脹破強度是非織造布的重要性能之一。本文使用了四種試驗半徑, 分別對木漿水刺、紡粘-熔噴-紡粘(SMS)和熱熔三種非織造布進行了測試。通過濾除試驗膜片的影響, 并對修正后數據進行單峰擬合, 獲得了熱熔和SMS非織造布脹破強度的準確數值。本文還研究了試驗半徑對測試數據的影響, 應用彈性力學理論和實驗數據, 給出了兩者的半經驗公式:q0=k/r3。
引用本文： 張博, 萬敏, 張慶. 非織造布脹破強度的試驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(2): 315-319. doi: 10.7507/1001-5515.20160053 復制
引言
隨著科技的發展和社會的進步，在醫療過程中——特別是手術過程中，越來越重視對微生物限度、液體阻隔、潔凈度等的控制。由此，一次性使用手術室用品，如手術衣、手術單、吸水墊等，目前已經廣泛地在國內使用。而非織造布由于其具有阻隔性好、舒適度高、成本可控等優點，成為一次性手術室用品的首選原料。根據不同的生產工藝，非織造布被分成了不同的種類，目前應用于手術室用品的主要有熱熔非織造布、紡粘-熔噴-紡粘(spunbond-meltblown-spunbond, SMS)非織造布和木漿水刺非織造布[1]。
脹破強度(也被稱為頂破強度)是非織造布的重要性能之一[2]，它是手術室用品完整性和阻隔性的保證，在YY/T 0506.2[3]中對其作了詳細的規定。雖然在YY/T 0506.3[4]中給出了具體的試驗方法，但卻完全引用了織物的測試方法。相對于織物來說，非織造布的纖維強度更低，斷裂延伸率更大，不同類型非織造布的破裂方式也不相同，而目前市面上銷售的成型測試裝置及軟件主要是針對織物設計的，在測試過程中很難準確地判定非織造布的破裂點。本文的目的之一是研究如何準確測試不同類型非織造布的脹破強度。
GB/T 7742給出了紡織品脹破強度的測試方法，但是2005版本[5]相對于1987版[6]做的最大改變，是“優先使用的試驗面積由7.3 cm2或100 cm2改為50 cm2”。此后，研究者針對織物[7]和毛織物[8]進行了試驗，研究試驗面積和脹破強度的關系，發現試驗面積對膨脹強度有明顯的影響。但到目前為止，尚未對其中的規律做出明確的歸納，并且也沒有針對非織造布的研究報道。本文的另一目的則是研究試驗面積對脹破強度測試值的影響。
1 試驗方法和樣品
1.1 試驗方法
YY/T 0506.3要求直接按照ISO 13938-1: 1999《紡織品-織物脹破性能--第1部分：脹破強力和脹破擴張度測定的液壓法》試驗，而GB/T 7742.1-2005同樣修改并采用了此標準。試驗的原理是將試樣夾持在可延伸的膜片上，在膜片下面施加液體壓力，使膜片和試樣膨脹，以恒定速度增加液體體積，直到試樣破裂，測得脹破強度和脹破擴張度。試驗儀器原理如圖 1所示。具體步驟如下。
圖1
脹破強度測試方法的原理示意圖
Figure1.
Schematic diagram of the testing method for the burst strength
(1)?設定恒定的體積增長速率在100~500 cm3/min之間。或進行預試驗，調整試驗的脹破時間為(20±5) s。
(2)?將試樣放置在膜片上，使其處于平整無張力狀態，避免在其平面內的變形。夾緊試樣，防止在試驗中滑移，對試樣施加壓力，直到其破壞。對于無明顯破壞點的樣品，應試驗足夠長時間，以保證樣品的最大強度點已被測試。
(3)?按照相同的方法對每一種材料進行5次試驗，隨后在沒有試樣的條件下，單獨對膜片進行試驗。在所有的試驗過程中，每0.1 s記錄一次膨脹度和壓力值，將每一片材料的壓力值在相同膨脹度上減去膜片的壓力值，然后繪制膨脹度-壓力圖。通過對圖線進行單峰擬合來確定每一片試樣的最大強度，最后將5次測量的最大壓力平均值作為該材料的脹破強度。
(4)?膜片的要求應滿足：厚度小于2 mm；具有高延伸性；膜片使用數次后，在脹破高度范圍內應具有彈性(試驗過程中觀察)；要有足夠的強度以保證在液壓下不破裂。
1.2 試驗儀器
使用了美國SDL Atlas公司生產的型號為M229的數字式自動頂破度測試儀，該儀器的測試范圍為0~6 000 kPa，分辨力為0.1 kPa。
1.3 試驗樣品
分別選取了足夠面積的熱熔非織造布(密度約為30 g/m2)、SMS非織造布(密度約為45 g/m2)和木漿水刺非織造布(密度約為80 g/m2)各一塊。
2 試驗結果
無論國外進口設備還是國產設備，目前在測試脹破強度時，都是記錄測試的液體壓力出現降低時(一定數值或百分比)的壓力作為最終測試值。對于一般的織物來說，由于脹破強度相較于膜片高出很多，延伸率小導致變形小，從而更加降低了膜片強度的影響，并且試驗往往以爆破結束，因此這種選取最終測試值的方法是適用的。但是對于非織造布來說，特別是熱熔布和SMS布，由于延伸率高，膜片隨之變形大，故由膜片產生的強度就高，再考慮到非織造布本身的強度值不高，因此導致膜片的強度對最終值的取得產生了巨大的影響。以試驗面積為10 cm2為例，數據圖線如圖 2(a)所示，測試SMS和熱熔非織造布時，儀器中液體的壓力沒有出現降低，而是由于受到膜片壓力的提升，而不斷升高，故儀器和軟件不能判斷樣品的脹破強度。
圖2
試驗面積為10 cm2的擴張度h和壓力值P
(a)原始數據圖線；(b)(熱熔布和SMS布)減去膜片后數據圖線
Figure2. Distance h and strength value P under the testing area of 10 cm2(a) original data curve; (b) the melt and SMS nonwoven's data after subtracting the membrane's value
將SMS和熱熔非織造布的數據減去膜片數據后，從再做出的圖線圖 2(b)可以明確看到出現了峰值，說明SMS和熱熔非織造布并不像織物一樣突然破裂，而是強度緩慢降低。根據圖線形式，可以采用高斯函數進行擬合，公式為：
| $ P={P_0} + A \bullet \exp \left[ {-0.5 \bullet {{\left({\frac{{h-{h_c}}}{W}} \right)}^2}} \right] $ |
式中P代表液體壓力，h代表擴張度，P0和A為擬合的中間參數。此函數在h=hc時，出現強度最大值，即脹破強度Pmax=P0+A；擬合出的參數hc即為脹破時的擴張度。
使用ISO 13938-1: 1999上規定的四種面積(7.3、10、50、100 cm2)分別進行試驗，并按照上述的方法進行處理，SMS和熱熔非織造布的脹破強度和參數如表 1和表 2所示。而木漿水刺非織造布由于出現了脹破點，因此直接用脹破時的數值減去膜片在此擴張度的數值，即為脹破強度。為增加數據的可靠性，按照標準要求，每種材料進行5次取樣試驗，計算5次的算數平均值作為最終結果，如表 3所示。從結果可以看出，三種非織造布雖然斷裂的方式不同，但是隨著試驗面積的增加，測試得到的數值都明顯減小。
表1
SMS非織造布試驗和擬合數據
Table1.
Testing and fitting data of the SMS nonwoven
表2
熱熔非織造布試驗和擬合數據
Table2.
Testing and fitting data of the melt nonwoven
表3
三種非織造布在不同試驗面積下的平均脹破強度
Table3.
Average burst strength of the three kinds of nonwoven under different testing area
3 討論
在金奎[9]的研究中，對玻璃纖維紙的脹破強度進行了試驗，并且從做功的角度給出了強度與單位寬度斷裂力、延伸率和試驗半徑之間的關系：
| $ \frac{{Pr}}{2}\Delta A\int {{F_T}{\delta _T}dx} + \int {{F_W}{\delta _W}dy} $ |
式中P為液壓，FT和FW代表橫向和縱向的斷裂力，δT和δW為橫向和縱向的斷裂延伸率，r代表試驗半徑，x和y分別代表橫向和縱向坐標，如圖 3所示。
圖3
徑向拉伸所做功的圖解
Figure3.
Graphic illustration of the work by radial drawing
ΔA可由下列公式進行計算：
| $ \Delta A=2\pi rh-\pi {r^2}=\pi {h^2} $ |
式中h代表擴張度，r代表試驗半徑。
在計算中，研究者一端用壓力和增加的面積計算所做的功，一端用橫向和縱向上材料所受的力和拉伸的距離計算所做的功(如圖 3所示)。但是，其中最大的問題就是液壓P是擴張度h的函數，而不是一個常數，因此公式左端應為∫P(h)ΔA(h)dh；同樣，FT和FW也應該是擴張度h的函數，因此這種算法并不能很好地用來表征試驗半徑和液體壓力的關系。
如果用更加嚴謹的方法進行分析，則該試驗可以抽象為：在邊界固定的情況下，圓形彈性薄板受到法向應力而發生位移和變形，如圖 4(a)所示。在擴張度不大的情況下，可以近似認為載荷q=q0，樣品的變形可以近似為如圖 4(b)所示。根據彈性力學的計算，位移分量可用下式表達[10]：
| $ \omega \left(x \right)=\frac{{{q_0}{r^4}}}{{64D}}{\left({1-\frac{{{x^2}}}{{{r^2}}}} \right)^2} $ |
| $ D=\frac{{E{t^3}}}{{12\left({1-{\upsilon ^2}} \right)}} $ |
圖4
應力應變示意圖
(a)實際情況；(b)近似后
Figure4. Schematic diagram of the stress and strain(a) actual diagram; (b) approximation diagram
其中，E為彈性模量，ν為泊松比，t為薄膜的厚度。因此，D代表了和薄膜的材料和厚度相關的參數，與試驗的參數無關。
計算樣品被脹起后的斷裂延伸率可用下式：
| $ \delta=\frac{{\int\limits_0^r {\sqrt {1 + \omega '{{\left(x \right)}^2}dx} } }}{r} $ |
將式(8)代入：
| $ \delta=\frac{{\int\limits_0^r {\sqrt {1 + {{\left[ {{q_0}x\left({{x^2}-{r^2}} \right)/16D} \right]}^2}dx} } }}{r} $ |
考慮到材料的斷裂延伸率是一定的，因此式(11)可以看作載荷q0與試驗半徑r的一般性關系公式。
為了能得到一個較為簡略的表達式，可以近似將膨脹后的位移認為是線性的，這在擴張度不大的情況下是可以接受的。那么式(8)變為：
| $ \omega \left(x \right)=\frac{{{q_0}{r^4}}}{{64D}}-\frac{{{q_0}{r^3}}}{{64D}}x $ |
將式(12)代入式(10)，得：
即
| $ {q_0}=64D\sqrt {\delta-1} \bullet \frac{1}{{{r^3}}}=\frac{k}{{{r^3}}} $ |
式中，是僅與材料性能與厚度有關系的參數。
式(13)近似地給出了載荷(即液體壓力)與試驗面積的關系。分別將三種非織造布在四個試驗面積下的數據按照式(13)進行擬合，結果如圖 5所示。從圖中可以看出，在試驗半徑較小的區域，實驗數據較好的符合擬合公式，但在試驗半徑較大的區域，情況正好相反。這是由于受到載荷被近似的影響：試驗半徑較大，脹破時的擴張度也相應變大(如表 1和表 2所示)，這時再近似認為載荷是保持同一方向的，會產生較大的偏差。
圖5
試驗半徑和脹破強度的擬合圖
Figure5.
Fitting curves of the burst strength and the testing radius
4 結論
在測試脹破強度時，由于非織造布(特別是SMS和熱熔非織造布)延伸率高、強度低等特點，使得目前針對織物測試的儀器和軟件不能準確地進行測試。本文采取利用樣品的數據減去膜片的數據，再進行類高斯擬合的方法，能夠很好地測試非織造布的脹破強度。
隨著試驗面積的增加，脹破強度測試所得結果明顯減小。通過彈性力學的分析，給出了液體壓力和試驗面積的一般性關系公式；通過計算，得到近似公式：，在試驗半徑較小時，與實驗數據具有較好的一致性。
引言
隨著科技的發展和社會的進步，在醫療過程中——特別是手術過程中，越來越重視對微生物限度、液體阻隔、潔凈度等的控制。由此，一次性使用手術室用品，如手術衣、手術單、吸水墊等，目前已經廣泛地在國內使用。而非織造布由于其具有阻隔性好、舒適度高、成本可控等優點，成為一次性手術室用品的首選原料。根據不同的生產工藝，非織造布被分成了不同的種類，目前應用于手術室用品的主要有熱熔非織造布、紡粘-熔噴-紡粘(spunbond-meltblown-spunbond, SMS)非織造布和木漿水刺非織造布[1]。
脹破強度(也被稱為頂破強度)是非織造布的重要性能之一[2]，它是手術室用品完整性和阻隔性的保證，在YY/T 0506.2[3]中對其作了詳細的規定。雖然在YY/T 0506.3[4]中給出了具體的試驗方法，但卻完全引用了織物的測試方法。相對于織物來說，非織造布的纖維強度更低，斷裂延伸率更大，不同類型非織造布的破裂方式也不相同，而目前市面上銷售的成型測試裝置及軟件主要是針對織物設計的，在測試過程中很難準確地判定非織造布的破裂點。本文的目的之一是研究如何準確測試不同類型非織造布的脹破強度。
GB/T 7742給出了紡織品脹破強度的測試方法，但是2005版本[5]相對于1987版[6]做的最大改變，是“優先使用的試驗面積由7.3 cm2或100 cm2改為50 cm2”。此后，研究者針對織物[7]和毛織物[8]進行了試驗，研究試驗面積和脹破強度的關系，發現試驗面積對膨脹強度有明顯的影響。但到目前為止，尚未對其中的規律做出明確的歸納，并且也沒有針對非織造布的研究報道。本文的另一目的則是研究試驗面積對脹破強度測試值的影響。
1 試驗方法和樣品
1.1 試驗方法
YY/T 0506.3要求直接按照ISO 13938-1: 1999《紡織品-織物脹破性能--第1部分：脹破強力和脹破擴張度測定的液壓法》試驗，而GB/T 7742.1-2005同樣修改并采用了此標準。試驗的原理是將試樣夾持在可延伸的膜片上，在膜片下面施加液體壓力，使膜片和試樣膨脹，以恒定速度增加液體體積，直到試樣破裂，測得脹破強度和脹破擴張度。試驗儀器原理如圖 1所示。具體步驟如下。
圖1
脹破強度測試方法的原理示意圖
Figure1.
Schematic diagram of the testing method for the burst strength
(1)?設定恒定的體積增長速率在100~500 cm3/min之間。或進行預試驗，調整試驗的脹破時間為(20±5) s。
(2)?將試樣放置在膜片上，使其處于平整無張力狀態，避免在其平面內的變形。夾緊試樣，防止在試驗中滑移，對試樣施加壓力，直到其破壞。對于無明顯破壞點的樣品，應試驗足夠長時間，以保證樣品的最大強度點已被測試。
(3)?按照相同的方法對每一種材料進行5次試驗，隨后在沒有試樣的條件下，單獨對膜片進行試驗。在所有的試驗過程中，每0.1 s記錄一次膨脹度和壓力值，將每一片材料的壓力值在相同膨脹度上減去膜片的壓力值，然后繪制膨脹度-壓力圖。通過對圖線進行單峰擬合來確定每一片試樣的最大強度，最后將5次測量的最大壓力平均值作為該材料的脹破強度。
(4)?膜片的要求應滿足：厚度小于2 mm；具有高延伸性；膜片使用數次后，在脹破高度范圍內應具有彈性(試驗過程中觀察)；要有足夠的強度以保證在液壓下不破裂。
1.2 試驗儀器
使用了美國SDL Atlas公司生產的型號為M229的數字式自動頂破度測試儀，該儀器的測試范圍為0~6 000 kPa，分辨力為0.1 kPa。
1.3 試驗樣品
分別選取了足夠面積的熱熔非織造布(密度約為30 g/m2)、SMS非織造布(密度約為45 g/m2)和木漿水刺非織造布(密度約為80 g/m2)各一塊。
2 試驗結果
無論國外進口設備還是國產設備，目前在測試脹破強度時，都是記錄測試的液體壓力出現降低時(一定數值或百分比)的壓力作為最終測試值。對于一般的織物來說，由于脹破強度相較于膜片高出很多，延伸率小導致變形小，從而更加降低了膜片強度的影響，并且試驗往往以爆破結束，因此這種選取最終測試值的方法是適用的。但是對于非織造布來說，特別是熱熔布和SMS布，由于延伸率高，膜片隨之變形大，故由膜片產生的強度就高，再考慮到非織造布本身的強度值不高，因此導致膜片的強度對最終值的取得產生了巨大的影響。以試驗面積為10 cm2為例，數據圖線如圖 2(a)所示，測試SMS和熱熔非織造布時，儀器中液體的壓力沒有出現降低，而是由于受到膜片壓力的提升，而不斷升高，故儀器和軟件不能判斷樣品的脹破強度。
圖2
試驗面積為10 cm2的擴張度h和壓力值P
(a)原始數據圖線；(b)(熱熔布和SMS布)減去膜片后數據圖線
Figure2. Distance h and strength value P under the testing area of 10 cm2(a) original data curve; (b) the melt and SMS nonwoven's data after subtracting the membrane's value
將SMS和熱熔非織造布的數據減去膜片數據后，從再做出的圖線圖 2(b)可以明確看到出現了峰值，說明SMS和熱熔非織造布并不像織物一樣突然破裂，而是強度緩慢降低。根據圖線形式，可以采用高斯函數進行擬合，公式為：
| $ P={P_0} + A \bullet \exp \left[ {-0.5 \bullet {{\left({\frac{{h-{h_c}}}{W}} \right)}^2}} \right] $ |
式中P代表液體壓力，h代表擴張度，P0和A為擬合的中間參數。此函數在h=hc時，出現強度最大值，即脹破強度Pmax=P0+A；擬合出的參數hc即為脹破時的擴張度。
使用ISO 13938-1: 1999上規定的四種面積(7.3、10、50、100 cm2)分別進行試驗，并按照上述的方法進行處理，SMS和熱熔非織造布的脹破強度和參數如表 1和表 2所示。而木漿水刺非織造布由于出現了脹破點，因此直接用脹破時的數值減去膜片在此擴張度的數值，即為脹破強度。為增加數據的可靠性，按照標準要求，每種材料進行5次取樣試驗，計算5次的算數平均值作為最終結果，如表 3所示。從結果可以看出，三種非織造布雖然斷裂的方式不同，但是隨著試驗面積的增加，測試得到的數值都明顯減小。
表1
SMS非織造布試驗和擬合數據
Table1.
Testing and fitting data of the SMS nonwoven
表2
熱熔非織造布試驗和擬合數據
Table2.
Testing and fitting data of the melt nonwoven
表3
三種非織造布在不同試驗面積下的平均脹破強度
Table3.
Average burst strength of the three kinds of nonwoven under different testing area
3 討論
在金奎[9]的研究中，對玻璃纖維紙的脹破強度進行了試驗，并且從做功的角度給出了強度與單位寬度斷裂力、延伸率和試驗半徑之間的關系：
| $ \frac{{Pr}}{2}\Delta A\int {{F_T}{\delta _T}dx} + \int {{F_W}{\delta _W}dy} $ |
式中P為液壓，FT和FW代表橫向和縱向的斷裂力，δT和δW為橫向和縱向的斷裂延伸率，r代表試驗半徑，x和y分別代表橫向和縱向坐標，如圖 3所示。
圖3
徑向拉伸所做功的圖解
Figure3.
Graphic illustration of the work by radial drawing
ΔA可由下列公式進行計算：
| $ \Delta A=2\pi rh-\pi {r^2}=\pi {h^2} $ |
式中h代表擴張度，r代表試驗半徑。
在計算中，研究者一端用壓力和增加的面積計算所做的功，一端用橫向和縱向上材料所受的力和拉伸的距離計算所做的功(如圖 3所示)。但是，其中最大的問題就是液壓P是擴張度h的函數，而不是一個常數，因此公式左端應為∫P(h)ΔA(h)dh；同樣，FT和FW也應該是擴張度h的函數，因此這種算法并不能很好地用來表征試驗半徑和液體壓力的關系。
如果用更加嚴謹的方法進行分析，則該試驗可以抽象為：在邊界固定的情況下，圓形彈性薄板受到法向應力而發生位移和變形，如圖 4(a)所示。在擴張度不大的情況下，可以近似認為載荷q=q0，樣品的變形可以近似為如圖 4(b)所示。根據彈性力學的計算，位移分量可用下式表達[10]：
| $ \omega \left(x \right)=\frac{{{q_0}{r^4}}}{{64D}}{\left({1-\frac{{{x^2}}}{{{r^2}}}} \right)^2} $ |
| $ D=\frac{{E{t^3}}}{{12\left({1-{\upsilon ^2}} \right)}} $ |
圖4
應力應變示意圖
(a)實際情況；(b)近似后
Figure4. Schematic diagram of the stress and strain(a) actual diagram; (b) approximation diagram
其中，E為彈性模量，ν為泊松比，t為薄膜的厚度。因此，D代表了和薄膜的材料和厚度相關的參數，與試驗的參數無關。
計算樣品被脹起后的斷裂延伸率可用下式：
| $ \delta=\frac{{\int\limits_0^r {\sqrt {1 + \omega '{{\left(x \right)}^2}dx} } }}{r} $ |
將式(8)代入：
| $ \delta=\frac{{\int\limits_0^r {\sqrt {1 + {{\left[ {{q_0}x\left({{x^2}-{r^2}} \right)/16D} \right]}^2}dx} } }}{r} $ |
考慮到材料的斷裂延伸率是一定的，因此式(11)可以看作載荷q0與試驗半徑r的一般性關系公式。
為了能得到一個較為簡略的表達式，可以近似將膨脹后的位移認為是線性的，這在擴張度不大的情況下是可以接受的。那么式(8)變為：
| $ \omega \left(x \right)=\frac{{{q_0}{r^4}}}{{64D}}-\frac{{{q_0}{r^3}}}{{64D}}x $ |
將式(12)代入式(10)，得：
即
| $ {q_0}=64D\sqrt {\delta-1} \bullet \frac{1}{{{r^3}}}=\frac{k}{{{r^3}}} $ |
式中，是僅與材料性能與厚度有關系的參數。
式(13)近似地給出了載荷(即液體壓力)與試驗面積的關系。分別將三種非織造布在四個試驗面積下的數據按照式(13)進行擬合，結果如圖 5所示。從圖中可以看出，在試驗半徑較小的區域，實驗數據較好的符合擬合公式，但在試驗半徑較大的區域，情況正好相反。這是由于受到載荷被近似的影響：試驗半徑較大，脹破時的擴張度也相應變大(如表 1和表 2所示)，這時再近似認為載荷是保持同一方向的，會產生較大的偏差。
圖5
試驗半徑和脹破強度的擬合圖
Figure5.
Fitting curves of the burst strength and the testing radius
4 結論
在測試脹破強度時，由于非織造布(特別是SMS和熱熔非織造布)延伸率高、強度低等特點，使得目前針對織物測試的儀器和軟件不能準確地進行測試。本文采取利用樣品的數據減去膜片的數據，再進行類高斯擬合的方法，能夠很好地測試非織造布的脹破強度。
隨著試驗面積的增加，脹破強度測試所得結果明顯減小。通過彈性力學的分析，給出了液體壓力和試驗面積的一般性關系公式；通過計算，得到近似公式：，在試驗半徑較小時，與實驗數據具有較好的一致性。
