玄武巖纖維繩索編織過程中力學(xué)損傷行為研究

楊旺旺 許 多 范 航 朱佳林 孫國鵬 吳敏勇 劉可帥

1. 武漢紡織大學(xué)紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點試驗室，湖北 武漢 430200；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100000；3. 匯爾杰新材料科技股份有限公司，湖北 襄陽 441100

高性能纖維是我國國民經(jīng)濟和國家安全領(lǐng)域的重要原材料之一[1-2]。玄武巖纖維是一種高性能礦物纖維[3]，在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中占據(jù)重要地位。玄武巖纖維除具有高強度、高模量的特點外，還有耐高溫和低溫 (-269～650 ℃)、耐酸堿、抗氧化、抗輻射、絕熱、隔聲、阻燃、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高等特性。因此，玄武巖纖維在功能化產(chǎn)品的制備中應(yīng)用較多，在醫(yī)用衛(wèi)生、消防滅火、航空航天、深海探測、軍隊防護等領(lǐng)域廣泛使用[4-5]。

玄武巖纖維的力學(xué)性能突出，兼具普通纖維的柔軟和編織性好的優(yōu)勢。采用玄武巖纖維制備高強繩索能滿足高空極低溫環(huán)境下柔性高強繩索的承載、抗輻射與使用壽命等要求[6]。二維編織是一種在沿織物成型方向取3根及以上紗線按照特定的規(guī)律傾斜交叉，使紗線交織在一起的工藝，常用來編織繩索等產(chǎn)品。二維編織工藝設(shè)計靈活，編織過程中對紗線力學(xué)性能的損傷較小，但編織結(jié)構(gòu)變化較少。目前主要通過改變編織芯軸的形狀、編織機的紗錠數(shù)量及底盤運動軌跡來制備不同形狀和結(jié)構(gòu)的二維繩索[7]。玄武巖復(fù)絲屬于脆性材料，耐彎折性差，編織過程中，玄武巖復(fù)絲相互抱合時的扭轉(zhuǎn)排列狀態(tài)和磨損會造成復(fù)絲中部分纖維的斷裂，從而導(dǎo)致編織的多組復(fù)絲間張力不勻，捻合排列結(jié)構(gòu)出現(xiàn)紊亂，最終影響繩索的力學(xué)性能。

1 試驗

1.1 材料與設(shè)備

玄武巖無捻粗紗單絲，直徑為7μm，強度為0.60 N/tex。線密度為100 tex的玄武巖復(fù)絲。2881型長絲表面涂覆浸潤劑，主成分為改性不飽和聚酯水溶液(湖北匯爾杰玄武巖纖維有限公司提供)。L30型雙頭全自動并絲機和16錠編織機。

1.2 編織工藝參數(shù)和試樣規(guī)格

為解決玄武巖纖維耐彎折差的問題，預(yù)防后續(xù)編織過程中因摩擦發(fā)生斷裂，試驗首先將玄武巖復(fù)絲固定于卷繞機的兩根導(dǎo)線輥中間的給液裝置上；然后在玄武巖復(fù)絲表面涂覆浸潤劑(上液率0.6%)，卷繞機以(20±1)cN的張力將玄武巖復(fù)絲卷繞在紗管上；最后，將卷繞好的16管玄武巖紗管分別安裝于16錠編織機上，采用二維一軸1×1的編織工藝對玄武巖復(fù)絲進行編織。編織過程中，可通過收束器調(diào)節(jié)編織繩索與編織方向的夾角，簡稱編織夾角(即玄武巖復(fù)絲穿過紗管上端的瓷眼后，喂入編織點時與繩索成形方向的軸線形成的夾角)，通過編織機控制臺對編織節(jié)距和編織速度進行設(shè)置，利用不增設(shè)芯模的方法實現(xiàn)玄武巖纖維繩索內(nèi)部復(fù)絲的緊密捻合。

1.3 試驗方案

1.3.1 正交試驗設(shè)計

根據(jù)玄武巖復(fù)絲在編織過程中易因扭轉(zhuǎn)、彎折及摩擦而導(dǎo)致其力學(xué)性能受損的情況，本試驗針對編織過程中的編織夾角θ、編織節(jié)距和編織速度這3個編織工藝參數(shù)進行研究(圖1)。采用自制的折角裝置測量編織夾角θ。玄武巖復(fù)絲的扭轉(zhuǎn)傾角α可根據(jù)式(1)計算。

(1)

式中：α——玄武巖復(fù)絲的扭轉(zhuǎn)傾角，(°)；

d——玄武巖纖維繩索的直徑，mm；

l——玄武巖纖維繩索的編織節(jié)距, mm。

圖1 玄武巖復(fù)絲的編織夾角θ和扭轉(zhuǎn)傾角α

為明確編織工藝參數(shù)對玄武巖纖維繩索編織過程中力學(xué)性能損傷的影響程度，運用 L9(33)正交試驗法對編織參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，具體編織工藝參數(shù)如表1所示。

表1 編織工藝參數(shù)設(shè)計

1.3.2 斷頭/接頭編織試驗

玄武巖纖維脆性大、易發(fā)生斷裂，編織過程中會因纖維磨損和斷裂而引起纖維所受張力及纖維空間排列的波動。若停機接頭，編織物表面將出現(xiàn)疵點，接頭處紗線的交織結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生變化，從而給繩索的力學(xué)性能造成損傷。本試驗將以編織夾角為30°、編織速度為20 r/min、編織節(jié)距為60mm的編織參數(shù)制備的玄武巖纖維繩索試樣為例，探究繩索編織過程中斷頭/接頭方式對玄武巖纖維繩索力學(xué)性能的影響，編織試驗方案如表2。

表2 斷頭/接頭編織試驗方案

1.4 力學(xué)性能測試

參照GB/T 8834—2016《纖維繩索有關(guān)物理和機械性能的測試》，在INSTRON-5943型電子萬能強力機上采用2712-041型夾頭對編織的玄武巖纖維繩索試樣進行拉伸斷裂強力性能的測試。其中，夾頭夾持間距設(shè)置為250 mm，拉伸速度為20 mm/min。試驗前對試樣施加一定的預(yù)張力，使試樣處于自然伸直狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

編織夾角、編織速度和編織節(jié)距對玄武巖纖維繩索力學(xué)性能影響的測試結(jié)果如表3所示。不同編織參數(shù)制備的玄武巖纖維繩索試樣的外觀如圖2所示。

表3 玄武巖纖維繩索力學(xué)性能測試結(jié)果

圖2 不同編織參數(shù)制備的玄武巖纖維繩索試樣的外觀

2.2 正交試驗分析

由圖2可看出：隨著編織節(jié)距的減小，玄武巖纖維繩索的表觀結(jié)構(gòu)變得緊密、復(fù)絲間交織節(jié)點增多；隨著編織夾角增大，玄武巖纖維繩索表面的復(fù)絲劈裂、起毛現(xiàn)象嚴重；隨著編織速度的增加，玄武巖纖維繩索局部屈曲扭結(jié)，整體的光潔度、平整度下降。

由表3玄武巖纖維繩索試樣力學(xué)性能的極差分析知，斷裂強力和斷裂伸長率中第2列的極差R最大，由于復(fù)絲隨著錠子的移動相互約束抱合，復(fù)絲間螺旋交錯排列的取向影響玄武巖纖維繩索的應(yīng)力分布及受拉伸時復(fù)絲間的可移動空間，故在玄武巖復(fù)絲相互交織過程中，編織速度對玄武巖纖維繩索的斷裂強力和斷裂伸長率影響最大[9]。同時斷裂強力第1列的極差較為顯著，說明通過收束器調(diào)節(jié)復(fù)絲交織點位置能改變復(fù)絲與瓷眼中心軸線所成夾角，從而改變復(fù)絲與瓷眼間的滑動摩擦力。摩擦力較大時, 復(fù)絲起毛嚴重, 出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象；摩擦力較小時，玄武巖復(fù)絲可穩(wěn)定編織。因此，玄武巖復(fù)絲相互交織過程中編織夾角對玄武巖纖維繩索的斷裂強力有較大的影響。

表4為正交試驗方差分析表，通過對比F值可知，編織參數(shù)對玄武巖復(fù)絲相互交織過程中的斷裂強力和斷裂伸長率影響大小排序：在斷裂強力方面，編織速度>編織夾角>編織節(jié)距；在斷裂伸長率方面，編織速度>編織節(jié)距>編織夾角。表4中的統(tǒng)計分析結(jié)果與表3一致，由此可知，對玄武巖纖維繩索力學(xué)性能損傷最小的編織參數(shù)組合為編織夾角30°、編織速度26r/min、編織節(jié)距20 mm，即1#玄武巖纖維繩索試樣綜合力學(xué)性能最好。

表4 玄武巖纖維繩索力學(xué)性能正交試驗方差分析表

將1#玄武巖纖維繩索試樣拆解得到編織后的單根玄武巖復(fù)絲，通過與編織前卷繞紗管上的單根復(fù)絲的力學(xué)性能進行對比(表5)發(fā)現(xiàn)，玄武巖復(fù)絲經(jīng)扭轉(zhuǎn)編織后的斷裂強力、斷裂伸長率、拉伸應(yīng)力均顯著下降。其原因可能是玄武巖復(fù)絲在進入編織節(jié)點前受到磨損，在編織過程中復(fù)絲間的擠壓、扭曲、彎折進一步損傷了纖維的力學(xué)性能。而彈性模量的增加則說明編織后的玄武巖復(fù)絲在拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變比降低，復(fù)絲難以拉伸變形，力學(xué)性能僵化。

表5 編織前后玄武巖復(fù)絲力學(xué)性能對比

2.3 斷頭/接頭編織方式的影響

編織過程中，若某錠玄武巖復(fù)絲出現(xiàn)斷裂，常見的操作是停機接頭后繼續(xù)編織，或不接頭以剩余錠數(shù)繼續(xù)編織。本文采用斷頭/接頭這兩種編織方式制備的4種玄武巖纖維繩索的表現(xiàn)形態(tài)如圖3所示，玄武巖纖維繩索的力學(xué)性能對比分析結(jié)果如表6所示。

圖3 不同編織方式制備的玄武巖纖維繩索的表觀形態(tài)

表6 不同斷頭/接頭編織方式制備的玄武巖纖維繩索的力學(xué)性能對比

對比方案A與方案B發(fā)現(xiàn)，與16根復(fù)絲交織的玄武巖纖維繩索相比，15根復(fù)絲交織的玄武巖纖維繩索的斷裂強力較低(542.81 N<661.96 N)，兩者斷裂強力差 (119.15 N)遠大于單根玄武巖復(fù)絲的斷裂強力(57.55 N)。斷裂伸長率、彈性模量和拉伸應(yīng)力也較低，這說明玄武巖纖維繩索的斷裂強力并不是簡單的單根復(fù)絲斷裂強力的相加，多根復(fù)絲間的交纏和抱合可增強繩索的整體斷裂強力，從而提高單根復(fù)絲的利用率。

對比方案C與方案B發(fā)現(xiàn)，與16根復(fù)絲穩(wěn)定編織相比，斷頭后繼續(xù)編織的繩索的斷裂強力降低了20.05%，降幅較大，斷裂伸長率卻增加了5.96%，彈性模量和拉伸應(yīng)力均顯著降低[10]。其原因是在連續(xù)編織過程中，復(fù)絲與攜紗器之間的摩擦力和管紗上的退繞張力，使得原先穩(wěn)定的編織張力發(fā)生變化，導(dǎo)致復(fù)絲間應(yīng)力分布不規(guī)律，復(fù)絲出現(xiàn)嚴重的起毛、斷裂現(xiàn)象[圖3 c)]。

對比方案C與方案A發(fā)現(xiàn)，同是采用15根玄武巖復(fù)絲進行編織，斷裂后繼續(xù)編織的繩索(方案C)的斷裂強力低于15錠穩(wěn)定編織的繩索(方案A)，這是由于直接以15根復(fù)絲進行編織的復(fù)絲間的張力較為均勻，且不會出現(xiàn)突發(fā)性的張力波動，繩索結(jié)構(gòu)不會改變，無強力弱環(huán)。以15根玄武巖復(fù)絲編織的繩索，結(jié)構(gòu)更為緊密，其橫截面直徑較16根玄武巖復(fù)絲斷1根后繼續(xù)編織的繩索的小[圖3 c)]。

斷頭后接頭繼續(xù)編織的玄武巖纖維繩索(方案D)的斷裂強度略低于16錠穩(wěn)定編織的玄武巖纖維繩索，其原因在于接頭后重啟機器，編織速度由零開始逐步增加，復(fù)絲間的張力也會隨之變化，接頭后復(fù)絲間的應(yīng)力小于接頭前復(fù)絲間的應(yīng)力。此外，接頭處的復(fù)絲排列規(guī)律受到影響，繩索強力出現(xiàn)弱環(huán)[11]。但接頭重啟后存在編織提速的過程，接頭后復(fù)絲間交織結(jié)構(gòu)較為松散，給拉伸形變留有足夠空間，故方案D制備的玄武巖纖維繩索的斷裂伸長率較方案A、B和C的大。由此可見，復(fù)絲斷裂后停機重新接頭的編織方法對玄武巖纖維繩索整體力學(xué)性能的損傷較小，但接頭處的表觀結(jié)構(gòu)平整性較差，局部存在交織結(jié)構(gòu)松散的現(xiàn)象[(圖3 d)]。

3 結(jié)論

本試驗主要對玄武巖纖維繩索的編織參數(shù)及其力學(xué)性能進行了探究。通過方案設(shè)計、上機編織、性能測試及數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

1) 二維編織參數(shù)對玄武巖纖維繩索的力學(xué)損傷行為的影響包括: 在斷裂強力方面，編織速度>編織夾角>編織節(jié)距；在斷裂伸長率方面，編織速度>編織節(jié)距>編織夾角。

2) 二維編織過程中玄武巖復(fù)絲間張力不勻易引起纖維間的相互摩擦，導(dǎo)致玄武巖纖維繩索表觀結(jié)構(gòu)惡化，從而影響繩索的力學(xué)性能。

3) 玄武巖纖維編織過程中復(fù)絲斷裂可進行停機接頭再編織，既方便連續(xù)生產(chǎn)，也能減少其力學(xué)性能的損失，而斷頭后采用不接頭而繼續(xù)編織的方法對玄武巖纖維繩索力學(xué)性能的損傷較大(達20%以上)。