測(cè)試夾具類型和隔距對(duì)對(duì)位芳綸拉伸性能測(cè)試結(jié)果的影響

胡煜潔 羅 琦

帝人芳綸貿(mào)易(上海)有限公司亞太技術(shù)中心(TCA)，上海 200233

對(duì)位芳綸(芳綸1414)作為一種高性能纖維，其具有高強(qiáng)、高模等優(yōu)異性能，已在橡膠、光纜、防護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)位芳綸用量的不斷增加，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)眾多涉及對(duì)位芳綸應(yīng)用技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)得到了制定和修訂[1]。其中，準(zhǔn)確測(cè)得對(duì)位芳綸產(chǎn)品的模量、斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率等拉伸性能指標(biāo)，既是測(cè)試的基本要求，又是設(shè)計(jì)后續(xù)終端產(chǎn)品的依據(jù)需要。

現(xiàn)有大量研究表明，拉伸速率、紗線捻度、測(cè)試環(huán)境溫濕度等對(duì)芳綸的拉伸性能測(cè)試結(jié)果有影響。如，顧伯洪等[2]研究表明，不同的化學(xué)纖維，其應(yīng)力、應(yīng)變性能隨拉伸速率的不同而呈上下波動(dòng)的特點(diǎn)，而非呈通常認(rèn)為的單調(diào)遞增或單調(diào)遞減趨勢(shì)；董紅明等[3]研究發(fā)現(xiàn)，隨著捻系數(shù)的增加，較大線密度的芳綸紗線的斷裂伸長(zhǎng)率呈先快速增長(zhǎng)后趨于緩和增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而較小線密度的芳綸紗線其斷裂伸長(zhǎng)率呈先快速增長(zhǎng)后緩慢下降的趨勢(shì)；朱曉娜等[4]研究表明，當(dāng)紗線的捻度處于最佳捻度附近時(shí)，捻度對(duì)紗線強(qiáng)力的影響不顯著；張亞如等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著回潮率的增大，芳綸1313的斷裂強(qiáng)力和初始模量降低。因此，國(guó)際通用的芳綸長(zhǎng)絲拉伸性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7269/D7269M - 17[6]對(duì)拉伸速率、紗線捻度、測(cè)試環(huán)境溫濕度等測(cè)試參數(shù)做了規(guī)定，其要求拉伸速率數(shù)值(單位為mm/min)應(yīng)設(shè)置為隔距數(shù)值(單位為mm)的一半；拉伸測(cè)試應(yīng)使用加捻紗，所加捻度按照ASTM D7269/D7269M - 17執(zhí)行；測(cè)試環(huán)境溫濕度應(yīng)控制在(20±1) ℃和(65±3) %。此外，標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)測(cè)試夾具的包覆角及隔距做了規(guī)定，要求不大于3 500 dtex的紗線，推薦使用包覆角為180°的夾具，隔距為500 mm；大于3 500 dtex的紗線，推薦采用包覆角為270°的夾具，隔距為635 mm。但現(xiàn)有的有關(guān)夾具類型及隔距對(duì)芳綸拉伸性能測(cè)試結(jié)果影響的研究很少。

本文將就不同夾具類型及不同隔距對(duì)對(duì)位芳綸拉伸性能測(cè)試結(jié)果的影響展開探討，以期為對(duì)位芳綸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用帝人集團(tuán)生產(chǎn)的兩種規(guī)格的對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲——Twaron 1 680 dtex/1 000 f和Twaron 3 220 dtex/2 000 f進(jìn)行拉伸性能測(cè)試研究。

2 試驗(yàn)儀器及測(cè)試條件

先使用TWISTEC設(shè)備對(duì)芳綸長(zhǎng)絲進(jìn)行加捻。其中，Twaron 1 680 dtex/1 000 f預(yù)設(shè)捻度(T預(yù))為80 T/m，實(shí)測(cè)捻度(T實(shí))為79 T/m；Twaron 3 220 dtex/2 000 f預(yù)設(shè)捻度為60 T/m，實(shí)測(cè)捻度為62 T/m。實(shí)測(cè)捻度均在允許誤差范圍內(nèi)，即T實(shí)=T預(yù)±5 T/m。

接著，被測(cè)長(zhǎng)絲置于45 ℃烘箱內(nèi)預(yù)烘3 h，然后放入溫度為(20±1) ℃、相對(duì)濕度為(65±3)%的恒溫恒濕箱中平衡至少16 h，再進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。

利用Instron 5966等速伸長(zhǎng)拉力測(cè)試儀，選擇兩種氣動(dòng)芳綸夾具——Instron 2714-032(簡(jiǎn)稱夾具A，其允許的最高測(cè)量值不得超過2 kN，圖1)和Instron CP10730(簡(jiǎn)稱夾具B，其允許的最高測(cè)量值不得超過10 kN，圖2)，并采用松式夾持的方式進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。設(shè)置夾頭的氣動(dòng)氣壓為0.6～0.8 MPa；夾具A采取250、500和750 mm的隔距，夾具B采用800、1 000和1 200 mm的隔距；拉伸速率根據(jù)ASTM D7269/D7269M - 17中的規(guī)定，數(shù)值設(shè)置為隔距的一半，即夾具A的3種隔距對(duì)應(yīng)的拉伸速率分別為125、250、375 mm/min，夾具B的3種隔距對(duì)應(yīng)的拉伸速率分別為400、500、600 mm/min；預(yù)加張力為20 mN/tex。

圖1 Instron 2714-032夾具(夾具A)

圖2 Instron CP10730夾具(夾具B)

3 測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 斷裂強(qiáng)力

圖3和圖4分別為兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲在不同夾具和不同隔距下測(cè)得的斷裂強(qiáng)力。從圖3和圖4可以看出：不同夾具類型測(cè)得斷裂強(qiáng)力值差異不大，說明夾具類型對(duì)斷裂強(qiáng)力測(cè)試的影響不明顯；隨著隔距的增加，夾具A測(cè)得的兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力略有下降，夾具B測(cè)得的兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力呈先略有下降后略微上升的趨勢(shì)。

圖3 測(cè)得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的斷裂強(qiáng)力

圖4 測(cè)得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的斷裂強(qiáng)力

3.2 斷裂伸長(zhǎng)率

使用夾具測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率值包含兩部分：一部分為夾具部分的伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率用Ec表示，其不能準(zhǔn)確反映紗線的伸長(zhǎng)，原因與夾持導(dǎo)致的紗線滑移(簡(jiǎn)稱滑移效應(yīng))和夾具曲面導(dǎo)致的伸長(zhǎng)(簡(jiǎn)稱曲面效應(yīng))有關(guān)，滑移效應(yīng)使得斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試值較實(shí)際值大，曲面效應(yīng)使得測(cè)試值較實(shí)際值??；另一部分為不接觸夾持面的自由段的伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率用Ereal表示，其反映了最真實(shí)的斷裂伸長(zhǎng)率。

圖5和圖6分別為兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲在不同夾具和不同隔距下測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率。從圖5和圖6可以看出：夾具類型對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響顯著，使用夾具A測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率明顯高于使用夾具B測(cè)得的，原因與夾具B的曲面效應(yīng)大于滑移效應(yīng)，而夾具A的滑移效應(yīng)占上風(fēng)有關(guān)；隨著隔距的增加，夾具A測(cè)得的兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的斷裂伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，夾具B測(cè)得的兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的斷裂伸長(zhǎng)率規(guī)律不明顯。此外，隨著隔距的增加，自由段伸長(zhǎng)所占比例有所上升，斷裂伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)斷裂伸長(zhǎng)率，且斷裂伸長(zhǎng)率的真實(shí)值是介于使用夾具A和夾具B測(cè)試結(jié)果之間的一個(gè)數(shù)值。

圖5 測(cè)得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的斷裂伸長(zhǎng)率

圖6 測(cè)得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的斷裂伸長(zhǎng)率

3.3 弦線模量

模量的種類有多種，常見的模量有初始模量、楊氏模量、弦線模量等。其中，弦線模量是指在彈性范圍內(nèi)軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上規(guī)定兩點(diǎn)之間弦線的斜率，即應(yīng)力差值與應(yīng)變差值之比。弦線模量與規(guī)定兩點(diǎn)之間的應(yīng)力差呈正相關(guān)，與規(guī)定兩點(diǎn)之間的應(yīng)變差呈負(fù)相關(guān)。ASTM D7269/D7269M - 17中采用的是弦線模量，其規(guī)定兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值分別為300 mN/tex和400 mN/tex。

圖7和圖8為兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲在不同夾具和不同隔距下測(cè)得的弦線模量。從圖7和圖8可以看出：夾具類型對(duì)弦線模量測(cè)試結(jié)果的影響較大，使用夾具B測(cè)得的弦線模量明顯高于使用夾具A測(cè)得的弦線模量；隨著隔距的增加，夾具A測(cè)得的兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的弦線模量隨之增大，夾具B測(cè)得的兩種對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的弦線模量隨之降低。與斷裂伸長(zhǎng)率相同，夾具產(chǎn)生的滑移效應(yīng)和曲面效應(yīng)使得測(cè)試所得弦線模量并非真實(shí)值，且隨著隔距的增加，兩種夾具測(cè)得的弦線模量會(huì)逐漸趨近真實(shí)值。

圖7 測(cè)得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的弦線模量

圖8 測(cè)得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的弦線模量

4 結(jié)論

選取兩種規(guī)格的Twaron紗線——1 680 dtex/1 000 f和3 220 dtex/2 000 f，研究測(cè)試用夾具類型和隔距對(duì)兩種規(guī)格對(duì)位芳綸長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率和弦線模量的影響：

(1)夾具類型對(duì)斷裂強(qiáng)力的測(cè)試影響并不明顯；隨著隔距的增加，夾具A測(cè)得的斷裂強(qiáng)力呈下降趨勢(shì)；夾具B測(cè)得的斷裂強(qiáng)力呈先下降后上升的趨勢(shì)。

(2)夾具類型對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試影響明顯，夾具A測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率顯著高于夾具B測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率；隨著隔距的增加，夾具A測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，夾具B測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率規(guī)律不明顯。

(3)夾具類型對(duì)弦線模量的測(cè)試影響明顯，夾具A測(cè)得的弦線模量顯著低于夾具B測(cè)的弦線模量；隨著隔距的增加，夾具A測(cè)得的弦線模量呈上升趨勢(shì)，夾具B測(cè)得的弦線模量呈下降趨勢(shì)，且隨著隔距的增加，兩種夾具測(cè)得的弦線模量都會(huì)逐漸接近真實(shí)值。

綜上可見，不能孤立地看待測(cè)試結(jié)果，更不能直接將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，需結(jié)合測(cè)試條件綜合分析,以為后續(xù)終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。