尼龍6工業(yè)絲在不同負(fù)荷下的蠕變響應(yīng)機(jī)制

摘 要： 為探究不同負(fù)荷條件下尼龍6工業(yè)絲的蠕變性能差異及其形變機(jī)理，采用廣角X射線衍射、小角X射線散射、紅外、雙折射等測試方法，研究了尼龍6工業(yè)絲在不同負(fù)荷條件下的蠕變性能差異和蠕變前后的多層次結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。結(jié)果表明：尼龍6工業(yè)絲的蠕變形變率隨著負(fù)荷的增大而增大；當(dāng)蠕變負(fù)荷不超過40%平均斷裂負(fù)荷（ABL）時，樣品的彈性回復(fù)率和蠕變速率參數(shù)基本保持不變，當(dāng)蠕變負(fù)荷大于40% ABL時，樣品的彈性回復(fù)率明顯降低，蠕變速率參數(shù)提高。蠕變回復(fù)后樣品的結(jié)晶度、晶區(qū)取向和晶粒尺寸等晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)均未發(fā)生明顯變化，結(jié)構(gòu)變化主要發(fā)生在非晶區(qū)結(jié)構(gòu)。樣品非晶區(qū)取向、片晶厚度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著蠕變負(fù)荷的增大而增大，尤其當(dāng)蠕變負(fù)荷大于40% ABL時，蠕變后樣品非晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化程度更為明顯。取向程度較低的部分無定形分子鏈在蠕變負(fù)荷的作用下沿纖維軸有序排列生成取向非晶區(qū)結(jié)構(gòu)，取向非晶區(qū)結(jié)構(gòu)在蠕變負(fù)荷撤去后無法完全回復(fù)。

關(guān)鍵詞： 尼龍6工業(yè)絲；蠕變機(jī)理；微觀結(jié)構(gòu)；WAXD；SAXS

中圖分類號： TS102"" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A"" "文章編號： 1009-265X（2025）01-0001-09

尼龍6工業(yè)絲具有良好的耐熱性、耐化學(xué) 性、高強(qiáng)度、回彈性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輪胎簾子線、纜繩、土工材料等產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域^［1-2］。尼龍6工業(yè)絲在長期負(fù)載條件下的服役過程中會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，涉及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而影響其服役性能。Civier等^［3］認(rèn)為纜繩的蠕變和回復(fù)行為表現(xiàn)為減速蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變、蠕變回復(fù)3個階段，進(jìn)一步利用對數(shù)函數(shù)對蠕變曲線進(jìn)行擬合獲取蠕變速率，發(fā)現(xiàn)利用單對數(shù)線性定律可實(shí)現(xiàn)基于短期蠕變實(shí)驗數(shù)據(jù)預(yù)測長期條件下的蠕變應(yīng)變。與此同時，其他種類纖維的蠕變性能及其機(jī)理研究對尼龍6工業(yè)絲蠕變性能研究提供了借鑒。Lechat等^［4］分析了PET和PEN纖維的蠕變行為差異，發(fā)現(xiàn)其蠕變速率表現(xiàn)出3個區(qū)間： 最初短暫增加，然后略有下降，最后急劇增加；認(rèn)為在PET和PEN纖維在蠕變斷裂過程中主要涉及次級化學(xué)鍵的失效。陳康等^［5］建立了適合聚酯工業(yè)絲蠕變測試的方法，并研究了在 低溫（80 ℃）和高溫（200 ℃）條件下高強(qiáng)型聚酯工業(yè)絲蠕變及蠕變斷裂過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，發(fā)現(xiàn)低溫條件下蠕變斷裂主要來源于非晶區(qū)分子鏈段滑移，而在高溫條件下的蠕變斷裂主要是由晶區(qū)分子鏈被破壞而引起的。

尼 龍6工業(yè)絲在服役過程中會面臨不同負(fù)荷條件下的蠕變環(huán)境，但目前對于不同負(fù)荷條件下尼龍6工業(yè)絲蠕變性能和結(jié)構(gòu)變化尚不明確，制約了應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。本文通過對尼龍6工業(yè)絲進(jìn)行不同負(fù)荷的蠕變實(shí)驗，明確不同負(fù)荷條件下蠕變性能響應(yīng)區(qū)別，并利用同步輻射廣角X射線散射（WAXD）、小角X射線散射（SAXS）、雙折射取向、紅外光譜等測試方法研究蠕變前后的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，探究尼龍6工業(yè)絲不同負(fù)荷條件下的蠕變機(jī)理，為尼龍6工業(yè)絲在工業(yè)領(lǐng)域的拓展提供理論參考。

1 實(shí)驗

1.1 實(shí)驗樣品

本文所使用的尼龍6工業(yè)絲規(guī)格為1480 dtex（210 f），斷裂伸長率為18.05%，斷裂強(qiáng)度為8.04 cN/dtex，由神馬實(shí)業(yè)股份有限公司提供。

1.2 蠕變實(shí)驗

利用美國Instron公司68TM-30型電子萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行蠕變實(shí)驗。樣品的強(qiáng)度-伸長率曲線如圖1所示，為了說明不同應(yīng)力范圍內(nèi)蠕變性能差異，蠕變負(fù)荷分別設(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%、70%平均斷裂負(fù)載（Average breaking load，ABL），實(shí)驗溫度為30 ℃，樣品夾持距離為250 mm。由于樣品在蠕變時間超過15 min后基本進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變，因此蠕變時間為60 min，蠕變回復(fù)6 h，記錄蠕變形變率隨時間的變化曲線。

1.3 廣角X射線衍射（WAXD）測試

廣角X射線衍射（WAXD）實(shí)驗在上海光源的BL14B1線站進(jìn)行，配備了Mar CCD 225成像板收集蠕變前后樣品的二維WAXD圖譜。入射X射線的波長為0.0689 nm，以LaB₆為標(biāo)樣標(biāo)定樣品到探測器之間的距離為331.9 mm?；趦上嗄Ｐ停瑢ΧSWAXD數(shù)據(jù)使用X-polar 和Peak-fit軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別獲得尼龍6工業(yè)絲的結(jié)晶度、晶粒尺寸及晶區(qū)取向因子等晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)^［6-8］。

1.4 小角X射線散射（SAXS）測試

小角X射線散射（SAXS）在上海光源的BL16B1 線站進(jìn)行，配備了Mar CCD 225成像板收集蠕變前后樣品的二維SAXS圖譜。入射X射線波長為0.124 nm，以牛筋為標(biāo)樣標(biāo)定樣品到探測器的距離為1980 mm。參考相關(guān)文獻(xiàn)［9-11］，基于兩相模型對二維SAXS圖像使用X-polar和Peak-fit軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別計算獲得尼龍6工業(yè)絲的片晶直徑、片晶層傾斜角、長周期長度、片晶厚度、非晶層厚度等微納結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.5 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測試

采用美國Nicolet-Thermo公司的NEXUS-670型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對蠕變前后樣品進(jìn)行紅外測試。測試條件：采用衰減全反射模式（ATR），波數(shù)范圍為500～4000 cm^-1，掃描32次，最高分辨率為4 cm^-1。

1.6 動態(tài)力學(xué)分析（DMA）測試

采用瑞士METTLER-TOLEDO公司DMA 1型動態(tài)熱機(jī)械分析儀對蠕變前后樣品進(jìn)行測試，使用薄膜拉伸夾具。測試頻率為1 Hz，振幅為20 μm，溫度掃描范圍為30～180 ℃，升溫速率為3 ℃/min。

1.7 雙折射測試

采用上海凱歷迪新材料科技股份有限公司的SSY-KN型偏振光顯微鏡進(jìn)行雙折射測試，配備了一個Berek補(bǔ)償器獲得纖維樣品補(bǔ)償角θ，基于（1）式獲得樣品的雙折射值：

Δn= R D" （1）

式中： R為光程差，nm；D為纖維直徑，nm。光程差R由OLYMPUS提供的“光程差-補(bǔ)償角”換算表得到。

根據(jù)雙折射測試結(jié)果以及晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)，基于（2）式獲得樣品的非晶區(qū)取向因子a：

Δn=Δn0c·xc·fc+Δn0a·（1-xc）·fa （2）

式中：xc為結(jié)晶度，c為晶區(qū)取向因子，尼龍6非晶相的本征雙折射率，Δn0a=0.078，尼龍6的α型晶體本征雙折射率Δn0c=0.097^［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠕變性能

為了說明常溫條件下尼龍6工業(yè)絲在不同應(yīng)力區(qū)間的蠕變性能差異，在室溫環(huán)境下對尼龍6工業(yè)絲進(jìn)行負(fù)荷為20%～70% ABL的蠕變實(shí)驗，獲得蠕變形變率-時間曲線，結(jié)果如圖2（a）所示。從圖2（a）中可以發(fā)現(xiàn)：尼龍6工業(yè)絲在負(fù)荷小于70% ABL的條件下蠕變60 min均未發(fā)生斷裂，可以獲得完整的蠕變形變曲線。

當(dāng)蠕變負(fù)荷加載后樣品所發(fā)生的形變率 為初始蠕變形變率；當(dāng)蠕變實(shí)驗進(jìn)行到60 min時，此時的蠕變形變率為總?cè)渥冃巫兟?。卸載負(fù)荷后部分發(fā)生的蠕變形變開始緩慢回復(fù)，回復(fù)6 h后可以回復(fù)的蠕變形變率為彈性蠕變形變率，不可回復(fù)的蠕變形變率稱為塑性蠕變形變率，將彈性蠕變形變率與總?cè)渥冃巫兟实谋戎捣Q為彈性回復(fù)率^［13］。此外，通過對數(shù)函數(shù)擬合蠕變曲線可確定蠕變速率參數(shù)（ε （t）=A·log（t）+B，其中ε（t）為蠕變形變率，t為時間，系數(shù)A為蠕變速率參數(shù)），來說明不同負(fù)荷條件下尼龍6工業(yè)絲的抗蠕變性能差異，參數(shù)值越大，說明樣品的蠕變速率越大，其抗蠕變性能越差^［14］。

采用初始蠕變形變率、總?cè)渥冃巫兟?、彈性蠕變形變率、塑性蠕變形變率等蠕變性能參?shù)來定量描述尼龍6工業(yè)絲在不同負(fù)荷下的蠕變性能差異，如圖2（b）所示。樣品的彈性回復(fù)率和蠕變速率參數(shù)隨蠕變負(fù)荷變化曲線如圖2（c）所示。

從圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)：隨著蠕變負(fù)荷的增加，尼龍6工業(yè)絲的初始蠕變形變率和總?cè)渥冃巫兟室搽S之增加，但彈性蠕變形變率和塑性蠕變形變率增加的幅度并不相同。從圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)：在蠕變負(fù)荷不高于40% ABL時，樣品的彈性回復(fù)率隨著蠕變負(fù)荷增大基本保持不變，均保持在99%以上，蠕變速率常數(shù)隨蠕變負(fù)荷增大而緩慢增大；當(dāng)蠕變負(fù)荷高于40% ABL時，隨著蠕變負(fù)荷增大，樣品的彈性回復(fù)率開始降低，在70% ABL時達(dá)到94%，蠕變速率參數(shù)快速增大。說明在較高的蠕變負(fù)荷條件下，尼龍6工業(yè)絲的塑性蠕變形變增加得更加明顯，同時蠕變速率快速增大。

2.2 結(jié)構(gòu)演變

為探究尼龍6工業(yè)絲在不同負(fù)荷蠕變前后化學(xué)結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)和微納結(jié)構(gòu)差異，明確尼龍6工業(yè)絲的蠕變機(jī)理，分別采用紅外光譜（FTIR）、廣角X射線衍射（WAXD）、小角X射線散射（SAXS）分析尼龍6工業(yè)絲在蠕變前后晶型轉(zhuǎn)變、結(jié)晶度、晶粒尺寸、晶區(qū)取向因子及長周期等超分子結(jié)構(gòu)和片晶堆砌結(jié)構(gòu)差異，并結(jié)合雙折射、動態(tài)力學(xué)分析（DMA）等測試方法研究樣品在不同蠕變負(fù)荷條件下的多層次結(jié)構(gòu)變化。

2.2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

為了獲取不同蠕變負(fù)荷對尼龍6工業(yè)絲的晶型結(jié)構(gòu)的影響，通過紅外光譜對蠕變前后樣品進(jìn)行測試。2940 cm^-1處的峰代表尼龍6樣品—CH2的反對稱伸縮振動峰^［15］，其吸光度不受晶區(qū)和構(gòu)象影響，因此作為內(nèi)標(biāo)峰以消除樣品和測試對吸光度的影響?；?940 cm^-1譜帶歸一化處理后樣品的紅外光譜如圖3所示。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：尼龍6工業(yè)絲原樣的紅外光譜中只存在α晶型特征峰（930、960 cm^-1），未觀察到γ型特征峰（973 cm^-1），表明未經(jīng)蠕變處理的纖維的結(jié)晶相以穩(wěn)定的α型晶體形式存在。不同負(fù)荷條件下蠕變后樣品的紅外光譜同樣只存在α晶型特征峰， 并未在蠕變過程中發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。基 于1124 cm^-1非晶 峰的峰高比來對比不同蠕變負(fù)荷對樣品造成的結(jié)晶度變化^［16］。不同負(fù)荷條件下樣品非晶峰的吸光度比值A(chǔ)1124/A2940變化較小，原樣吸光度比值A(chǔ)1124/A2940為0.59，當(dāng)蠕變負(fù)荷達(dá)到70% ABL時吸光度比值A(chǔ)1124/A2940為0.57。隨著蠕變負(fù)荷的增大，A1124/A2940的比值沒有發(fā)生變化，即蠕變前后尼龍6工業(yè)絲的結(jié)晶度沒有發(fā)生明顯變化。綜上所述，在蠕變前后尼龍6的晶區(qū)結(jié)構(gòu)既沒有發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變也不會發(fā)生結(jié)晶度變化，其晶區(qū)結(jié)構(gòu)變化在蠕變負(fù)荷撤去后可以完全回復(fù)。

2.2.2 超分子結(jié)構(gòu)

為 深入研究尼龍6工業(yè)絲在不同蠕變負(fù)荷條件下微觀結(jié)構(gòu)的變化，明確其蠕變機(jī)理，采用WAXD來探究不同負(fù)荷蠕變實(shí)驗前后樣品的超分子結(jié)構(gòu)變化。原樣及不同蠕變負(fù)荷條件下樣品的二維WAXD圖譜如圖4所示，相對應(yīng)的一維積分曲線如圖5所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：尼龍6工業(yè)絲原樣在赤道線方向上存在（200）、（002）晶面的兩個衍射亮斑，這是由于它本身具有的高取向、高結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征。蠕變后樣品在赤道線方向上（200）、（002）晶面的位置和強(qiáng)度并沒有發(fā)生明顯變化；而由圖5中可以發(fā)現(xiàn)：不同負(fù)荷條件下樣品的一維積分曲線同樣沒有發(fā)生明顯變化。表明常溫條件下，當(dāng)尼龍6工業(yè)絲所受到的蠕變負(fù)荷不大于70% ABL時，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)在蠕變過程中不會發(fā)生破壞。

進(jìn)一步基于兩相模型對獲得的一維積分曲線進(jìn)行分峰處理，以獲得不同負(fù)荷條件下蠕變后尼龍6工業(yè)絲樣品的結(jié)晶度、及（200）、（002）晶面的晶粒尺寸等晶區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果如圖6（a）所示。采用Hermans取向因子對不同蠕變負(fù)荷條件下樣品的晶區(qū)取向因子進(jìn)行評價，結(jié)合雙折射測試結(jié)果獲得不同蠕變負(fù)荷條件下樣品取向結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6（b）所示。

從圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)：隨著蠕變負(fù)荷的增大，樣品的結(jié)晶度與（200）、（002）晶面晶粒尺寸均沒有發(fā)生明顯變化，說明尼龍6工業(yè)絲的晶態(tài)部分在撤去蠕變負(fù)荷后可以完全回復(fù)，與上述紅外光譜結(jié)論一致。從圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)：隨著蠕變負(fù)荷的增大，代表分子鏈整體取向的雙折射值從0.0689增大至0.0713，非晶區(qū)取向因子由0.56增大至0.62，而其晶區(qū)取向均未發(fā)生變化。尼龍6工業(yè)絲總?cè)∠虺潭鹊脑龃笾饕獊碓从诶w維非晶區(qū)取向的增大，樣品內(nèi)部取向較低的非晶區(qū)分子鏈在常溫蠕變過程中沿蠕變方向取向。

根據(jù)WAXD的結(jié)果，尼龍6工業(yè)絲在蠕變過程中，其結(jié)晶部分在撤去蠕變負(fù)荷后能夠恢復(fù)，而主要的變化則發(fā)生在非晶區(qū)部分。因此，為了深入探究不同負(fù)荷條件下蠕變前后樣品非晶區(qū)結(jié)構(gòu)的變化，對樣品進(jìn)行DMA測試，獲得損耗角正切-溫度曲線如圖7所示。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)：尼龍6工業(yè)絲原樣在為90.3 ℃出現(xiàn)一個α轉(zhuǎn)變峰，隨著蠕變負(fù)荷的增加，樣品的α轉(zhuǎn)變峰位置向高溫方向移動，并且蠕變負(fù)荷越高，α轉(zhuǎn)變峰值偏移程度越明顯。說明蠕變后的尼龍6工業(yè)絲的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，非晶區(qū)分子鏈段開始發(fā)生熱運(yùn)動的溫度升高，鏈段間束縛增大，活動能力降低。這從另一個方面佐證了蠕變使得尼龍6非晶區(qū)分子鏈段沿蠕變方向取向，促進(jìn)了有序-無序之間的相轉(zhuǎn)變。

2.2.3 微納結(jié)構(gòu)

利用SAXS技術(shù)探討了尼龍6工業(yè)絲在不同應(yīng)力區(qū)間下的片晶結(jié)構(gòu)演變過程，其二維SAXS圖像如圖8所示。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)：尼龍6工業(yè)絲在子午線方向存在強(qiáng)烈的“四點(diǎn)”模式的片晶層散射，表明工業(yè)絲內(nèi)部存在周期性的片晶結(jié)構(gòu)。通過對二維圖譜的進(jìn)一步定量分析計算，可以獲得其片晶結(jié)構(gòu)參數(shù)^［17］。

將二維SAXS圖中子午線方向和赤道線方向分別定義為q1和q2，不同負(fù)荷條件下尼龍6樣品沿子午線q1方向上的一維散射強(qiáng)度分布及對應(yīng)的相關(guān)函數(shù)曲線如圖9所示。

長周期通過式（3）計算獲得^［18］：

L= 2π q1，max" （3）

式中：L為長周期，nm；q1， max為子午線方向散射強(qiáng)度極大峰值位置的散射矢量，nm^-1。

從圖9（a）可以發(fā)現(xiàn)：隨著蠕變負(fù)荷的逐漸增大，q1， max在蠕變負(fù)荷不超過40% ABL的情況下保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生顯著變化。然而，當(dāng)蠕變負(fù)荷超過40% ABL時，峰值位置開始向左側(cè)偏移，表明在蠕變負(fù)荷超過40% ABL的條件下，纖維的長周期會隨著蠕變負(fù)荷的進(jìn)一步增大而逐漸增大。通過電子云密度曲線及其相關(guān)函數(shù)，可以獲取樣品的片晶厚度、 非晶區(qū)厚度以及長周期等關(guān)鍵參數(shù)。常溫條件下不同負(fù)荷尼龍6工業(yè)絲的片晶結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖10（a）所示，通過對q2方向上的強(qiáng)度分布曲線進(jìn)行分峰獲得片晶傾斜角和片晶直徑的變化，結(jié)果如圖10（b）所示。

由圖10（a）可知：在蠕變負(fù)荷不超過40% ABL的情況下，尼龍6工業(yè)絲的長周期、片晶厚度及非晶區(qū)厚度均未發(fā)生變化，其結(jié)構(gòu)在蠕變負(fù)荷撤去后可以完全回復(fù)；而當(dāng)蠕變負(fù)荷大于40% ABL時，尼龍6工業(yè)絲的晶區(qū)厚度從4.3 nm增大到4.6 nm，這WAXD結(jié)果顯示晶區(qū)結(jié)構(gòu)變化在蠕變負(fù)荷撤去后可以完全回復(fù)，這是因為SAXS的散射信號來自 樣品內(nèi)部的電子云密度差，因此根據(jù)兩相模型計算得到的片晶厚度包含取向的非晶區(qū)。非晶區(qū)的無定形分子在蠕變負(fù)荷作用下沿纖維軸方向取向，部分取向程度較低的無定形轉(zhuǎn)化為取向的非晶結(jié)構(gòu)，并且在蠕變負(fù)荷撤去之后無法完全回復(fù)，因此片晶厚度增大。由圖10（b）可知：蠕變前后尼龍6工業(yè)絲的片晶直徑和片晶傾斜角基本保持不變，蠕變導(dǎo)致的片晶結(jié)構(gòu)變化在回復(fù)過程中基本完全回復(fù)。

2.3 蠕變機(jī)理

綜合不同負(fù)荷下尼龍6工業(yè)絲蠕變前后樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)與微納結(jié)構(gòu)變化結(jié)果，其微觀結(jié)構(gòu)變化示意圖如圖11所示，蠕變機(jī)理可從晶區(qū)結(jié)構(gòu)和非晶區(qū)結(jié)構(gòu)兩部分來闡述。

2.3.1 晶區(qū)結(jié)構(gòu)

綜合FTIR、WAXD和SAXS結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷的蠕變實(shí)驗對尼龍6工業(yè)絲造成的微觀結(jié)構(gòu)差異基本發(fā)生在非晶部分，蠕變并沒有對尼龍6工業(yè)絲的結(jié)晶部分造成明顯影響。尼龍6工業(yè)絲的結(jié)晶度、晶區(qū)取向因子、晶粒尺寸、片晶直徑和片晶傾斜角變化在蠕變回復(fù)后可以完全恢復(fù)。尼龍6工業(yè)絲在蠕變過程中發(fā)生的晶區(qū)結(jié)構(gòu)變化在撤去外界蠕變負(fù)荷后可以完全回復(fù)。

2.3.2 非晶區(qū)結(jié)構(gòu)

由DMA、雙折射和SAXS結(jié)果可知，不同負(fù)荷的蠕變實(shí)驗使得尼龍6工業(yè)絲的非晶區(qū)取向隨蠕變負(fù)荷的增大而增大。在蠕變負(fù)荷不超過40% ABL的情況下，尼龍6工業(yè)絲的非晶區(qū)分子鏈在蠕變負(fù)荷作用下被緩慢拉伸，但撤去蠕變負(fù)荷后，非晶部分變化可以回復(fù)；而當(dāng)蠕變負(fù)荷超過40% ABL時，取向程度較低的非晶區(qū)分子鏈在外力作用下被拉伸，部分無定形分子鏈生成一定的有序取向結(jié)構(gòu)，部分伸直的分子鏈間產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用力，生成取向的非晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樣品的片晶厚度增大。

3 結(jié)論

本文利用雙折射測試、FTIR、DMA、WAXD、SAXS 等方法分析了尼龍6工業(yè)絲不同負(fù)荷條件下的蠕變性能及蠕變機(jī)制差異，并對纖維的非晶區(qū)以及片晶結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

a）尼龍6工業(yè)絲具有較好的蠕變性能，彈性回復(fù)率在蠕變負(fù)荷不高于70% ABL的條件下均在90%以上；蠕變形變隨蠕變負(fù)荷的提高而增加，蠕變過程中主要發(fā)生的是可回復(fù)的彈性蠕變形變。在蠕變負(fù)荷不超過40% ABL的情況下，彈性回復(fù)率隨蠕變負(fù)荷提高基本保持不變，而當(dāng)蠕變負(fù)荷超過40% ABL時，彈性回復(fù)率隨溫度提高而呈下降的趨勢，蠕變速率參數(shù)快速增加。

b）尼龍6工業(yè)絲晶區(qū)取向因子和結(jié)晶度等晶區(qū)結(jié)構(gòu)變化在蠕變回復(fù)后可以完全恢復(fù)，尼龍6工業(yè)絲在常溫條件下的蠕變行為主要取決于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在蠕變負(fù)荷不超過40% ABL的情況下，尼龍6工業(yè)絲的晶區(qū)和非晶區(qū)結(jié)構(gòu)在蠕變過程中的變化均會隨著撤去蠕變負(fù)荷而回復(fù)，但當(dāng)蠕變負(fù)荷超過40% ABL時，其非晶區(qū)分子鏈沿蠕變形變發(fā)生取向，部分非晶區(qū)分子鏈轉(zhuǎn)化形成取向的非晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致片晶厚度增大，不可逆的蠕變形變占比增大，彈性回復(fù)率下降，蠕變速率快速增加。

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Creep response mechanism of nylon 6 industrial fibers under different loads

HE" Hao，" ZHANG" Yingliang，" LIU" Chenjun，" YIN" Yaran，" CHEN" Kang，" ZHANG" Xianming

（1.School of Materials Science amp; Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Zhejiang Provincial Innovation Center of Advance Textile Technology， Shaoxing 312030， China）

Abstract：

Because of their excellent heat resistance， chemical resistance， high strength， and superior elastic properties， nylon 6 industrial fibers are widely used in tire cords， cables， geomaterials， and other industrial fields. Nylon 6 industrial fibers will creep during service under load conditions. The creep process involves changes in their internal microstructure， affecting their service performance. However， the creep properties and structural changes of nylon 6 industrial fibers under different load conditions are still unclear.In this paper， the creep experiments of nylon 6 industrial fibers across various load ranges （20%-70% average breaking load， ABL） were conducted， and the difference of creep properties of nylon 6 industrial fibers under different load conditions was compared. The microstructure changes of nylon 6 industrial fibers before and after creep under different load conditions were studied by using wide-angle X-ray diffraction （WAXD）， small-angle X-ray scattering （SAXS）， Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）， and birefringence techniques.It can be seen from the creep experiment that the creep deformation rate of the sample increases with the increase of the creep load. When the creep load is not more than 40% ABL， both the elastic recovery rate and creep rate of the sample remain unchanged. However， when the creep load exceeds 40% ABL， there is a decrease in the elastic recovery rate accompanied by an increase in the creep rate. In order to explore the internal structural differences caused by creep at room temperature in nylon 6 industrial fibers under different creep loads， FTIR， WAXD， and SAXS were used to analyze the crystal type transformation， crystallinity， crystallite size， crystal orientation factor， fiber long period and lamellar structure of nylon 6 industrial fibers. Combined with birefringence and dynamic mechanical analysis （DMA）， the multilayer structure changes of samples before and after creep tests under different creep loads were studied. The results obtained from FTIR， WAXD， and SAXS indicate that no crystal type transformation occurred during the creep process. Additionally， no significant changes were observed in the crystal structure parameters， including crystallinity， crystallite size， and crystal orientation factor of the nylon 6 industrial fibers. After creep recovery， the changes in the crystal structure of nylon 6 industrial fibers were almost completely recovered. SAXS and birefringence results show that the creep behavior of nylon 6 industrial fibers at room temperature mainly depends on the amorphous structure. When the creep load is low （≤40% ABL）， the orientation and thickness of the amorphous zone in the nylon 6 industrial fibers will recover with the removal of the creep load， and when the creep load is high （gt;40% ABL）， the structure of the crystalline zone and the amorphous zone will recover. The orientation and thickness of the amorphous zone of nylon 6 industrial fibers will increase with the increase of creep load. This is due to the fact that the molecular chains in the amorphous region are oriented along the creep deformation under high creep load， and the molecular chains in the amorphous region with a small degree of orientation are gradually stretched and cannot be completely recovered， and some of the molecular chains in the amorphous region are transformed into oriented amorphous structures， and the thickness of the crystal region increases.

Keywords：

nylon 6 industrial fibers; creep mechanism; microstructure; WAXD; SAXS

基金項目：" 浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃項目（2024C01083，2023C01095）；浙江省自然科學(xué)基金探索項目（Q24E030033）；浙江 省博士后科研擇優(yōu)資助項目（ZJ2023093）；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性計劃項目（2022006）；浙江理工大學(xué)科研啟動基金項目（21212305-Y）

作者簡介： 何灝（1999—），男，陜西商洛人，碩士研究生，主要從事尼龍6工業(yè)絲結(jié)構(gòu)性能方面的研究

通信作者： 陳康，E-mail：chenkang@zstu.edu.cn