HMLS聚酯工業(yè)絲蠕變性能測試分析*

1. 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；2. 浙江尤夫高新纖維股份有限公司， 浙江 湖州 313017

聚酯工業(yè)絲具有強(qiáng)度高、模量高、尺寸穩(wěn)定性好等特性，廣泛應(yīng)用于輪胎簾子線、安全帶、安全氣囊、土工材料等領(lǐng)域[1-2]。與所有高分子材料一樣，聚酯工業(yè)絲在后加工和使用過程中會隨載荷及環(huán)境條件變化發(fā)生蠕變，即在載荷長期作用下逐漸產(chǎn)生形變[3]，這會導(dǎo)致服役安全隱患問題。合理評價和預(yù)測聚酯工業(yè)絲的使用壽命和使用強(qiáng)度極限，對有效預(yù)防服役安全隱患至關(guān)重要。因此，聚酯工業(yè)絲的蠕變性能研究在一定程度上受到關(guān)注。

SAMUI等[4]對4種不同類型(低收縮、超低收縮、高模低收縮、高強(qiáng))的聚酯工業(yè)絲在20、100 ℃下60 min內(nèi)的蠕變性能進(jìn)行研究，以初始蠕變形變率與總?cè)渥冃巫兟首鳛楹饬繕悠啡渥冃阅艿闹笜?biāo)，得出纖維非晶區(qū)取向程度決定樣品的蠕變性能，纖維非晶區(qū)取向程度高則樣品的蠕變形變率低。陳聚文等[5]115-116對比了聚酯工業(yè)絲、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維等在不同溫度、應(yīng)力條件下的蠕變性能，利用蠕變形變率、蠕變速率、普彈形變等蠕變性能指標(biāo)進(jìn)行評價，結(jié)果表明：超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維發(fā)生的蠕變形變主要是不可回復(fù)的塑性蠕變形變，而聚酯工業(yè)絲發(fā)生的蠕變形變主要是可回復(fù)的彈性蠕變形變。LECHAT等[6]533發(fā)現(xiàn)在相同蠕變載荷條件下，PET(聚酯)和PEN(聚萘二甲苯)兩種線繩用纖維的蠕變伸長率存在明顯差異，但是它們的蠕變速率常數(shù)相差不大，由此推測影響纖維蠕變性能的主要結(jié)構(gòu)因素為主鏈的柔順性。

總之，有關(guān)聚酯工業(yè)絲蠕變性能的研究主要關(guān)注樣品的蠕變形變與微觀結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[5]116，[6]533，[7]，所采用的蠕變性能測試方法并不統(tǒng)一，利用的蠕變性能指標(biāo)也局限于初始蠕變形變率、總?cè)渥冃巫兟?、塑性蠕變形變率、蠕變形變速率常?shù)等。

在傳統(tǒng)材料領(lǐng)域，金屬[8-9]、塑料[10-11]、橡膠[12]等已有規(guī)范的蠕變性能測試方法和蠕變性能指標(biāo)。采用纖維制作的紡織品[13]、土工合成材料[14-15]、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[16]等，也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是對于纖維本身而言，現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[17]只對纖維長度、載荷和蠕變時間做了規(guī)定，而由于纖維韌性較大和承受總應(yīng)力較小等因素，一些試驗(yàn)條件如夾持距離、蠕變載荷加載速率和預(yù)加張力等會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響；另外，此標(biāo)準(zhǔn)僅關(guān)注纖維長絲的蠕變伸長過程，并未涉及蠕變回復(fù)過程和蠕變壽命的計算方法。

因此，為獲得適用于聚酯工業(yè)絲蠕變性能測試的規(guī)范方法，本文利用高模低收縮型(HMLS)聚酯工業(yè)絲為原料，考察試驗(yàn)條件(包括夾持距離、蠕變載荷加載速率和預(yù)加張力)對HMLS聚酯工業(yè)絲蠕變性能的影響，再通過試驗(yàn)條件的優(yōu)化、蠕變性能指標(biāo)的定義和計算，建立測試方法并對HMLS聚酯工業(yè)絲的蠕變性能進(jìn)行測試，驗(yàn)證該測試方法的合理性。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)樣品采用HMLS聚酯工業(yè)絲(浙江尤夫高新纖維股份有限公司)，其規(guī)格為1 100 dtex/192f，室溫條件下的平均斷裂載荷(ABL， Average Breaking Load)為80.0 N。

1.2 蠕變試驗(yàn)

儀器：帶有加熱箱的WDT-0.2型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(深圳市凱強(qiáng)利試驗(yàn)儀器有限公司)，設(shè)定為恒定應(yīng)力的拉伸蠕變模式。

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)的蠕變模式進(jìn)行蠕變試驗(yàn)，按要求夾持樣品，設(shè)定蠕變載荷、蠕變載荷加載速率、蠕變時間、蠕變回復(fù)時間等。當(dāng)儀器達(dá)到設(shè)定蠕變載荷時，獲得樣品的初始蠕變形變率；然后，蠕變載荷維持設(shè)定的蠕變時間，獲得樣品的總?cè)渥冃巫兟?；卸載蠕變載荷后，儀器自動獲得樣品回復(fù)曲線。

1.3 蠕變壽命或持久極限強(qiáng)度預(yù)測

1.3.1 快速拉伸斷裂時間

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行快速拉伸試驗(yàn)，夾持距離為300 mm，拉伸速率為30、 90、 180 mm/min，獲得對應(yīng)拉伸速率下的快速拉伸斷裂強(qiáng)力與斷裂時間。

1.3.2 快速蠕變斷裂時間

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行快速蠕變試驗(yàn)。夾持距離為300 mm，蠕變載荷為80.00%ABL～90.00%ABL，獲得對應(yīng)蠕變載荷下的快速蠕變斷裂時間。

1.3.3 分級等溫加速蠕變試驗(yàn)

依據(jù)ASTM D6992-2015《使用階段等溫法對基于時間-溫度疊加的土工合成材料的加速拉伸蠕變和蠕變斷裂的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行分級等溫加速蠕變試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始前，每個樣品在30 ℃下進(jìn)行平衡。夾持距離為300 mm，蠕變載荷為75.00%ABL，保持4 h。試驗(yàn)溫度從30 ℃開始，每2 h上升15 ℃，直到90 ℃，如樣品發(fā)生斷裂，試驗(yàn)提前結(jié)束，記錄樣品伸長率-時間曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠕變過程分析

圖1所示為樣品蠕變-回復(fù)過程，其中(a)為蠕變形變率-蠕變時間曲線，(b)為蠕變速率-蠕變時間曲線，明顯可發(fā)現(xiàn)這一過程分為三個階段。蠕變載荷加載時樣品所發(fā)生的形變率稱為初始蠕變形變率εi，其對應(yīng)時間t1通過蠕變載荷與蠕變載荷加載速率之比計算得到。在第一階段(減速蠕變)，樣品的蠕變形變率[圖1(a)]逐漸增大，對應(yīng)的蠕變速率[圖1(b)]逐漸減小至一恒定值。該階段所經(jīng)歷的時間占總?cè)渥儠r間的比例較低，且樣品發(fā)生的形變率較小。隨著蠕變過程的發(fā)展，當(dāng)蠕變時間達(dá)到t2時，蠕變過程進(jìn)入第二階段(穩(wěn)態(tài)蠕變)，樣品的蠕變速率基本保持不變[圖1(b)]，故稱為穩(wěn)態(tài)蠕變速率vs。此階段的蠕變形變率-蠕變時間曲線[圖1(a)]呈線性，剛進(jìn)入此階段樣品所發(fā)生的形變率稱為穩(wěn)態(tài)蠕變形變率(εs)。由于HMLS聚酯工業(yè)絲在使用過程中長期處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段，穩(wěn)態(tài)蠕變速率決定著其服役時間和耐久性。當(dāng)蠕變試驗(yàn)進(jìn)行到設(shè)定的蠕變時間t3時，樣品所發(fā)生的蠕變形變率為總?cè)渥冃巫兟师舤。此時，樣品未發(fā)生斷裂，卸載蠕變載荷，樣品已經(jīng)發(fā)生的蠕變形變會逐漸回復(fù)，蠕變過程進(jìn)入第三階段(蠕變回復(fù))。卸載蠕變載荷后，樣品可以回復(fù)的蠕變形變率為彈性蠕變形變率(εe)，不可回復(fù)的蠕變形變率為塑性蠕變形變率(εp)。當(dāng)蠕變過程達(dá)到設(shè)定的蠕變回復(fù)時間后，蠕變過程的總持續(xù)時間為t4，蠕變試驗(yàn)結(jié)束，蠕變回復(fù)時間為(t4-t3)。

當(dāng)加載的蠕變載荷較大或試驗(yàn)溫度較高時，HMLS聚酯工業(yè)絲在蠕變試驗(yàn)中更容易發(fā)生斷裂。圖2所示為樣品蠕變-斷裂過程。蠕變-斷裂過程也分為三個階段，分別為減速蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變、加速蠕變(蠕變斷裂)。其中，前兩個階段與蠕變-回復(fù)過程相同，主要區(qū)別在第三階段。由于在較大蠕變載荷作用下穩(wěn)態(tài)蠕變速率較大，樣品的蠕變形變發(fā)展得較快，導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)時間到達(dá)t3時，樣品的形變速率明顯加快，到達(dá)t4時樣品發(fā)生斷裂，此時所對應(yīng)的蠕變形變率與蠕變速率均為最大。

(a) 蠕變形變率-蠕變時間曲線

(b) 蠕變速率-蠕變時間曲線

(a) 蠕變形變率-蠕變時間曲線

(b) 蠕變速率-蠕變時間曲線

2.2 蠕變試驗(yàn)條件的優(yōu)化

除了樣品本身的結(jié)構(gòu)性能外，夾持距離、蠕變載荷加載速率和預(yù)加張力等試驗(yàn)條件都會對蠕變性能測試結(jié)果造成影響。為此，針對各試驗(yàn)條件的影響展開討論，作為優(yōu)化試驗(yàn)條件的依據(jù)。

2.2.1 夾持距離

設(shè)定蠕變溫度為室溫(30 ℃)，蠕變載荷為30.00%ABL，蠕變時間t3為3 600 s，蠕變載荷加載速率為0.10 cN/(dtex·s)，蠕變回復(fù)時間(t4-t3)為1 800 s，記錄樣品蠕變形變率-蠕變時間曲線。改變夾持距離(200、 300、 400 mm)，獲得圖3所示的不同夾持距離下樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線，可以看出，改變夾持距離會對樣品蠕變性能的測試結(jié)果產(chǎn)生影響。夾持距離較短(200 mm)容易使上下兩個夾具受力時發(fā)生傾斜，對試驗(yàn)結(jié)果造成影響；夾持距離過長(400 mm)，樣品發(fā)生的蠕變形變率過大，容易超過儀器的夾持器量程，對儀器要求較高。綜合考慮，對于HMLS聚酯工業(yè)絲的蠕變性能測試，夾持距離以300 mm較為適宜。

圖3 不同夾持距離下樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線

2.2.2 蠕變載荷加載速率

如圖4所示，蠕變載荷加載速率對樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線有一定的影響。在較大的蠕變載荷加載速率下，如0.15、 0.20 cN/(dtex·s)，很容易因?yàn)閮x器夾具的慣性作用，發(fā)生瞬時過載現(xiàn)象，對初始蠕變形變率的計算結(jié)果造成一定的影響，不利于穩(wěn)定數(shù)據(jù)的獲得。另一方面，采用較小的蠕變載荷加載速率，如0.01 cN/(dtex·s)，加載過程耗時過長，屬于拉伸行為，不能反映迅速加載導(dǎo)致的初始蠕變形變率。因此，綜合上述兩方面原因，HMLS聚酯工業(yè)絲的蠕變載荷加載速率以0.05～0.10 cN/(dtex·s)為宜。

圖4 不同蠕變載荷加載速率下樣品的蠕變形 變率-蠕變時間曲線

2.2.3 預(yù)加張力

在蠕變過程中，樣品是否處于伸直狀態(tài)對其蠕變性能測試結(jié)果的影響也很明顯。從圖5所示的不同預(yù)加張力下樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線，可以發(fā)現(xiàn)：在相同試驗(yàn)條件下，樣品的初始蠕變形變率與總?cè)渥冃巫兟孰S著預(yù)加張力增大而減小。給予樣品的預(yù)加張力越大，樣品在測試前產(chǎn)生的伸長越大，而這部分伸長不能反映在測試結(jié)果中，導(dǎo)致初始蠕變形變率、總?cè)渥冃巫兟实葏?shù)變小；相反地，給予樣品的預(yù)加張力過小，如0.01 cN/dtex，樣品容易處于松弛狀態(tài)，同樣會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。綜上，對于HMLS聚酯工業(yè)絲蠕變性能測試，預(yù)加張力選擇0.05 cN/dtex較為適宜。

圖5 不同預(yù)加張力下樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線

2.3 蠕變性能指標(biāo)的確定

2.3.1 常規(guī)蠕變性能指標(biāo)

基于圖1所示的樣品蠕變-回復(fù)過程，將HMSL聚酯工業(yè)絲的常規(guī)蠕變性能評價指標(biāo)歸納如下：

2.3.1.1 常溫下不同蠕變載荷下的常規(guī)蠕變性能

采用優(yōu)化后的蠕變試驗(yàn)條件，在常溫下以不同蠕變載荷(2.00%ABL、 10.00%ABL、 20.00%ABL、 30.00%ABL、 40.00%ABL、 50.00%ABL、 60.00%ABL、 70.00%ABL、 80.00%ABL、 86.00%ABL、 87.00%ABL)，對HMLS聚酯工業(yè)絲的常規(guī)蠕變性能進(jìn)行測試，蠕變時間t3為3 600 s，蠕變回復(fù)時間為1 800 s。常溫下不同蠕變載荷下樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線如圖6所示。在蠕變載荷不超過80.00%ABL的情況下，樣品在蠕變過程中不會發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出完整的蠕變伸長與蠕變回復(fù)；當(dāng)蠕變載荷達(dá)到86.00%ABL及以上時，樣品在蠕變過程中會發(fā)生斷裂。

圖6 常溫下不同蠕變載荷下樣品的蠕變形 變率-蠕變時間曲線

圖7所示為常溫下不同蠕變載荷下樣品的常規(guī)蠕變性能測試結(jié)果。從圖7(a)可知，初始蠕變形變率εi、總?cè)渥冃巫兟师舤、彈性蠕變形變率εe與塑性蠕變形變率εp均隨著蠕變載荷增大而增大。從圖7(b)可知，蠕變彈性回復(fù)率隨著蠕變載荷增加呈先提高后趨于穩(wěn)定的趨勢，不同蠕變載荷下樣品的蠕變彈性回復(fù)率均超過50%，說明樣品主要發(fā)生彈性蠕變形變，在蠕變載荷卸載后大部分的蠕變形變可以回復(fù)。從圖7(b)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蠕變載荷不大于70.00%ABL時，樣品的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著蠕變載荷增加緩慢增大，表明樣品的抗蠕變性能較好；當(dāng)蠕變載荷達(dá)到80.00%ABL時，樣品發(fā)生的蠕變形變快速增加，穩(wěn)態(tài)蠕變速率明顯提高。

(a) 蠕變形變率

(b) 蠕變彈性回復(fù)率與穩(wěn)態(tài)蠕變速率

2.3.1.2 不同蠕變溫度下的蠕變性能

利用優(yōu)化后的蠕變試驗(yàn)條件，蠕變載荷設(shè)定為30.00%ABL，對HMLS聚酯工業(yè)絲在不同蠕變溫度(30、 60、 80、 100、 120、 150、 180 ℃)下的蠕變性能進(jìn)行測試。不同蠕變溫度下樣品的蠕變形變率-蠕變時間曲線如圖8所示。在蠕變溫度180 ℃條件下，樣品在蠕變過程中不會發(fā)生斷裂，卸載蠕變載荷后表現(xiàn)出完整的蠕變伸長與蠕變回復(fù)。

圖9所示為不同蠕變溫度下樣品的常規(guī)蠕變性能測試結(jié)果。從圖9(a)可知，初始蠕變形變率εi、總?cè)渥冃巫兟师舤、彈性蠕變形變率εe與塑性蠕變形變率εp都隨著蠕變溫度升高而增大。由圖9(b)可見，蠕變溫度不超過120 ℃時，蠕變彈性回復(fù)率基本保持不變；蠕變溫度超過120 ℃之后，蠕變彈性回復(fù)率隨著蠕變溫度升高逐漸減小，說明較高蠕變溫度下樣品發(fā)生的塑性蠕變形變增加得更明顯。在蠕變溫度為180 ℃的條件下，蠕變彈性回復(fù)率接近40%，表明樣品發(fā)生的蠕變形變中主要是為塑性蠕變形變。從圖9(b)還可以發(fā)現(xiàn)，在蠕變溫度不超過150 ℃的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率vs隨著蠕變溫度升高緩慢增大，說明樣品的抗蠕變性能較好；當(dāng)蠕變溫度超過150 ℃時，樣品發(fā)生的形變快速增加，穩(wěn)態(tài)蠕變速率vs明顯增大，說明樣品的抗蠕變性能較差。

(b) 蠕變彈性回復(fù)率與穩(wěn)態(tài)蠕變速率

2.3.2 本征蠕變性能指標(biāo)

對樣品進(jìn)行拉伸、蠕變試驗(yàn)，獲得不同拉伸速率下樣品的斷裂強(qiáng)力及斷裂時間(表1)、不同蠕變載荷下樣品的蠕變斷裂時間(表2)、一定蠕變載荷下樣品的分級等溫蠕變曲線與主曲線(圖10)。利用蠕變載荷-蠕變斷裂時間關(guān)系，通過內(nèi)插或者外推法獲得樣品的持久極限強(qiáng)度。

為獲得更小的蠕變載荷下樣品的蠕變斷裂時間，通過常規(guī)蠕變試驗(yàn)方法往往要耗費(fèi)過長的時間，因此參考相關(guān)文獻(xiàn)[18]和[19]，采用分級等溫法(SIM)進(jìn)行加速蠕變試驗(yàn)。樣品的分級等溫蠕變曲線如圖10(a)所示，可以看到在75.00%ABL的蠕變載荷下，當(dāng)蠕變溫度提升至75 ℃時，樣品發(fā)生斷裂。將樣品的分級等溫蠕變曲線進(jìn)行平移，得到圖10(b)所示的樣品在30 ℃、 75.00%ABL條件下的分級等溫蠕變主曲線，所對應(yīng)的蠕變斷裂時間為103.37h。

表1 不同拉伸速率下樣品的斷裂強(qiáng)力及斷裂時間

表2 不同蠕變載荷下樣品的蠕變斷裂時間

(a) 分級等溫蠕變曲線(蠕變載荷75.00%ABL)

圖11所示為常溫下樣品的蠕變載荷-蠕變斷裂時間測試結(jié)果與預(yù)測結(jié)果，二者的相關(guān)性較好。根據(jù)測試結(jié)果得到擬合方程：

σ=-4.84lgt+88.10

(1)

式中：σ為蠕變載荷，%ABL；t為蠕變斷裂時間，h。

利用式(1)可預(yù)測樣品的蠕變壽命或持久極限強(qiáng)度，當(dāng)蠕變載荷為60.00%ABL時，在30 ℃條件下，樣品的蠕變壽命為105.80h；在30 ℃條件下，樣品的蠕變壽命規(guī)定為106.42h時，對應(yīng)的持久極限強(qiáng)度為57.03%ABL。

3 結(jié)論

(1) 采用不同試驗(yàn)條件對HMLS聚酯工業(yè)絲的蠕變性能進(jìn)行測試，得到優(yōu)化的蠕變試驗(yàn)條件：夾持距離為300 mm，蠕變載荷加載速率為0.05～0.10 cN/(dtex·s)，預(yù)加張力為0.05 cN/dtex。

(2) 在優(yōu)化蠕變試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，獲得了HMLS聚酯工業(yè)絲的蠕變曲線，提出了初始蠕變形變率εi、總?cè)渥冃巫兟师舤、彈性蠕變形變率εe、塑性蠕變形變率εp、穩(wěn)態(tài)蠕變速率vs等常規(guī)蠕變性能指標(biāo)及蠕變壽命和持久極限強(qiáng)度等本征蠕變性能指標(biāo)的定義和計算方法。

(3) 利用給出的本征蠕變性能指標(biāo)，可以有效表征常溫和不同蠕變載荷條件下及一定蠕變載荷和不同蠕變溫度條件下HMLS聚酯工業(yè)絲的蠕變性能差異。

(4) 將計算得到的HMLS聚酯工業(yè)絲的本征蠕變性能指標(biāo)與美國材料與試驗(yàn)協(xié)會發(fā)布的ASTMD 6992-2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，說明本文建立的本征蠕變性能指標(biāo)可有效評價聚酯工業(yè)絲的蠕變性能。