高強(qiáng)高模PVA纖維存放過程中力學(xué)性能的衰減規(guī)律

胡 筠

(中國石化集團(tuán)重慶川維化工有限公司檢驗(yàn)計(jì)量中心，重慶 401254)

高強(qiáng)高模聚乙烯醇(PVA)纖維是以PVA為原料，經(jīng)溶解、紡絲、熱定型、切斷、打包制得的高性能纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、低延伸度、耐沖擊強(qiáng)度高、耐候性好、吸水性出色、耐酸堿等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被認(rèn)為是石棉、玻璃纖維的理想替代品[3]。由于PVA分子具有多羥基、強(qiáng)氫鍵特性,從而賦予其與水泥界面粘合性好，親水性優(yōu)異，耐堿性出色，且無毒環(huán)保、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[4]，將纖維添加到水泥基材中，可大大改善基材性質(zhì)，提高基材的抗裂、抗?jié)B、抗沖擊韌性及耐持久、耐高溫、耐腐蝕等性能[5]。近年來，高強(qiáng)高模PVA纖維已在世界上一些禁用石棉纖維的國家被廣泛應(yīng)用于水泥板材增強(qiáng)、道路工程混凝土抗沖磨、隧道工程圍巖防水與襯砌、污水處理工程中混凝土的抗腐蝕與防滲、大跨度橋梁工程混凝土梁柱體和水工大體積混凝土的抗震、抗裂、抗沖磨等領(lǐng)域，以及工業(yè)與民用建筑的墻體、橋梁、隧道、邊坡加固等土木與建筑行業(yè)，在工程和建筑應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

高強(qiáng)高模PVA纖維具有高強(qiáng)度、高模量的力學(xué)性能是由制備工藝過程中高取向度和高結(jié)晶度所決定的[6]。隨著存放時(shí)間的推移，由于高分子纖維存在應(yīng)力松馳和蠕變現(xiàn)象[7]，高分子纖維的取向度會有所下降，其力學(xué)性能也會隨存放時(shí)間發(fā)生改變。而作為一種增強(qiáng)性工程纖維，其高強(qiáng)度和高模量等性能的保持對使用效果尤為重要。目前已報(bào)道的文獻(xiàn)中，尚未有系統(tǒng)研究高強(qiáng)高模PVA纖維力學(xué)性能隨存放時(shí)間的衰減行為。作者借助單纖維線密度強(qiáng)伸儀，系統(tǒng)地考察了高強(qiáng)高模PVA纖維在一年的存放期間力學(xué)性能的變化規(guī)律，可為高強(qiáng)高模PVA纖維下游用戶更好地使用這種纖維提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

高強(qiáng)高模PVA纖維：2.0 dtex，斷裂強(qiáng)度約為12.0 cN/dtex，斷裂伸長率約為7.0%，初始模量約為275 cN/dtex，重慶川維化工有限公司生產(chǎn)。

FAVIMAT ROBOT2單纖維線密度強(qiáng)伸儀：德國Textechno公司制；CS101-3ABN型通風(fēng)式加熱干燥箱：重慶永生儀器廠制；SHH-250T型溫濕度調(diào)節(jié)箱：重慶永生儀器廠制。

1.2 纖維測試前的預(yù)調(diào)濕和調(diào)濕平衡處理

纖維含濕程度對其力學(xué)性能影響較大，高強(qiáng)高模PVA纖維由于其多羥基特性極易吸收空氣中的水分而比其他纖維含濕量高，故相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14337—2008)規(guī)定了預(yù)調(diào)濕、調(diào)濕和試驗(yàn)用大氣條件[8]。

(1)纖維預(yù)調(diào)濕處理

將高強(qiáng)高模PVA纖維試樣置于溫度不超過50 ℃、相對濕度5%～25%的環(huán)境中，放置處理16 h。

(2)纖維調(diào)濕平衡處理

將經(jīng)過預(yù)調(diào)濕處理的高強(qiáng)高模PVA纖維試樣置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±3)%的環(huán)境中，放置處理24 h。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)取24批不同時(shí)間生產(chǎn)的高強(qiáng)高模PVA纖維試樣，每批試樣分成6份，在干燥通風(fēng)的室內(nèi)貯存。試樣的存放時(shí)間分別為1，30，90，180，270，360 d。

(2)高強(qiáng)高模PVA纖維試樣達(dá)到存放時(shí)間條件后，隨機(jī)取出纖維試樣，按1.2中條件進(jìn)行預(yù)調(diào)濕和調(diào)濕平衡處理。

(3) 將經(jīng)過預(yù)調(diào)濕和調(diào)濕平衡處理的高強(qiáng)高模PVA纖維試樣開松分散成單根狀鋪于絨板上，隨機(jī)取出一根置于單纖維線密度強(qiáng)伸儀的上下夾持器中，保證纖維沿軸向伸直，按照GB/T 14337—2008規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[8]，得到試樣的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和初始模量。測試條件：溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%，試樣的預(yù)加張力(0.050±0.005)cN/dtex，振弦長度20 mm，名義隔距60 mm，拉伸速度60 mm/min。

(4)拉伸試驗(yàn)中如纖維滑移或斷裂在鉗口，則所得結(jié)果剔除。重復(fù)拉伸試驗(yàn)，測試50根纖維的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 斷裂強(qiáng)度隨存放時(shí)間的變化規(guī)律

對不同時(shí)間生產(chǎn)的24批次高強(qiáng)高模PVA纖維試樣進(jìn)行拉伸性能測試，存放時(shí)間分別為1，30，90，180，270，360 d,其斷裂強(qiáng)度見表1。對24批次試樣在不同存放時(shí)間下的斷裂強(qiáng)度取平均值，斷裂強(qiáng)度隨存放時(shí)間的變化規(guī)律見圖1。

表1 不同存放時(shí)間下高強(qiáng)高模PVA纖維的斷裂強(qiáng)度Tab.1 Breaking strength of high-strength high-modulus PVA fibers at different storage time

續(xù)表1

圖1 高強(qiáng)高模PVA纖維斷裂強(qiáng)度隨存放時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Change regularity of breaking strength of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

從圖1可以看出，隨著存放時(shí)間延長，高強(qiáng)高模PVA纖維的斷裂強(qiáng)度總體呈逐漸下降趨勢。存放90 d內(nèi)纖維斷裂強(qiáng)度比較穩(wěn)定，基本沒有變化，可認(rèn)為是高強(qiáng)高模PVA纖維斷裂強(qiáng)度的相對穩(wěn)定期。存放90 d后纖維斷裂強(qiáng)度開始降低，存放至180 d時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度平均下降1.8%，存放至270 d時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度平均下降2.9%，但存放270 d后至存放360 d時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度又處于相對穩(wěn)定期。這是因?yàn)镻VA是一種極易吸水的高分子，在存放過程中，PVA吸收空氣的水分子，破壞PVA分子間的氫鍵，降低PVA大分子的取向度，在存放時(shí)間較短時(shí)，這種破壞作用不明顯，纖維斷裂強(qiáng)度變化不大，比較穩(wěn)定；隨著存放時(shí)間的延長，這種破壞作用加劇，從而導(dǎo)致纖維斷裂強(qiáng)度降低；此外，高分子材料普遍存在時(shí)溫等效效應(yīng)，纖維的取向度會隨著存放時(shí)間的延長，在溫度的作用下呈降低的趨勢，這也是導(dǎo)致纖維斷裂強(qiáng)度降低的另外一個(gè)原因；隨著存放時(shí)間的進(jìn)一步延長，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，纖維的斷裂強(qiáng)度也基本穩(wěn)定。

2.2 斷裂伸長率隨存放時(shí)間的變化規(guī)律

對24批次高強(qiáng)高模PVA纖維試樣在不同存放時(shí)間下的斷裂伸長率進(jìn)行測試(存放時(shí)間分別為1，30，90，180，270，360 d),取24批次的平均值，斷裂伸長率隨存放時(shí)間的變化規(guī)律見圖2。

圖2 高強(qiáng)高模PVA纖維的斷裂伸長率隨存放時(shí)間的變化規(guī)律Fig.2 Change regularity of elongation at break of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

從圖2可以看出，隨著存放時(shí)間延長，高強(qiáng)高模PVA纖維的斷裂伸長率總體呈逐漸上升趨勢，存放360 d內(nèi)增加約7%。存放30 d，纖維斷裂伸長率平均增加2.8%。存放30 d后至180 d內(nèi)斷裂伸長率變化較小，可以認(rèn)為是高強(qiáng)高模PVA纖維斷裂伸長率的相對穩(wěn)定期。存放180 d后纖維斷裂伸長率又開始上升，至存放270 d時(shí)纖維斷裂伸長率平均增加6.6%，存放270 d后至360 d內(nèi)纖維斷裂伸長率又進(jìn)入一個(gè)相對平穩(wěn)期，增加幅度較小。這是因?yàn)镻VA的親水性，空氣中的水分子滲透進(jìn)入纖維內(nèi)部，使纖維分子間的距離逐漸增大，在外力拉伸時(shí)產(chǎn)生相對位移，斷裂伸長率逐漸增大；隨后PVA纖維對水分子的吸收達(dá)到一個(gè)相對平衡期，纖維斷裂伸長率相對穩(wěn)定；而較長時(shí)間存放后，在時(shí)溫等效作用下，空氣中的水分子進(jìn)一步緩慢滲透進(jìn)入纖維內(nèi)部，使纖維分子間的距離逐漸增大，在外力拉伸時(shí)更容易產(chǎn)生相對位移，斷裂伸長率逐漸增大；隨著存放時(shí)間的進(jìn)一步延長，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，纖維的斷裂伸長率也基本穩(wěn)定。

2.3 初始模量隨存放時(shí)間的變化規(guī)律

對24批次高強(qiáng)高模PVA纖維試樣在不同存放時(shí)間下的初始模量進(jìn)行測試(存放時(shí)間分別為1，30，90，180，270，360 d),取24批次的平均值，初始模量隨存放時(shí)間的變化規(guī)律見圖3。

圖3 高強(qiáng)高模PVA纖維的初始模量隨存放時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Change regularity of initial modulus of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

從圖3可以看出，隨著存放時(shí)間延長，高強(qiáng)高模PVA纖維的初始模量總體呈逐漸下降趨勢。存放90 d時(shí)，纖維的初始模量平均下降2.5%，存放180 d時(shí)，纖維的初始模量平均下降4.9%，存放270 d時(shí)，纖維的初始模量平均下降10.3%。存放時(shí)間超過270 d至360 d時(shí)，纖維初始模量進(jìn)入相對穩(wěn)定期。初始模量反映的是纖維的剛?cè)岫?，在存放過程中，PVA大分子逐漸吸收空氣中的水分子，大分子鏈間的相互作用減弱，使纖維的剛性逐漸下降，外力拉伸時(shí)易于產(chǎn)生構(gòu)象變化和滑移，纖維的初始模量呈逐漸下降趨勢。當(dāng)存放期達(dá)到270 d后，高強(qiáng)高模PVA纖維在水分子和時(shí)溫等效效應(yīng)的共同作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，纖維的初始模量也達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

a.隨著存放時(shí)間延長，高強(qiáng)高模PVA纖維的斷裂強(qiáng)度總體呈逐漸下降趨勢。存放90 d內(nèi)纖維斷裂強(qiáng)度比較穩(wěn)定，存放90 d后開始降低，存放180 d時(shí)平均下降1.8%，存放270 d時(shí)平均下降2.9%，存放270 d后至存放360 d時(shí)又處于相對穩(wěn)定期。

b.隨著存放時(shí)間延長，高強(qiáng)高模PVA纖維的斷裂伸長率總體呈逐漸增大趨勢，存放30 d至180 d，纖維斷裂伸長率變化較小，存放360 d內(nèi)，纖維斷裂伸長率增加約7%。

c.隨著存放時(shí)間延長，高強(qiáng)高模PVA纖維初始模量總體呈逐漸下降趨勢，存放90 d時(shí)初始模量平均下降2.5%，存放270 d時(shí)，纖維初始模量下降10.3%，存放時(shí)間達(dá)到270 d后至360 d，初始模量進(jìn)入穩(wěn)定期。

d.高強(qiáng)高模PVA纖維在存放90 d內(nèi)斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和初始模量變化較小，在90 d內(nèi)使用為宜。