超高分子量聚乙烯纖維的拉伸熱老化性能研究

羅 峻，鄧 華，黎仲明，鐘鉅全

(廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州 511447)

超高分子量聚乙烯纖維的拉伸熱老化性能研究

羅 峻，鄧 華，黎仲明，鐘鉅全

(廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州 511447)

設計并利用拉伸老化測試裝置，在傳統(tǒng)人工加速老化因素的條件下，增加持續(xù)受力因素，考察了超高分子量聚乙烯纖維的拉伸熱老化性能。結果表明：在拉伸狀態(tài)下，超高分子量聚乙烯纖維的老化將會加快。

拉伸；熱老化；人工加速老化；超高分子量聚乙烯纖維

1 老化試驗研究現(xiàn)狀

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)通常定義為相對分子量在100萬以上的線性聚乙烯，由于其具有優(yōu)異的綜合性能，成為繼碳纖維和芳綸纖維之后的第三代高性能纖維[1-2]。UHMWPE為線型伸直鏈結構，取向度近乎100%，其力學強度比碳纖維高2倍，比芳綸纖維高40%。由于UHMWPE纖維具有高強力、質(zhì)輕(密度比水小能浮于水面)、高模量、耐腐蝕、耐磨損、耐光照、柔韌性好等良好性能及特點，特別適用于海洋用繩。UHMWPE纖維雖然在漁業(yè)中的應用時間不長，但用其制作的繩索在歐美、日本已成為漁業(yè)從業(yè)者最受歡迎的新材料之一[3]。

高分子材料在實際使用過程中，難免會受熱、光照、高能輻射、潮濕、持續(xù)受力等環(huán)境及應用因素的綜合作用，逐步發(fā)生老化，導致性能下降，甚至失去使用價值，更甚者會釀成安全事故[4]。評價高分子材料在實際工作環(huán)境中的耐老化性能，成為其應用的一大研究方向[5]。目前，主要形成了兩類老化試驗方法：一類是自然老化試驗方法，即直接利用自然環(huán)境(真實工況環(huán)境)進行的老化試驗；另一類是人工加速老化試驗方法，即在實驗室模擬自然環(huán)境和工作情況的某些老化因素進行的老化試驗。由于老化因素的多樣性及老化機理的復雜性，自然老化無疑是最重要、最可靠的老化試驗方法，但是，自然老化周期相對較長，不同年份、季節(jié)、地區(qū)氣候條件的差異性導致了試驗結果的不可比性；而人工加速老化試驗模擬強化了自然氣候中的某些重要因素，如陽光、溫度、濕度等，縮短了老化試驗的周期，且由于試驗條件的可控性，試驗結果再現(xiàn)性強。人工老化作為自然老化的重要補充，正廣泛運用于高分子材料的研究、開發(fā)、檢測中[6]。

作為海洋繩用UHMWPE纖維，長期處于高強受力狀態(tài)，加上海水浸泡、紫外輻照等多種環(huán)境因素的腐蝕，其性能將隨著老化而下降，進而有可能造成安全問題。因此，針對海洋環(huán)境下使用的UHMWPE纖維在一定老化程度后力學性能變化將會是一個非常重要的研究方向[7]。國內(nèi)外對UHMWPE纖維的研究主要集中在生產(chǎn)應用中的擴大化生產(chǎn)工藝和UHMWPE繩索的物理機械性能研究以及UHMWPE繩索同其他纖維繩索的性能比較研究上[8-12]，對其加速老化及其性能變化上也有少量報道，但老化過程大多集中鹽霧、溫度、輻照等因素上，目前并沒有一個測試方法和儀器可模擬待測樣品在受力情況下的老化過程。

為了研究真實使用狀態(tài)下UHMWPE纖維老化后的力學性能，在實驗室的人工加速老化過程中需給纖維一個持續(xù)的牽伸力，模擬其長期受力的狀態(tài)。我們設計了一種拉伸老化測試固定裝置，以便結合鹽水浸泡、輻照、熱老化等條件，更貼合實際工況對海洋繩用UHMWPE進行人工加速老化試驗。

2 拉伸老化測試裝置

拉伸老化測試裝置設計如圖1所示。該拉伸老化測試固定裝置及測試方法可以將待測樣品在一定預加張力的情況下，進行高溫、輻射或腐蝕性溶液等老化模擬過程的測試，操作簡單，實用性強，可廣泛應用在需要對待測樣品進行拉伸老化測試，并且待測樣品的拉伸長度可控，操作靈活。圖2為拉伸老化測試裝置夾持樣品及進行干熱測試時照片。

圖1 拉伸老化測試裝置設計圖

3 試驗部分

3.1 樣品與儀器

超高分子量聚乙烯纖維由中國科學院寧波材料所顧群課題組提供，由凝膠浴紡絲，三次倍熱牽伸所得，線密度為538 dtex。

3.2 測試方法

采用單纖斷裂強度作為評價指標。力學測試依據(jù)GB/T 14337-2008進行，采用全自動單纖維萬能測試儀(FAVIMAT AIROBOT2，德國TEXTECHNO公司)測試單絲纖維的斷裂強力和斷裂伸長率，測試根數(shù)50根，夾持長度20 mm，拉伸速度20 mm/min，預加張力0.45～0.55 cN/dtex。

3.3 老化方法

干熱：將樣品置于已達預設溫度的恒溫烘箱(UF55plusB0，德國Memmert公司)中進行干熱老化，到設定時間取出。

濕熱：按照ASTM D1141-2013配備人造海水，裝入密封盒內(nèi)，密封后放入恒溫烘箱(UF55plusB0，德國Memmert公司)中調(diào)節(jié)水溫至設定溫度，水溫偏差不大于1 ℃時，將試樣放入密封盒中，老化至設定時間，取出試樣。

受力：將試樣纏結于拉伸老化測試裝置上，調(diào)節(jié)上端旋鈕使其纖維伸直，測定其長度。按預設伸長率調(diào)節(jié)旋鈕使其到達預設伸長度，再進行干熱或濕熱老化，如圖2(a)所示。

3.4 結果與討論

根據(jù)前期研究成果，90 ℃熱老化溫度能較快地顯示出UHMWPE纖維的老化變化趨勢，因此，本研究選用90 ℃作為干熱和濕熱老化的溫度。選擇的老化時間為10、35、100天。拉伸老化測試裝置中纖維的有效長度約為30 cm，拉伸長度為2.0%。不同老化時間、90 ℃干熱老化后UHMWPE纖維的單線斷裂強度測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

(a)受力拉伸狀態(tài) (b)非受力拉伸狀態(tài)圖2 樣品老化測試狀態(tài)圖

圖3 干熱老化條纖斷裂強力圖

從圖3數(shù)據(jù)分析可看出，UHMWPE纖維在非拉伸和拉伸狀態(tài)下的干熱老化都會造成其斷裂強力的下降。在老化開始的前10天，斷裂強力下降較慢；從10天開始，斷裂強力迅速下降；隨著老化時間的增加，下降趨勢逐漸緩和。100天90 ℃干熱老化后，樣品在非拉伸狀態(tài)下斷裂強力下降35%；在拉伸狀態(tài)下斷裂強力下降40%。

對相同的樣品，我們也進行了非拉伸和拉伸狀態(tài)下的濕熱老化試驗，老化后單纖斷裂強力如圖4所示。濕熱老化后單纖強力變化趨勢與干熱老化后的數(shù)據(jù)相近，均呈現(xiàn)出緩和——急降——緩和的趨勢。100天90 ℃濕熱老化后，樣品在非拉伸狀態(tài)下斷裂強力下降78%；在拉伸狀態(tài)下斷裂強力下降73%，濕熱老化造成纖維單纖強力的衰減程度較干熱老化弱，可以認為是在濕熱條件下，溫度變化較為溫和，有利于纖維中非晶區(qū)域或結晶缺陷區(qū)域進行重排，從而使其斷裂強力衰減程度減弱。

在測試樣品中，相同老化時間后，無論是干熱老化還是濕熱老化，基本上纖維在拉伸狀態(tài)下老化后的斷裂強度都低于非拉伸狀態(tài)的數(shù)值，表明了拉伸對纖維壽命有一定的影響作用，因此評價UHMWPE纖維的壽命及其安全性能時，需考慮纖維持續(xù)受力的情況，才能更貼近實際的工況。利用我們設計的拉伸老化測試裝置，可以很好地模擬樣品的實際工況，使人工加速老化過程更貼近樣品的使用環(huán)境。

圖4 濕熱老化條件下單纖斷裂強力圖

4 結語

利用設計的拉伸老化測試裝置，考察了UHMWPE纖維在一定拉伸比例下，人工加速干熱和濕熱老化過程后單纖強力的變化。數(shù)據(jù)表明，拉伸條件(持續(xù)受力)作用下，UHMWPE纖維的強度會受到一定的影響。在傳統(tǒng)溫度、鹽度等人工加速老化條件的基礎上增加持續(xù)受力的條件，能更全面地對樣品的老化性能進行描述。

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紡織高新技術穩(wěn)定用于航天領域

由東華大學產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心主任陳南梁領銜團隊開發(fā)研制的“半剛性電池基板玻璃纖維網(wǎng)格”(簡稱“半剛玻纖網(wǎng)格”)為“天舟一號”編織了提供能源動力的“玻璃翅膀”。

據(jù)了解，這是繼助力“天宮一號”、“天宮二號”飛天后，半剛玻纖網(wǎng)格又一次成功應用于“天舟一號”貨運飛船發(fā)射中。團隊研制的半剛玻纖網(wǎng)格，是一種以玻璃纖維為原料、采用經(jīng)編工藝生產(chǎn)的高密度高品質(zhì)經(jīng)編織物；與南京玻璃纖維研究院合作，研制出高強度、低延伸度、高柔軟性的特種玻璃纖維，從源頭上保證了航天織物的高品質(zhì)。有了特種玻璃纖維，生產(chǎn)工藝和織造設備也要隨之更新?lián)Q代，自主研究提出了經(jīng)編技術成圈理論，成功開發(fā)出適用于特種玻璃纖維的特種整經(jīng)工藝，并自己動手設計制造出我國首臺航天特種玻璃纖維織造用經(jīng)編機。為進一步優(yōu)化電池帆板的載體構造，科研團隊又將玻璃纖維織物做成了網(wǎng)格形狀。據(jù)陳南梁介紹，這樣做一方面是可以有效地幫助電池帆板減輕重量，讓飛行器整體更加輕質(zhì)化，另一方面電池帆板能透過網(wǎng)格進行正反雙面發(fā)電，發(fā)電量可提高15%。

(摘自：中國紡織報)

Study on Stretching and Thermal Aging Property of Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber

LUO Jun, DENG Hua, LI Zhong-ming, ZHONG Ju-quan

(Guangzhou Fiber Product Testing Institute, Guagnzhou, 511447, China)

A tensile aging test device was designed and used. Under the condition of artificial accelerated aging, the tensile and thermal aging properties of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber were investigated by increasing the continuous stress. The results showed that the aging of UHMWPE fiber would be accelerated in the tensile state.

stretching; thermal aging; artificial accelerated aging; ultra high molecular weight polyethylene fiber

2017-03-16；

2017-03-28

廣東省質(zhì)監(jiān)局科技項目(2015PZ08)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技項目(2015019)

羅 峻(1983-)，男，博士研究生，主要從事紡織品檢測及研發(fā)工作，E-mail：luoj@gtt.net.cn。

TS102.5

A

1673-0356(2017)05-0009-03