高模聚對(duì)苯撐苯并二噁唑復(fù)絲纖維拉伸性能測(cè)試方法

夏 菲 丁劍峰 李欣欣

（1 華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，特種功能高分子材料及相關(guān)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

文 摘 參照相關(guān)的纖維力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高模型HM-PBO 復(fù)絲纖維的拉伸性能測(cè)試方法進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：夾持型夾具和陶瓷材質(zhì)夾具體適用于PBO 干紗復(fù)絲拉伸性能測(cè)試；捻系數(shù)對(duì)PBO 拉伸性能影響比較大，最佳捻系數(shù)為8；同時(shí)發(fā)現(xiàn)加捻會(huì)影響纖維的取向度；在一定范圍內(nèi)拉伸速率的增加會(huì)使得纖維斷裂強(qiáng)度增加；而在測(cè)試范圍內(nèi)的預(yù)加張力對(duì)PBO纖維拉伸性能影響不大；夾持長(zhǎng)度越長(zhǎng)，由橫梁測(cè)得的拉伸形變?cè)浇咏鎸?shí)值。

0 引言

聚對(duì)苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維具有超高強(qiáng)度和模量、低密度、耐高溫等諸多優(yōu)異性能，是目前綜合性能最優(yōu)異的有機(jī)增強(qiáng)纖維材料［1］。PBO 纖維最早由日本東洋紡實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，商品名為Zylon，包括原絲（Zylon-AS）和高模絲（Zylon-HM）兩個(gè)系列。國(guó)內(nèi)華東理工大學(xué)和中藍(lán)晨光化工有限公司聯(lián)合，率先實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)高性能PBO 纖維的工程化制備［2］。PBO 纖維優(yōu)異的性能決定它在航天航空、軍工、民用等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用基礎(chǔ)和發(fā)展空間。

作為新一代“超級(jí)纖維”，PBO 纖維性能特別是力學(xué)性能的準(zhǔn)確測(cè)定非常重要。PBO 纖維具有超高的拉伸強(qiáng)度和模量，傳統(tǒng)的纖維拉伸性能測(cè)試方法不能適用。目前，針對(duì)PBO 纖維拉伸性能測(cè)試的研究，主要集中在對(duì)單絲的拉伸測(cè)試或用浸膠法來(lái)測(cè)試紗線的拉伸性能，對(duì)干紗復(fù)絲的拉伸性能的系統(tǒng)性研究工作比較少。張振龍［3］等人用環(huán)氧類樹脂基體測(cè)試了PBO 纖維浸膠束的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度為36.5 cN/dtex，NOL 環(huán)層間剪切強(qiáng)度為0.08 cN/dtex。冉茂強(qiáng)［4］等人研究了中藍(lán)晨光化工有限公司生產(chǎn)的熱處理PBO 纖維復(fù)絲拉伸性能的最優(yōu)化條件為捻系數(shù)為12，標(biāo)距120 mm，拉伸速率20 mm/min，預(yù)加強(qiáng)力為斷裂載荷的1%，此時(shí)強(qiáng)度極值為29.2 cN/dtex。車轍［5］等人發(fā)現(xiàn)50～100 mm/min 的拉伸速率較適用于芳綸和PBO 纖維單絲，PBO 單絲拉伸速率在50 mm/min時(shí)單絲斷裂強(qiáng)度極值為42.56 cN/dtex。

對(duì)PBO 干紗復(fù)絲的力學(xué)性能測(cè)試主要存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：（1）PBO 纖維強(qiáng)度高，但表面光滑，難以?shī)A持，特別是對(duì)大絲束的高模纖維（HM-PBO），表面更加光滑易滑脫，造成測(cè)試失效：（2）PBO 纖維的壓縮強(qiáng)度較低，纖維切向承力作用小易損傷，測(cè)試時(shí)夾持處受到壓力作用容易微纖化而破壞；（3）PBO 纖維大應(yīng)力小應(yīng)變，高模PBO 纖維的拉伸強(qiáng)度達(dá)到37.2 cN/dtex，模量達(dá)到1 795 cN/dtex，受力應(yīng)變約在2.3%左右，要求測(cè)試器械對(duì)拉伸形變的靈敏度高，才能準(zhǔn)確得到纖維的應(yīng)變率和模量；（4）缺少相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上，PBO 纖維具有超高強(qiáng)度，經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)目前已有的纖維測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PBO 纖維并不完全適用。因此，有必要通過對(duì)PBO 纖維的拉伸性能測(cè)試進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而推出適宜的專門測(cè)試方法。

本文以高模Zylon-HM 干紗復(fù)絲為主要研究對(duì)象，對(duì)PBO 復(fù)絲的拉伸性能展開系統(tǒng)研究。分析纖維測(cè)試的夾具以及夾具體對(duì)拉伸性能的影響，同時(shí)研究捻系數(shù)、拉伸速率、預(yù)加張力和夾持長(zhǎng)度對(duì)纖維強(qiáng)力、模量和伸長(zhǎng)率的影響，得到PBO 纖維的拉伸性能的最優(yōu)化的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

Zylon-HM，1 617 dtex，日本東洋紡公司；國(guó)產(chǎn)ASPBO纖維，1 094 dtex，中藍(lán)晨光化工有限公司；國(guó)產(chǎn)HMPBO纖維，1 100 dtex，中藍(lán)晨光化工有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

萬(wàn)能拉力機(jī)，Zwick-020，上海茲韋克機(jī)械設(shè)備有限公司。配備高精度傳感器，能滿足一級(jí)精度，以及高精度的引伸計(jì)裝備，能滿足0.5 級(jí)精度，分辨率為0.02 μm，并對(duì)拉伸過程中傳感器等器件的變形在測(cè)試軟件中做了機(jī)械間隙修正。

紗線加捻機(jī)，YG155A，常州市第一紡織設(shè)備有限公司。X 射線多晶衍射儀，D/max-2550 PC，日本Rigaku 公司。掃描電子顯微鏡，S-3400 N，日本日立公司。

1.3 試驗(yàn)方法

因?yàn)闀簳r(shí)沒有PBO 纖維力學(xué)性能的專門測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此，測(cè)試方法綜合參考ASTM D885 和GB/T 19975—2005 以及芳綸纖維的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。初始測(cè)試條件為：夾持長(zhǎng)度250 mm，拉伸速率125 mm/min，預(yù)加張力0.5 cN/dtex，標(biāo)距100 mm。所有測(cè)試均在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，且試樣在該環(huán)境下存放超過7 d。所有試樣測(cè)量至少10個(gè)有效值取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾具和夾具體的選擇

目前，對(duì)于超高強(qiáng)度纖維的拉伸測(cè)試常用夾具是夾持型夾具或是纏繞型夾具。參照ASTM D885標(biāo)準(zhǔn)，使用兩種夾具分別測(cè)試國(guó)產(chǎn)AS-PBO、HM-PBO，Zylon-HM長(zhǎng)絲的拉伸性能，結(jié)果如表1所示。

表1 不同夾具類型對(duì)纖維拉伸性能的影響Tab.1 Effect of clamps on fiber tensile properties

由表1可知，對(duì)于AS-PBO 纖維，兩種測(cè)試夾具所測(cè)得的拉伸強(qiáng)度、模量數(shù)據(jù)差別不大。但對(duì)于高模型HM 纖維，特別是大纖度的纖維，兩種夾具所測(cè)得的拉伸性能數(shù)據(jù)有比較大的差距，其中模量數(shù)據(jù)最大差距可達(dá)15.6%。同時(shí)，在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，使用纏繞型夾具時(shí)，高模型PBO 纖維易滑動(dòng)，纖維絲梯次拉斷，此時(shí)纏繞型夾具已經(jīng)不再適用。這是由于高模型PBO 纖維經(jīng)過高溫?zé)崽幚?，表面更為光滑，需要的夾持力更高，也更難以?shī)A持。因此，夾持型夾具更利于纖維強(qiáng)力的發(fā)揮，更能準(zhǔn)確反映纖維的力學(xué)性能。

對(duì)于斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試有兩種方法：一種是由橫梁測(cè)量得到，通過總伸長(zhǎng)相對(duì)于總的測(cè)試長(zhǎng)度得到的伸長(zhǎng)率，這是常規(guī)材料力學(xué)性能測(cè)試常用的；另一種由引伸計(jì)測(cè)量得到，即測(cè)試標(biāo)距部分的伸長(zhǎng)相對(duì)于標(biāo)距長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)。從表1纖維的斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)可以看出，橫梁測(cè)試得到的伸長(zhǎng)率均明顯高于引伸計(jì)測(cè)試得到的數(shù)值。這是因?yàn)闄M梁測(cè)量得到的位移可能包括纖維在夾口處的滑動(dòng)、夾持器械的變形和振動(dòng)，而引伸計(jì)可以有效避免以上缺陷，所測(cè)位移僅為兩個(gè)刀口間試樣的伸長(zhǎng)。所以高強(qiáng)、高模、低斷裂伸長(zhǎng)率的纖維的拉伸性能測(cè)試需要配備高精度的引伸計(jì)裝置。

夾具體的材質(zhì)和形貌對(duì)測(cè)試也有較大影響。圖1為不同種類的夾具體圖片，圖2為對(duì)應(yīng)的三種典型的斷裂形式。圖1（a）是常用的不銹鋼平面夾具體，研究發(fā)現(xiàn)，測(cè)試時(shí)發(fā)生打滑，無(wú)法得到有效的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的斷面形貌如圖2（a）所示，看不到明顯斷裂位置，但是纖維強(qiáng)度已經(jīng)松弛為最高強(qiáng)度的80%，纖維已經(jīng)失效；圖1（b）不銹鋼波型夾具體，波型夾持面增加摩擦力增大接觸面積，是一種很有效的夾具體，但對(duì)PBO 纖維測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維斷裂發(fā)生在夾口處，這是因?yàn)閵A口處接觸點(diǎn)面積較小，壓強(qiáng)過大，易對(duì)纖維束造成損傷，對(duì)應(yīng)的斷面形貌如圖2（b）所示，可以明顯看到纖維發(fā)生了梯次斷裂，纖維在夾口位置被損傷后，在外部拉力作用下快速被撕裂；圖1（c）是陶瓷面的平面夾具體，是目前市面上硬度最高的夾面材料之一，同時(shí)又具有較大的摩擦力，研究發(fā)現(xiàn)拉伸過程纖維斷裂位置在中間部位，且成股有效斷裂，其斷裂形貌如圖2（c）所示，斷口整齊，且斷裂位置在中間。

根據(jù)上述分析可知，配備高精度引伸計(jì)的夾持型夾具，陶瓷材質(zhì)夾具體更適合于PBO 纖維的測(cè)試。

圖1 各種類型夾具體圖片F(xiàn)ig.1 Various types of clips

圖2 三種典型斷裂形式Fig.2 Three typical fracture forms

2.2 捻系數(shù)對(duì)纖維束拉伸性能的影響

加捻可以增加PBO 纖維單絲間的軸向作用力［6］，有效避免纖維干紗復(fù)絲逐根斷裂的情況。對(duì)于線密度不同的復(fù)紗，最優(yōu)捻度的選取可以根據(jù)捻系數(shù)Tc來(lái)估計(jì)：

式中，n為纖維單位長(zhǎng)度的捻數(shù)，T為纖維的線密度。

為了職業(yè)發(fā)展打下良好基礎(chǔ),高職學(xué)生更加注重專業(yè)技能的培養(yǎng)?？萍荚诓粩喟l(fā)展，教學(xué)模式也在不斷改變，多媒體技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越貼近我們的生活了。教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)與以往相比，都有巨大的變化。傳統(tǒng)的授課模式已經(jīng)無(wú)法滿足教師和學(xué)生的需求。隨著人類對(duì)教學(xué)方法的不斷追求，基于Moodle的高職商務(wù)英語(yǔ)翻譯翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)作為一種新興的多媒體技術(shù)，正在慢慢地轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)模式。本文從Moodle以及翻轉(zhuǎn)課堂的概念展開分析，研究了高職商務(wù)英語(yǔ)翻譯教學(xué)現(xiàn)狀以及基于Moodle的高職商務(wù)英語(yǔ)翻譯翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.2.1 捻系數(shù)對(duì)纖維強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率的影響

由圖3（a）可知，PBO 干紗復(fù)絲斷裂強(qiáng)度隨著捻系數(shù)的增加先增大后減小。強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的捻系數(shù)為8。模量隨著捻系數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，捻系數(shù)高于10 時(shí)，模量快速下降。由圖3（b）發(fā)現(xiàn)斷裂伸長(zhǎng)率隨著捻系數(shù)的增加而增大。捻系數(shù)從3 增加到12，引伸計(jì)得到的平均斷裂伸長(zhǎng)率（EB）從2.23%增大到2.41%，橫梁得到的斷裂伸長(zhǎng)率（NEb）從2.77%增大到2.94%。

加捻使纖維產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，外層纖維承受張力的同時(shí)對(duì)內(nèi)層纖維產(chǎn)生向心壓力，增加了纖維間的滑動(dòng)阻力和緊密度［7］。捻度較小時(shí)單絲間相互作用很小不能達(dá)到成股斷裂的效果，承力效果差即出現(xiàn)不同時(shí)斷裂的情況。當(dāng)復(fù)絲捻度超過一定值后，軸向分力減小且PBO 纖維橫向強(qiáng)度小，復(fù)絲中纖維單絲受到過大的扭曲力會(huì)產(chǎn)生損傷，復(fù)絲強(qiáng)度隨之下降［8］。因此，PBO 纖維存在強(qiáng)度極值。PBO 纖維經(jīng)液晶紡絲，分子鏈高度取向，加捻破壞了其規(guī)整結(jié)構(gòu)，模量降低。

綜合考慮捻系數(shù)對(duì)纖維的拉伸強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率的影響，捻系數(shù)Tc選擇8比較合適。

圖3 捻系數(shù)對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度、模量、伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 Effect of Tc on breaking strength，modulus and elongation

2.2.2 捻系數(shù)對(duì)纖維取向度的影響

取向度表征的是纖維內(nèi)大分子鏈主軸與纖維軸向的平行程度，取向度越高，大分子排列越平行，在拉伸過程中受力的大分子鏈數(shù)越多，纖維的斷裂強(qiáng)度越高。對(duì)未加捻（Tc=0）、適度加捻（Tc=8）、過度加捻纖維絲束（Tc=12）拉伸斷裂樣品的取向度進(jìn)行分析。取向度根據(jù)公式（2）計(jì)算得到。

式中，Hi為第i峰的半高峰寬。

圖4 X射線衍射強(qiáng)度曲線Fig.4 X-ray diffraction intensity curves

表2 不同捻系數(shù)復(fù)絲取向度Tab.2 Different twisting degree of wire orientation

2.3 拉伸速率的影響

圖5為拉伸速率對(duì)PBO纖維拉伸性能的影響。

圖5 拉伸速率對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率的影響Fig.5 Effect of tensile speed on fiber breaking strength，modulus and elongation

可以看出：隨著拉伸速率的增加，纖維拉伸強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)速率達(dá)到120 mm/min 后強(qiáng)度變化趨于緩和。模量和伸長(zhǎng)率隨著拉伸速率的提高有一個(gè)增加的趨勢(shì)。這和冉茂強(qiáng)［4］等人的研究結(jié)果相似。

圖6為不同拉伸速率下纖維斷裂的形貌，可以看到在25 mm/min低速拉伸時(shí)纖維斷口不整齊，成抽絲狀，當(dāng)拉伸速率在175 mm/min時(shí)，斷面變得規(guī)整，纖維斷口仍具有頸縮和尖細(xì)的端部形狀，但軸向劈裂加劇。這是因?yàn)槔焖俾时容^小，斷裂主要由化學(xué)鍵的斷裂、分子間作用力的滑脫引起［10］，隨著拉伸速率的提高，細(xì)小的裂紋來(lái)不及生長(zhǎng)［11］，斷裂主要由化學(xué)鍵的破壞引起，這一特征更有利于材料吸收能量。PBO纖維本身非塑性纖維材料，拉伸性能對(duì)拉伸速率的敏感性比較低，所以當(dāng)拉伸速率足夠大時(shí)強(qiáng)度、模量、伸長(zhǎng)率變化均不明顯。

圖6 不同拉伸速率下纖維斷口形貌Fig.6 Fiber fracture morphology at different tensile speeds

綜合以上分析，拉伸速率測(cè)試條件選擇120～250 mm/min的范圍都是比較合適的。

2.4 預(yù)加張力

圖7為預(yù)加張力的對(duì)PBO纖維拉伸性能的影響。隨著預(yù)加張力由0.1 cN/dtex 增加到0.9 cN/dtex（約為纖維斷裂強(qiáng)度的0.3%—2.5%），可以看到，斷裂強(qiáng)度稍有降低，伸長(zhǎng)率也有所減小，而模量卻幾乎沒有變化。

圖7 預(yù)加張力對(duì)斷裂強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率的影響Fig.7 Effect of pre-tension on fiber breaking strength，modulus and elongation

預(yù)加張力是施加在纖維上使纖維從卷曲狀態(tài)伸展而不至伸長(zhǎng)的力。預(yù)加張力的大小影響纖維伸長(zhǎng)率的測(cè)定，過大會(huì)使纖維伸長(zhǎng)，甚至?xí)?duì)纖維造成損傷，過小纖維束未伸直。在測(cè)試開始時(shí)將試樣伸直及單絲間的相對(duì)滑動(dòng)被視為試樣伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率偏大。

為準(zhǔn)確測(cè)得纖維的拉伸性能預(yù)加張力不宜過大，測(cè)試條件選擇0.1～0.2 cN/dtex為宜。

2.5 夾持長(zhǎng)度

由圖8可以看到，在測(cè)試的夾持長(zhǎng)度范圍內(nèi)（150～300 mm），PBO 纖維強(qiáng)度和模量變化不大。這表明在優(yōu)化的紡絲條件下，纖維弱節(jié)比較少，纖維的強(qiáng)度主要有共價(jià)鍵和主鏈堆積密度決定［12］，在比較大的拉伸速率下夾持長(zhǎng)度對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響不明顯。

同時(shí)可以看到，測(cè)試長(zhǎng)度越長(zhǎng)由橫梁得到的伸長(zhǎng)率越接近引伸計(jì)得到的伸長(zhǎng)率，將有限的測(cè)量誤差分散在更大的測(cè)試長(zhǎng)度范圍內(nèi)。因此若測(cè)試條件有限，沒有配備引伸計(jì)裝置，可通過增加試樣夾持長(zhǎng)度來(lái)降低橫梁測(cè)試的伸長(zhǎng)率的誤差。

綜合以上因素，最后選擇測(cè)試長(zhǎng)度為150～250 mm。

圖8 夾持長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度、模量和伸長(zhǎng)率的影響Fig.8 Effect clamping length on breaking strength，modulus and elongation

3 結(jié)論

（1）采用陶瓷夾具體的夾持型夾具適合于高模HM-PBO 纖維的拉伸性能測(cè)試，同時(shí)需要配備高精度的引伸計(jì)。

（2）HM-PBO 纖維的優(yōu)化測(cè)試條件是：捻系數(shù)為8，拉伸速率為120～250 mm/min，預(yù)加張力為0.1～0.2 cN/dtex，夾持長(zhǎng)度為150～250 mm?？梢员ＷC纖維強(qiáng)度更好地發(fā)揮，可以準(zhǔn)確測(cè)量纖維的拉伸性能。

（3）加捻會(huì)影響PBO 纖維取向度，這也說明PBO纖維使用過程中要避免過度折疊、彎曲。