二維編織芳綸包芯繩的蠕變性能分析

韓秋紅 楊彩云

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

芳綸具有優(yōu)良的力學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能和理想的機(jī)械性能，芳綸繩在船舶配備、漁業(yè)捕撈、港口裝卸、電力施工、石油勘探、體育用品、國防科研、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］。芳綸可用于制作高檔的絲繩，如航空航天降落傘繩、海上油田用的支撐繩等。芳綸絲繩在海洋中使用時不僅經(jīng)得起海浪的沖刷，而且藻類、貝類等海洋生物也難以在絲繩上寄生［2］。芳綸浸膠線繩是V形帶、風(fēng)扇帶、同步驅(qū)動帶以及發(fā)動機(jī)、空調(diào)用軟管、彎管等橡膠制品理想的骨架材料，在發(fā)達(dá)國家它作為人造絲、玻璃絲、錦綸、棉、聚酯線繩及鋼絲的替代產(chǎn)品［3］。芳綸繩索在減重、易儲存方面的優(yōu)勢，使其具有替代鋼鏈和鋼繩索的潛能［4］。

蠕變是化學(xué)纖維存在的主要問題之一，因長期蠕變而導(dǎo)致的破壞也是纖維在應(yīng)用中迫切需要解決的問題。由于繩索使用的領(lǐng)域各異，蠕變會帶來尺寸、形態(tài)的不穩(wěn)定，也影響結(jié)構(gòu)的可靠性、耐用性和使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中具體表現(xiàn)在：①若繩用于緊緊地固定物體，蠕變會使緊固度降低，繩發(fā)生蠕變并伴隨產(chǎn)生應(yīng)力松弛;②若繩用于承擔(dān)載荷，雖然載荷可能遠(yuǎn)低于斷裂載荷，持續(xù)的伸長也會導(dǎo)致繩索斷裂［5］。因此，在使用中掌握繩的蠕變性能和蠕變規(guī)律是十分必要的，需要在考慮強(qiáng)度的同時，確保其不會在使用壽命內(nèi)發(fā)生顯著的性能衰減。本文設(shè)計并編織了4種不同規(guī)格的二維編織芳綸包芯繩，并對其蠕變性能進(jìn)行了測試與分析，為合理選用繩索結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 試驗材料

芳綸是芳香族聚酰胺類纖維的統(tǒng)稱，國外商品名叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國命名為芳綸。本試驗采用的材料為Kevlar 49，它是美國杜邦公司生產(chǎn)的一種單體芳綸，為高模量長絲紗線。表1為Kevlar 49長絲紗5次拉伸測試結(jié)果。

表1 試驗原料參數(shù)

編織繩是兩組編織紗在一個由一束芯紗組成的基圓上相互交織，并覆蓋在芯紗表面而形成一個緊密結(jié)構(gòu)層。兩組編織紗按同一斜度相互交織形成編織繩，其編織紗一上一下的交織規(guī)律類似機(jī)織物中的平紋［6］。編織繩的設(shè)計一般包括直徑、芯紗根數(shù)、織機(jī)錠數(shù)和編織節(jié)距等內(nèi)容?？棛C(jī)錠數(shù)是編織紗的根數(shù)，編織節(jié)距為上機(jī)設(shè)置的參數(shù)，即一個節(jié)距的長度是在生產(chǎn)時錠子完整地旋轉(zhuǎn)一圈繩索的編織長度，用mm表示。本試驗設(shè)計了4組編織繩的結(jié)構(gòu)，如表2所示。樣品在GBJ90型高速編織機(jī)上織造，芳綸繩直徑的測量參照GB/T3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》。

表2 二維編織芳綸包芯繩的規(guī)格

2 試驗方法

目前二維編織芳綸包芯繩蠕變性能的測試還沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，本文參照紗線及復(fù)合材料的蠕變測試方法，設(shè)計了二維編織芳綸包芯繩的試驗方法，即在施加恒定載荷下對材料進(jìn)行拉伸蠕變試驗，測定芳綸繩蠕變變形與時間的關(guān)系。這種裝置的特點(diǎn)是可以對材料進(jìn)行不同恒定應(yīng)力和溫度下的蠕變試驗，操作簡單且載荷容易保持恒定。芳綸具有較高的強(qiáng)度和模量，并且它的高結(jié)晶和各向異性使得其具有非常低的蠕變，測量芳綸繩索時需要采集到較高精度的位移讀數(shù)。變形測量系統(tǒng)需在加載后能隨著加載時間的增加而自動連續(xù)地測定試樣的形變，形變的測定精度一般要求達(dá)到測定形變的±1%。

蠕變試驗的程序設(shè)置如下：試驗儀器為INSTRON 3369型萬能強(qiáng)力機(jī)，啟動Bluehill萬能材料試驗的測試軟件，進(jìn)入操作界面進(jìn)行試驗方法設(shè)置，選擇國際單位制單位系統(tǒng)，輸入試樣的幾何形狀、長度、最終長度和最終直徑。測試控制部分的斜線段部分選擇控制模式為位移，可設(shè)置相應(yīng)的速度;保持部分選擇保持階段控制模式為載荷，保持開始的標(biāo)準(zhǔn)為載荷，保持值處可進(jìn)行設(shè)置;測試結(jié)束部分設(shè)置數(shù)據(jù)采集的時間間隔，可根據(jù)需要設(shè)置。曲線圖的橫坐標(biāo)定義為耗時(s)，縱坐標(biāo)定義為位移(mm)。選擇導(dǎo)出文檔格式、導(dǎo)出結(jié)果以及導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)選項。保存蠕變測試方法，對試樣進(jìn)行夾持后即可進(jìn)行測試。

二維編織芳綸包芯繩的夾持裝置如圖1所示。夾持間距為540 mm，加載速度為25 mm/min，測試時間為2 h，溫度為25℃，濕度為65%，預(yù)加張力C-1～C-4分別為30、40、35和37 N，保持載荷為300 N。

圖1 夾持裝置

3 芳綸的蠕變機(jī)理

蠕變現(xiàn)象是在一定溫度和遠(yuǎn)低于該材料斷裂強(qiáng)度的恒定外力作用下，材料的形變隨時間增加而逐漸增大的現(xiàn)象，最典型的特征是材料的變形與時間緊密相關(guān)。芳綸的蠕變行為屬于黏彈性行為的范疇，黏彈性是指材料在外力作用下，彈性和黏性兩種變形機(jī)理都同時存在的力學(xué)行為，其特征是應(yīng)變對應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬間完成的，需要一個弛豫過程，但卸載后應(yīng)變可恢復(fù)到初始值，不留下參與變形。

蠕變行為可以直觀地用蠕變曲線表示，根據(jù)蠕變曲線的斜率可以很容易地判斷出曲線分三個階段：第一階段為初始蠕變，這個階段發(fā)生非晶調(diào)整，蠕變率是逐漸減小的，并且這一階段的伸長是可逆的;第二階段為穩(wěn)態(tài)蠕變，它是不可逆的，一般所指的蠕變速率就是此階段的蠕變速率值，它是衡量材料抗蠕變性能的重要指標(biāo);在第三階段分子鏈開始斷裂，纖維中的細(xì)絲發(fā)生頸縮，局部應(yīng)力增加，最終導(dǎo)致蠕變斷裂。對于工程分析，通常最關(guān)心蠕變的第一和第二階段，第三階段蠕變通常與開始破壞(頸縮、損壞)有關(guān)，且時間較短。

芳綸的黏彈性蠕變?nèi)Q于其結(jié)構(gòu)因素，主要包括：①聚合物分子量，蠕變來自分子鏈的纏結(jié)產(chǎn)生的黏性和彈性;②交聯(lián)狀態(tài)，高聚物的交聯(lián)程度與分子滑移直接相關(guān);③共聚和增塑作用的影響;④結(jié)晶化的影響，結(jié)晶度減小蠕變;⑤聚合物分子結(jié)構(gòu)的影響，分子鏈柔曲性和分子鏈間作用力大小反映出其蠕變性能，分子鏈愈柔曲，分子鏈間作用力愈小，其蠕變就愈明顯。Kevlar纖維的大分子剛性極佳，鏈纏結(jié)少，取向度、結(jié)晶度高，分子鏈幾乎處于完全伸直狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、模量及抗蠕變性能。

4 測試結(jié)果及分析

4.1 二維編織包芯結(jié)構(gòu)對蠕變性能的影響

芳綸繩的蠕變行為與其加工工藝及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)。圖2為4個樣品的蠕變曲線圖。

對纖維、繩索等長徑比很大的材料，我們主要考慮其長度方向的蠕變，稱之為一維蠕變。試樣在承受外力后單位長度的形變稱為蠕變應(yīng)變。由于芳綸繩在拉伸試驗到300 N的過程中會有一定的初始伸長，因此，以載荷保持300 N時為位移變化的起始，選取了5個時間節(jié)點(diǎn)計算其應(yīng)變值，見圖3。其中5個時間節(jié)點(diǎn)分別為600、1 800、3 600、5 400和7 100 s。

C-1和C-2為8錠，C-3和 C-4為16錠，將同樣錠數(shù)的芳綸繩放在一組進(jìn)行分析。從圖3中可以看出，每組中相同載荷下，隨著時間的增加芳綸繩的應(yīng)變均呈增長趨勢，并且組內(nèi)兩個樣品的蠕變應(yīng)變差異越來越明顯。在8錠和16錠各組內(nèi)，芳綸繩的蠕變應(yīng)變隨著芯紗根數(shù)的增加而減小，即10芯繩的蠕變大于14芯繩，17芯繩的蠕變大于25芯繩。16錠芳綸繩的抗蠕變性能明顯優(yōu)于8錠芳綸繩。8錠兩個樣品的芯紗相差4根，16錠兩個樣品的芯紗相差8根，由圖3可以清楚地看出，芯紗根數(shù)較少時不同規(guī)格的芳綸繩的蠕變差異明顯較大。

通過分析4個二維編織芳綸繩樣品參數(shù)的差異，可以得出試驗中蠕變差異的原因。二維編織包芯繩由編織紗和芯紗組成，編織紗以一定的角度相互交織包裹在芯紗的外面，這樣的結(jié)構(gòu)使得編織紗和芯紗兩部分的相互聯(lián)系較弱，一般是依靠織造過程中對節(jié)距的選取和調(diào)整，使兩部分成為一個外觀均勻且具有一定緊密度的整體。在測試過程中，夾頭直接接觸編織紗產(chǎn)生握持力。8錠芳綸繩的直徑小于16錠芳綸繩，使得這種因結(jié)構(gòu)原因的蠕變作用差異較明顯，直徑較大的芳綸繩因芯紗根數(shù)較多而影響較弱。另外，同樣載荷下，分配到每根芳綸紗線上的作用力大小是不同的，承力較大的芳綸紗線產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變較大。

圖2 芳綸繩樣品的蠕變位移時間曲線

4.2 預(yù)加張力的影響

伸長與預(yù)加載的大小有關(guān)。在試驗過程中為了進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)會進(jìn)行短期的預(yù)加載，預(yù)加載只持續(xù)幾秒鐘，黏彈性變形很小，纖維緩緩回復(fù)到一個新的平衡狀態(tài)。同時，施加預(yù)加張力是為了消除纖維初始伸直不佳的情況。

圖3 芳綸繩的蠕變應(yīng)變時間曲線

若試驗前將纖維預(yù)加載到高于蠕變的應(yīng)力水平，纖維對靜態(tài)載荷的滯彈性反應(yīng)將大大減小，主要是由于初始高加載減小了第二階段的塑性變形［7］。本試驗所采用的預(yù)加張力遠(yuǎn)小于蠕變時的恒定載荷，使繩在保持伸直的狀態(tài)下不至于產(chǎn)生過大的初始伸長，可使蠕變試驗結(jié)果的精度和可靠性達(dá)到要求。

5 結(jié)語

分析4種不同規(guī)格二維編織芳綸包芯繩在載荷300 N、測試時長2 h的蠕變曲線，得到以下結(jié)論：

(1)芳綸在低應(yīng)力水平下呈現(xiàn)非線性黏彈性現(xiàn)象，總體上說，芳綸二維編織包芯繩的抗蠕變性能優(yōu)良，蠕變應(yīng)變均在10－4數(shù)量級。

(2)C-1～C-4芳綸繩的蠕變應(yīng)變均隨時間的延長而增大，蠕變率依次降低，不同規(guī)格參數(shù)的芳綸繩蠕變率變化的時間周期逐步變長。

(3)二維編織包芯結(jié)構(gòu)在較大程度上影響芳綸繩的蠕變性能，芳綸繩直徑較小時蠕變應(yīng)變較大，蠕變應(yīng)變的差異受芯紗根數(shù)的影響較明顯，繩直徑較大時則影響較弱。

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