jiān)督所、中國化學纖維工業(yè)協(xié)會、浙江古纖道股份有限公司、新興際華(北京)材料技術研究院有限公司、上?；ぱ芯吭河邢薰?、桐昆集團股份有限公司、浙江昊能科技有限公司、中國石化儀征化纖有限責任公司、江蘇恒力化纖股份有限公司、無錫金通高纖股份有限公司、寧波大發(fā)新材料有限公司、浙江古纖道綠色纖維有限公司、上海紡織集團檢測標準有限公司、江蘇省紡織產品質量監(jiān)督檢驗研究院、江蘇國望高科纖維有限公司、桐昆集團浙江恒超化纖有限公司、常州市華紡紡織儀器有限公司。1化學纖維動態(tài)彈性模量的測定聲脈沖傳播法本文件描述了采用聲脈沖傳播法測定化學纖維長絲動態(tài)彈性模量(以下簡稱聲模量)的試驗方法。紗、條、帶以及薄膜材料等參照本文件執(zhí)行。本文件不適用于氨綸長絲以及拉伸變形絲(DTY)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T1033.2塑料非泡沫塑料密度的測定第2部分：密度梯度柱法GB/T4146(所有部分)紡織品化學纖維GB/T6502化學纖維長絲取樣方法GB/T6503化學纖維回潮率試驗方法GB/T6529紡織品調濕和試驗用標準大氣GB/T9994紡織材料公定回潮率GB/T14343化學纖維長絲線密度試驗方法3術語和定義GB/T4146(所有部分)界定的以及下列術語和定義適用于本文件。使用振動或聲頻等動態(tài)方法測定得到的彈性模量。E、根據(jù)脈沖聲波擾動所致纖維試樣的微小應力和應變測得的動態(tài)彈性模量。注：聲模量反映了纖維材料的剛性。聲波穿過被測纖維試樣的真實傳播時間與儀器固有的延遲時間之和。2注：聲波旅行時間由裝置直接讀取。延遲時間delaytime零距離時間zerotime聲電信號互換、遞轉、輸運和傳播等過程所消耗在儀器電路的時間。注1:延遲時間不能直接讀取，需計算得到。注2:一般認為T?與聲波旅行/傳播距離即換能器隔距無關。聲波傳播時間sonicwavepropagationtime聲波在被測纖維試樣中的真實傳播時間。注1:聲波傳播時間不能直接讀取，而由計算得到。注2:聲波傳播時間的計算公式，如下所示。Tp=T?-Ta式中：T,——聲波傳播時間；T:——聲波旅行時間；T?——延遲時間。壓電換能器piezoelectrictransducer利用某些單晶材料的壓電效應和某些多晶材料的電致伸縮效應將電能與聲能進行相互轉換的器件。聲波從共振頻率為3kHz～10kHz的發(fā)射端換能器(電—聲轉換)開始，沿著纖維試樣長度方向旅行，經過一段隔距和時間后，到達接收端換能器(聲—電轉換),根據(jù)聲波旅行時間，扣除延遲時間后得到真實傳播時間，從而計算得到聲波傳播速度(簡稱聲速)以及聲模量。已知所測纖維的無規(guī)取向聲速，可進一步計算聲速法取向參數(shù)(取向度/取向因子、取向角),見附錄A。5儀器設備5.1儀器結構測量儀器應能測量聲波在纖維試樣中的傳播速度。圖1為儀器結構示意圖，它能測量在發(fā)射端換能器和接收端換能器之間被測纖維試樣中的聲波傳播速度。3標引序號說明：3——發(fā)射端換能器；4——接收端換能器；5——換能器驅動單元；6——聲波旅行時間測量裝置；7——聲波振動方向；8——換能器邊緣；9——換能器；R——換能器邊緣半徑；L換能器隔距。圖1用于測量聲波在纖維試樣中傳播速度的儀器結構示意圖共振頻率為3kHz～10kHz的兩個壓電換能器被安裝在兩端固定的試樣架上，其中一個壓電換能器(聲波發(fā)射端)固定不動，另一個壓電換能器(聲波接收端)可沿試樣架自由移動，使兩個壓電換能器之間隔距在測試范圍內連續(xù)可調，測量精度為±0.5mm。5.3換能器驅動單元換能器驅動單元為發(fā)射端壓電換能器提供脈沖電壓以產生脈沖聲波(以下簡稱聲波),并沿被測纖維試樣長度方向，往接收端換能器傳播。5.4聲波旅行時間測量裝置測量和讀取聲波在兩個壓電換能器之間旅行的時間，從換能器驅動單元開始，到接收端換能器結6試驗準備按GB/T6502的規(guī)定取樣，每個卷裝取5個試樣。長絲直接從被檢卷裝上隨機取出長約700mm試樣，試樣應無皺褶或其他可見缺陷。6.2調濕和試驗用標準大氣按GB/T6529的規(guī)定執(zhí)行。6.3調濕時間按照GB/T9994規(guī)定的試樣的公定回潮率和表1規(guī)定的調濕時間，在調濕和試驗用標準大氣中調4濕試樣。對于新型的或未知公定回潮率的其他纖維，可采用纖維狀態(tài)的標準回潮率代替公定回潮率。標準回潮率的測定按GB/T6503的規(guī)定執(zhí)行。試樣的公定回潮率或標準回潮率(R。)%最少調濕時間(t)h>2～13426.4預張力6.4.1根據(jù)纖維品種和名義線密度，選擇適當?shù)念A張力。若名義線密度未知，按GB/T14343測定纖維試樣的線密度。試樣的預張力按公式(1)計算。F=P×T………(1)式中：F——預張力，單位為厘牛(cN);P——單位線密度的預張力，單位為厘牛每分特(cN/dtex);T——試樣的名義線密度，單位為分特(dtex)。6.4.2推薦的幾種纖維的單位線密度預張力為：——錦綸牽伸絲：0.10cN/dtex～0.20cN/dtex;當無法確定纖維品種單位線密度的預張力時，優(yōu)選0.10cN/dtex～0.20cN/dtex,對于不適合0.10cN/dtex～0.20cN/dtex預張力規(guī)定的長絲，可由有關各方協(xié)商確定預張力大小。6.5制樣經過調濕處理的試樣備用。每個卷裝測試5個試樣，第一個試樣取完，要將卷裝上的絲去掉至少2m再取第二個試樣。當纖維試樣具有導電性時，不能直接與壓電換能器探頭接觸，可用一小滴絕緣膠黏劑間接粘合以防短路。7試驗步驟7.1儀器準備開啟儀器電源預熱。7.2試樣安裝試樣架一端夾緊纖維試樣的一端，試樣沿試樣架方向經過發(fā)射端、接收端壓電換能器且接觸良好以確保聲波能量足以測量聲波旅行時間，再經由轉向滑輪垂向地面，并施加預張力，使試樣架上兩個壓電換能器之間的纖維試樣水平伸直但未被拉伸。57.3測定聲波傳播速度C7.3.1多點外推法測定聲波傳播速度C(比兩點法更精確)7.3.1.1發(fā)射端壓電換能器產生的聲波在纖維試樣中旅行，調節(jié)可移動的接收端壓電換能器位置，使其隔距為L?,測量第一段隔距的聲波旅行時間T。7.3.1.2改變兩個壓電換能器之間的隔距，測量第i段隔距L,的聲波旅行時間T(i=2,3,…,7.3.1.3以聲波旅行時間T為橫坐標，以對應的換能器隔距L;為縱坐標，在直角坐標系標注各散點，采用最小二乘法擬合一條直線，如圖2所示。該直線的斜率即為多點外推法測量的聲波傳播速度C。以隔距L;為橫坐標，以對應的聲波旅行時間T為縱坐標，在直角坐標系標注各散點，采用最小二乘法擬合一條直線，如圖3所示。外推該直線至L;為0,其在縱坐標軸上的截距即為延遲時間Ta。Yi/us標引序號說明：L;——換能器隔距；T;——聲波旅行時間；a——聲波旅行時間—換能器隔距擬合直線與X坐標軸的夾角；C——聲波傳播速度。圖2多點外推法測定聲波傳播速度C(擬合直線斜率)6Y:/μs320L?/mm標引序號說明：L;——換能器隔距；T?——延遲時間。圖3多點外推法測定延遲時間T(擬合直線截距)7.3.1.4重復測試4個試樣。每個試樣重復測量在隔距L;(i=2,3,…,n)的聲波旅行時間T,。根據(jù)7.3.1.3得到4個試樣的聲波傳播速度。7.3.1.5計算5個試樣聲波傳播速度的平均值作為該卷裝的聲波傳播速度C,保留小數(shù)點后兩位。7.3.2兩點法測定聲波傳播速度C(適用于相對比較)7.3.2.1測量第1段隔距L,的聲波旅行時間T取第一個試樣按7.3.1.1同樣方法測量第1段隔距L?的聲波旅行時間T。7.3.2.2測量第2段隔距L?的聲波旅行時間T?改變兩個壓電換能器之間的隔距至L,(L?>L?),按7.3.1.1同樣方法測量第2段隔距L。的聲波旅行時間T?。7.3.2.3重復測試按7.3.2.1、7.3.2.2再重復測試4個試樣。每次測量的隔距L?、L?維持不變。7.3.2.4結果計算7.3.2.4.1聲波傳播速度C理論上，延遲時間T。與聲波旅行/傳播距離無關，延遲時間可被等量扣除，平均聲波傳播時間差等于平均聲波旅行時間差。聲波傳播速度C按公式(2)計算。式中：………………7GB/T43013—2023L——聲波傳播距離，單位為毫米(mm);L?——第2段隔距，單位為毫米(mm);L?——第1段隔距，單位為毫米(mm);T?——第2段隔距內聲波旅行時間，單位為微秒(μs);T?—第1段隔距內聲波旅行時間，單位為微秒(μs)。聲波傳播速度保留小數(shù)點后兩位。每個卷裝取5個試樣。測定5個試樣的聲波傳播速度，取5個試樣聲波傳播速度的平均值作為該卷裝的聲波傳播速度C。延遲時間T?在計算聲波傳播速度時不是必需的，但能判斷儀器穩(wěn)定性。5個試樣、5次計算T?的變異系數(shù)在5%以下認為儀器是穩(wěn)定的。根據(jù)7.3.2.4.1兩點法計算的聲波傳播速度C,按公式(3)或公式(4)求得延遲時間Ta。Tn——第1段隔距內聲波旅行時間，單位為微秒(μs)L?——第1段隔距，單位為毫米(mm);T?——第2段隔距內聲波旅行時間，單位為微秒(μs);L?——第2段隔距，單位為毫米(mm)。根據(jù)兩點法設置的壓電換能器隔距L?、L?的關系L?=nL?。Ta也可按公式(5)求得。n——第2段隔距是第1段隔距的倍數(shù)；T?——第1段隔距內聲波旅行時間，單位為微秒(μs);T?——第2段隔距內聲波旅行時間，單位為微秒(μs)。………T?可采用公式(3)～公式(5)三個公式中的任何一個公式求得，三個公式求得的結果是一樣的。采用兩點法相對比較兩種纖維材料的動態(tài)彈性模量時，應在相同的兩段換能器隔距下測試兩種纖維材料。換能器隔距宜選擇(L?=100mm、L,=200mm)或(L?=200mm、L,=400mm)或(L?=150mm、L?=300mm)。對于以上換能器隔距推薦值不適合的長絲，可由有關各方協(xié)商確定換能器7.4測定纖維試樣密度p按GB/T1033.2測定試樣的密度p,單位為kg/m3。8GB/T43013—20237.5計算聲模量E,根據(jù)聲學理論，按公式(6)或公式(7)計算聲模量：E,=pC2式中：E、——聲模量，單位為牛每平方米(N/m2)或帕(Pa);………p——纖維密度，單位為千克每立方米(kg/m3);C——聲波傳播速度，單位為米每秒(m/s)。聲模量以科學計數(shù)法表示，保留3位有效數(shù)字。E、=pC2×10-!…………(7)式中：p——纖維密度，單位為千克每立方米(kg/m3);C——聲波傳播速度，單位為米每秒(m/s)。聲模量保留3位有效數(shù)字。通過單位換算以及不同量之間的數(shù)值關系換算，可避開7.4密度測試環(huán)節(jié)，按公式(8)計算聲模量。推導過程見附錄B。E、=10C2式中：E,——聲模量，單位為厘牛每分特(cN/dtex);10——聲模量從牛每平方米到厘牛每分特的換算關系，單位為厘牛平方微秒每分特平方毫米[(cN·μs2)/(dtex·mm2)];C——聲波傳播速度，單位為毫米每微秒(mm/μs,即km/s)。聲模量保留小數(shù)點后兩位。8試驗報告試驗報告應包括以下內容：b)試驗依據(jù)的標準文件編號；c)纖維試樣調濕所用大氣環(huán)境；d)儀器設備型號，包括換能器頻率；e)采用的測定聲波傳播速度C的方法；f)試驗條件，包括預張力大小、多點外推法的多段換能器隔距、兩點法的兩段換能器隔距等；g)試驗次數(shù)及測定結果；h)試驗中出現(xiàn)的異常情況以及任何偏離本文件的細節(jié)；i)經協(xié)商后對試驗步驟的修改提示及其他與本文件不一致的部分；j)試驗人員和試驗日期9(資料性)聲模量與聲速法取向參數(shù)(取向度/取向因子、取向角)的關系根據(jù)本文件的試驗原理，如已知所測纖維的無規(guī)取向聲速，則可計算聲速法取向參數(shù)(取向度/取向因子、取向角)。聲速法取向度F,,也稱為赫爾曼(Hermans)取向因子，由莫斯萊(Moseley)公式(A.1)計算：式中：F、——赫爾曼取向因子，無因次；C——無規(guī)取向聲速，單位為千米每秒(km/s);C——聲波在所測纖維試樣中傳播的速度，單位為千米每秒(km/s);E——無規(guī)取向纖維聲模量，單位為兆帕、吉帕或厘牛每分特(MPa、GPa或cN/dtex);E——所測纖維聲模量，單位為兆帕、吉帕或厘牛每分特(MPa、GPa或cN/dtex)。E與E單位一致。表A.1列出了幾個常規(guī)纖維品種的無規(guī)取向聲速。表A.1幾個常規(guī)纖維品種的無規(guī)取向聲速纖維品種粘膠纖維VIS無規(guī)取向聲速(Cu)取向角θ,即纖維軸與分子鏈擇優(yōu)排列方向之間的夾角，見圖A.1,按赫爾曼公式(A.2)以及公式(A.3)計算取向角θ。式中：F、——赫爾曼取向因子，無因次；GB/T43013—2023圖A.1聲波在纖維中傳播擾動受力分析與取向角示意圖a)理想單軸取向，此時θ=0°,F、=1;GB/T43013—2023(資料性)不同單位體系的聲模量公式推導B.1推算依據(jù)根據(jù)聲學理論，當一個振動方向與介質軸向平行的縱向聲波，在一個均勻而細長的棒狀介質中傳播E=pC2……………(B.1)E——聲模量，單位為牛每平方米(N/m2);p——介質密度，單位為千克每立方米(kg/m3);C——聲波傳播速度，單位為米每秒(m/s)。B.2關于E=pC2的單位核算B.3從E=pC2到E,=10C2的推導第1步：假設纖維