超高分子量聚乙烯纖維耐酸堿性能測(cè)試方法探討

蔣玲玲，尚 斌，胡偉偉，孫麗麗

（1.連云港市纖維檢驗(yàn)中心，江蘇 連云港 222000；2.江蘇省高性能纖維產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 連云港 222000）

超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纖維又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是一種新型高性能纖維，與碳纖維、芳綸并稱為當(dāng)今世界三大高科技纖維[1-2]，是我國唯一具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的高性能纖維[3]。UHMWPE纖維性能優(yōu)異，其比強(qiáng)度和比模量堪稱當(dāng)今世界纖維之最，同時(shí)，其結(jié)晶度高，無活性官能團(tuán)，表面能低，擁有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于超級(jí)油輪、海洋操作平臺(tái)、燈塔等的固定錨繩；海纜、海洋捕撈拖網(wǎng)、大型海洋養(yǎng)殖網(wǎng)箱等海洋工程；手術(shù)縫合線、牙托材料、醫(yī)用移植物等醫(yī)療衛(wèi)生方面；耐壓容器、傳送帶、過濾材料、汽車緩沖板等工業(yè)工程。

1 相關(guān)背景

UHMWPE纖維具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，因此，纖維生產(chǎn)企業(yè)和下游應(yīng)用客戶對(duì)于其耐化學(xué)腐蝕性能具有相應(yīng)的檢測(cè)需求。UHMWPE纖維現(xiàn)行有效的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29554—2013《超高分子量聚乙烯纖維》[4]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 54027—2022《超高分子量聚乙烯長絲》[5]，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都只是對(duì)UHMWPE纖維的常規(guī)性能作出了規(guī)定，包括線密度、力學(xué)性能及外觀等，而對(duì)于耐酸堿性能這一相關(guān)性能指標(biāo)并未作出規(guī)定以及提供相應(yīng)的檢測(cè)方法。

參考其他高性能纖維耐酸堿性能測(cè)試方法，F(xiàn)Z/T 52017—2011《聚苯硫醚短纖維》[6]附錄A為聚苯硫醚纖維的耐酸堿性能提供了測(cè)試方法，GB/T 33617—2017《聚酰亞胺短纖維》[7]附錄C和GB/T 35441—2017《聚酰亞胺長絲》[8]附錄B為聚酰亞胺短纖維和長絲的耐酸性能提供了測(cè)試方法。其中，F(xiàn)Z/T 52017和GB/T 33617標(biāo)準(zhǔn)中的酸堿或酸處理對(duì)象都是短纖維，GB/T 35441處理對(duì)象雖然是長絲，但是將長絲剪成短纖維后再按短纖維的酸堿處理方式進(jìn)行處理。吉林省地方標(biāo)準(zhǔn)DB22/T 2410—2015《聚酰亞胺纖維耐酸堿性能測(cè)試方法》[9]對(duì)聚酰亞胺短纖維和長絲分別提出了酸堿處理方法，不同于國標(biāo)的是，該標(biāo)準(zhǔn)并未將長絲剪成短纖維進(jìn)行酸堿處理，而是將長絲纏繞成適當(dāng)大小的圈后，用四氟帶輕輕系好，所用酸堿處理裝置仍然等同于該標(biāo)準(zhǔn)中短纖維酸堿處理裝置，與GB/T 33617和GB/T 35441國家標(biāo)準(zhǔn)中的也相同。

UHMWPE纖維自身結(jié)構(gòu)不同于聚酰亞胺纖維，聚酰亞胺纖維纏繞酸堿處理后可以很容易地分開成單束進(jìn)行拉伸測(cè)試，且不會(huì)受到其他人為導(dǎo)致的強(qiáng)力損傷，但是若將UHMWPE長絲纏繞后進(jìn)行酸堿處理，會(huì)導(dǎo)致UHMWPE長絲粘連纏結(jié)，處理后無法將其順利分開，在伸直以及清洗、干燥過程中容易對(duì)絲造成人為的強(qiáng)力損傷，影響其酸堿處理后的力學(xué)性能測(cè)試，無法客觀真實(shí)地反映出UHMWPE纖維的耐酸堿性能。綜上所述，上述標(biāo)準(zhǔn)中所用酸堿處理裝置以及試驗(yàn)條件對(duì)UHMWPE纖維并不適用，這些檢測(cè)方法并不適用于UHMWPE纖維耐酸堿性能測(cè)試，因此，需要一種能直接表征UHMWPE纖維耐酸堿性能的測(cè)試方法用于指導(dǎo)生產(chǎn)和應(yīng)用。

2 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

在UHMWPE纖維耐酸堿性能測(cè)試方法研究過程中，為反映UHMWPE纖維的耐酸堿性能，采用的是斷裂強(qiáng)力保持率及斷裂伸長率保持率這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行表征，這兩個(gè)指標(biāo)是通過拉伸試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)試樣酸堿處理前后的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算得出的。因此，酸堿處理后的力學(xué)性能的真實(shí)反映尤其重要，該測(cè)試值應(yīng)該是單純的酸堿處理造成的強(qiáng)力和伸長的損失，而不應(yīng)該是在酸堿處理過程中由其他因素造成的損失。因此，酸堿處理環(huán)境的穩(wěn)定性、酸堿處理裝置的適用性以及酸堿處理的條件（濃度、溫度、時(shí)間）尤為關(guān)鍵，這也是UHMWPE纖維耐酸堿性能測(cè)試方法研究過程中擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 設(shè)計(jì)一套適用于測(cè)試UHMWPE纖維耐酸堿性能的裝置

根據(jù)UHMWPE纖維自身結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，用于UHMWPE纖維酸堿處理的裝置應(yīng)該滿足以下要求：

（1）根據(jù)拉伸性能測(cè)試要求以及GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》規(guī)定，UHMWPE長絲拉伸試驗(yàn)次數(shù)為同一個(gè)卷裝測(cè)試10次。因此，為滿足強(qiáng)力測(cè)試的樣品數(shù)量要求，該裝置應(yīng)能容納一定長度的UHMWPE纖維同時(shí)進(jìn)行酸堿處理。

（2）該裝置應(yīng)能保證UHMWPE長絲之間不會(huì)粘連纏結(jié)（對(duì)于短纖，可以直接密封浸泡處理），UHMWPE纖維應(yīng)在伸直放松的狀態(tài)下進(jìn)行酸堿處理。

（3）該裝置應(yīng)密封，保證酸堿處理?xiàng)l件的穩(wěn)定性，防止一定濃度的酸堿試劑在一定溫度下長時(shí)間作用造成酸堿試劑的揮發(fā)，進(jìn)而影響試劑的濃度。

（4）該裝置應(yīng)能方便酸堿試劑的填充和釋放，且樣品不用卸載就能進(jìn)行清洗和干燥處理，以防造成UHMWPE長絲之間的粘連纏結(jié)。

（5）該裝置應(yīng)保證水浴或油浴等液體在樣品的酸堿處理期間保持恒溫作用而不揮發(fā)，以免造成夜間電路短路等事故。

綜上，裝置的設(shè)計(jì)要充分考慮到UHMWPE纖維在酸堿處理過程中不會(huì)受到其他因素導(dǎo)致的強(qiáng)力損傷以及酸堿處理環(huán)境、酸堿處理?xiàng)l件的改變。

2.2 測(cè)試條件和參數(shù)的優(yōu)化選擇

通過正交試驗(yàn)，本研究分析了試劑濃度、處理溫度、處理時(shí)間等酸堿處理影響因素，設(shè)置行之有效的參數(shù)，得出一套可行的試驗(yàn)方案，建立了一種適用于UHMWPE纖維的耐酸堿性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)體系。

2.3 測(cè)試結(jié)果的指標(biāo)表征

2.3.1 UHMWPE短纖維

在進(jìn)行UHMWPE短纖維拉伸強(qiáng)力測(cè)試時(shí)，由于UHMWPE纖維易打滑，單纖強(qiáng)力儀夾具無法夾持，無法測(cè)得短纖維強(qiáng)力值，可采用貼片處理的方式進(jìn)行夾持拉伸，可參照FZ/T 50046—2019《高模量纖維 單纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》[10]對(duì)UHMWPE短纖維進(jìn)行酸堿處理前后的強(qiáng)力和伸長率檢測(cè)。

2.3.2 UHMWPE長絲

根據(jù)GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》[11]測(cè)試UHMWPE長絲酸堿處理前后的強(qiáng)力和伸長率。

2.3.3 結(jié)果表征

通過計(jì)算得出的斷裂強(qiáng)力保持率及斷裂伸長率保持率這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)UHMWPE纖維耐酸堿性能進(jìn)行表征，計(jì)算公式如下：

式中：λ為斷裂強(qiáng)力保持率；f1為處理前纖維平均斷裂強(qiáng)力，cN；f2為處理后纖維平均斷裂強(qiáng)力，cN；τ為斷裂伸長率保持率；ξ1為處理前纖維平均斷裂伸長率，%；ξ2為處理后纖維平均斷裂伸長率，%。計(jì)算結(jié)果均修約到小數(shù)點(diǎn)后一位。

3 結(jié)語

以上方法正是基于我國UHMWPE纖維行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用需求提出的。通過設(shè)計(jì)一套能保證UHMWPE纖維在酸堿處理過程中不會(huì)受到其他因素導(dǎo)致的強(qiáng)力損傷以及具有穩(wěn)定的酸堿處理環(huán)境、酸堿處理?xiàng)l件的UHMWPE纖維酸堿處理裝置，通過拉伸試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)試樣酸堿處理前后的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并用斷裂強(qiáng)力保持率及斷裂伸長率保持率兩個(gè)指標(biāo)來表征UHMWPE纖維的耐酸堿性能，探索建立一種適用于UHMWPE纖維的耐酸堿性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)體系，可以真實(shí)客觀地反映UHMWPE纖維耐酸堿性能的優(yōu)劣，為下游終端產(chǎn)品在特定工況下的使用壽命預(yù)判提供依據(jù)，指導(dǎo)該領(lǐng)域UHMWPE纖維的技術(shù)創(chuàng)新和開發(fā)，進(jìn)一步提升國產(chǎn)UHMWPE纖維產(chǎn)品的國際競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為國產(chǎn)UHMWPE纖維標(biāo)準(zhǔn)化體系的建設(shè)提供借鑒。