兩種UHMWPE復(fù)絲力學(xué)性能分析

張曉超　周魯豫

摘要：

本文對兩種用于繩索編織的不同細(xì)度的UHMWPE復(fù)絲的力學(xué)性能進(jìn)行研究。通過測試其單絲細(xì)度、復(fù)絲細(xì)度、復(fù)絲斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長、斷裂強(qiáng)度、初始模量、復(fù)絲蠕變等性能，綜合比較得知A復(fù)絲的性能較好，在實(shí)際使用中不易變形，滿足繩索尺寸穩(wěn)定的要求。

關(guān)鍵詞：UHMWPE纖維；復(fù)絲；力學(xué)性能

超高強(qiáng)度聚乙烯纖維是繼碳纖維和芳綸之后出現(xiàn)的又一種高強(qiáng)度、高模量的高性能纖維。UHMWPE（超高分子量聚乙烯）纖維具有高相對分子質(zhì)量、高取向度、高結(jié)晶度以及高度纏結(jié)的分子鏈結(jié)構(gòu)，同時具有密度比水低、化學(xué)穩(wěn)定性好，且耐磨耐彎曲性能好、張力疲勞性能和抗切割性能強(qiáng)等優(yōu)異的性能，因此其以極優(yōu)的綜合性能成為航空航天、防彈防刺等國防領(lǐng)域和汽車制造、運(yùn)動器材、勞動防護(hù)用品等民用領(lǐng)域的理想材料。

繩索的性能受許多因素影響，主要影響因素是繩索結(jié)構(gòu)和制繩材料的性能，因此本文對兩種繩索材料的基本性能參數(shù)進(jìn)行測試和分析，為繩索力學(xué)性能分析提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)儀器：Instron3300系列萬能試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)材料： UHMWPE復(fù)絲材料（青島華世潔環(huán)?？萍加邢薰咎峁；緟?shù)見表1。

1.2 測試方法

按GB/T 19975—2005進(jìn)行測試：斷裂強(qiáng)力試驗(yàn)夾持間距為300mm，預(yù)加張力為1N，試樣拉伸速度為250 mm/min，試驗(yàn)測試次數(shù)為10次；蠕變性能測試A、B復(fù)絲分別選取82 N、147 N作為重負(fù)荷，拉伸速度為50 mm/min，試驗(yàn)測試5次。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHMWPE復(fù)絲的斷裂強(qiáng)力

如圖1為兩復(fù)絲的強(qiáng)力-伸長曲線圖，試驗(yàn)得A復(fù)絲的斷裂強(qiáng)力為116.49 N，斷裂伸長率為2.77%；B復(fù)絲的斷裂強(qiáng)力為183.91 N，斷裂伸長率為3.75%。因兩復(fù)絲粗細(xì)不同，經(jīng)計算A復(fù)絲斷裂強(qiáng)度為20.20 cN/dtex，B復(fù)絲斷裂強(qiáng)度為17.43 cN/dtex。

圖2為兩復(fù)絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，從圖中可看出A復(fù)絲應(yīng)力應(yīng)變曲線初始段的斜率大于B復(fù)絲，即A復(fù)絲的初始模量較B復(fù)絲大，因此A復(fù)絲在小負(fù)荷力作用時，更不容易發(fā)生變形。

2.2 UHMWPE復(fù)絲蠕變性能

兩復(fù)絲進(jìn)行蠕變測試，測試后得到蠕變曲線如圖3所示，從中可看出，當(dāng)作用應(yīng)力相同的情況下，B復(fù)絲比A復(fù)絲更容易發(fā)生蠕變。由于UHMWPE纖維分子結(jié)構(gòu)簡單，分子間沒有氫鍵，其范德華作用力也僅為色散力，則纖維分子間作用力較小，因此UHMWPE纖維在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生蠕變。從表2中可看出，A復(fù)絲的E1、E2、η2、η3均大于B復(fù)絲，說明A復(fù)絲的普彈性形變小，這是因?yàn)锳復(fù)絲的初始模量較B復(fù)絲大，同時A復(fù)絲的高彈性形變和粘性流動均比B復(fù)絲小，所以B復(fù)絲更容易發(fā)生蠕變。

3 結(jié)論

對UHMWPE纖維復(fù)絲力學(xué)性能進(jìn)行測試分析，得出細(xì)度為58.83 tex的復(fù)絲單絲強(qiáng)度為20.2 cN/dtex，斷裂伸長率為2.77 %；細(xì)度為105.50 tex 的復(fù)絲單絲強(qiáng)度為17.43 cN/dtex，斷裂伸長率為3.75%；A復(fù)絲初始模量大于B復(fù)絲，而斷裂伸長率比B復(fù)絲小；定應(yīng)力情況下A復(fù)絲的抗蠕變性能比B復(fù)絲要強(qiáng)，在實(shí)際使用中更不易變形。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張艷.超高分子量聚乙烯纖維在防彈和防刺材料方面的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，（10）：32.

[2] 尹曄東.超高分子量聚乙烯纖維的發(fā)展?fàn)顩r[J].化工新型材料，2008，36（10）：51.

[3] 汪家銘.高強(qiáng)高模聚乙烯纖維發(fā)展概況與應(yīng)用前景[J].合成纖維工業(yè)，2009，32（3）：47-48.

[4] Bruska Azhdar， Bengt Stenberg， Leif Kari. Development of a high-velocity compaction process for polymer powders [J]. Polymer Testing， 2005， 24（7）：909-919.

[5] 徐明忠，趙國樑.超高分子量聚乙烯纖維蠕變性能研究進(jìn)展[J].合成纖維工業(yè)，2012， 35（2）：44-45.

（作者單位：張曉超，新疆塔城地區(qū)纖維檢驗(yàn)所；周魯豫，青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院）endprint