二維編織芳綸包芯繩的蠕變性能分析

韓秋紅 楊彩云

(天津工業大學紡織學院，天津，300387)

芳綸具有優良的力學性能、穩定的化學性能和理想的機械性能，芳綸繩在船舶配備、漁業捕撈、港口裝卸、電力施工、石油勘探、體育用品、國防科研、航空航天等領域有著廣泛的應用［1］。芳綸可用于制作高檔的絲繩，如航空航天降落傘繩、海上油田用的支撐繩等。芳綸絲繩在海洋中使用時不僅經得起海浪的沖刷，而且藻類、貝類等海洋生物也難以在絲繩上寄生［2］。芳綸浸膠線繩是V形帶、風扇帶、同步驅動帶以及發動機、空調用軟管、彎管等橡膠制品理想的骨架材料，在發達國家它作為人造絲、玻璃絲、錦綸、棉、聚酯線繩及鋼絲的替代產品［3］。芳綸繩索在減重、易儲存方面的優勢，使其具有替代鋼鏈和鋼繩索的潛能［4］。

蠕變是化學纖維存在的主要問題之一，因長期蠕變而導致的破壞也是纖維在應用中迫切需要解決的問題。由于繩索使用的領域各異，蠕變會帶來尺寸、形態的不穩定，也影響結構的可靠性、耐用性和使用壽命。在實際應用中具體表現在：①若繩用于緊緊地固定物體，蠕變會使緊固度降低，繩發生蠕變并伴隨產生應力松弛;②若繩用于承擔載荷，雖然載荷可能遠低于斷裂載荷，持續的伸長也會導致繩索斷裂［5］。因此，在使用中掌握繩的蠕變性能和蠕變規律是十分必要的，需要在考慮強度的同時，確保其不會在使用壽命內發生顯著的性能衰減。本文設計并編織了4種不同規格的二維編織芳綸包芯繩，并對其蠕變性能進行了測試與分析，為合理選用繩索結構提供依據。

1 試驗材料

芳綸是芳香族聚酰胺類纖維的統稱，國外商品名叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國命名為芳綸。本試驗采用的材料為Kevlar 49，它是美國杜邦公司生產的一種單體芳綸，為高模量長絲紗線。表1為Kevlar 49長絲紗5次拉伸測試結果。

表1 試驗原料參數

編織繩是兩組編織紗在一個由一束芯紗組成的基圓上相互交織，并覆蓋在芯紗表面而形成一個緊密結構層。兩組編織紗按同一斜度相互交織形成編織繩，其編織紗一上一下的交織規律類似機織物中的平紋［6］。編織繩的設計一般包括直徑、芯紗根數、織機錠數和編織節距等內容。織機錠數是編織紗的根數，編織節距為上機設置的參數，即一個節距的長度是在生產時錠子完整地旋轉一圈繩索的編織長度，用mm表示。本試驗設計了4組編織繩的結構，如表2所示。樣品在GBJ90型高速編織機上織造，芳綸繩直徑的測量參照GB/T3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》。

表2 二維編織芳綸包芯繩的規格

2 試驗方法

目前二維編織芳綸包芯繩蠕變性能的測試還沒有相應的國家標準，本文參照紗線及復合材料的蠕變測試方法，設計了二維編織芳綸包芯繩的試驗方法，即在施加恒定載荷下對材料進行拉伸蠕變試驗，測定芳綸繩蠕變變形與時間的關系。這種裝置的特點是可以對材料進行不同恒定應力和溫度下的蠕變試驗，操作簡單且載荷容易保持恒定。芳綸具有較高的強度和模量，并且它的高結晶和各向異性使得其具有非常低的蠕變，測量芳綸繩索時需要采集到較高精度的位移讀數。變形測量系統需在加載后能隨著加載時間的增加而自動連續地測定試樣的形變，形變的測定精度一般要求達到測定形變的±1%。

蠕變試驗的程序設置如下：試驗儀器為INSTRON 3369型萬能強力機，啟動Bluehill萬能材料試驗的測試軟件，進入操作界面進行試驗方法設置，選擇國際單位制單位系統，輸入試樣的幾何形狀、長度、最終長度和最終直徑。測試控制部分的斜線段部分選擇控制模式為位移，可設置相應的速度;保持部分選擇保持階段控制模式為載荷，保持開始的標準為載荷，保持值處可進行設置;測試結束部分設置數據采集的時間間隔，可根據需要設置。曲線圖的橫坐標定義為耗時(s)，縱坐標定義為位移(mm)。選擇導出文檔格式、導出結果以及導出原始數據選項。保存蠕變測試方法，對試樣進行夾持后即可進行測試。

二維編織芳綸包芯繩的夾持裝置如圖1所示。夾持間距為540 mm，加載速度為25 mm/min，測試時間為2 h，溫度為25℃，濕度為65%，預加張力C-1～C-4分別為30、40、35和37 N，保持載荷為300 N。

圖1 夾持裝置

3 芳綸的蠕變機理

蠕變現象是在一定溫度和遠低于該材料斷裂強度的恒定外力作用下，材料的形變隨時間增加而逐漸增大的現象，最典型的特征是材料的變形與時間緊密相關。芳綸的蠕變行為屬于黏彈性行為的范疇，黏彈性是指材料在外力作用下，彈性和黏性兩種變形機理都同時存在的力學行為，其特征是應變對應力的響應不是瞬間完成的，需要一個弛豫過程，但卸載后應變可恢復到初始值，不留下參與變形。

蠕變行為可以直觀地用蠕變曲線表示，根據蠕變曲線的斜率可以很容易地判斷出曲線分三個階段：第一階段為初始蠕變，這個階段發生非晶調整，蠕變率是逐漸減小的，并且這一階段的伸長是可逆的;第二階段為穩態蠕變，它是不可逆的，一般所指的蠕變速率就是此階段的蠕變速率值，它是衡量材料抗蠕變性能的重要指標;在第三階段分子鏈開始斷裂，纖維中的細絲發生頸縮，局部應力增加，最終導致蠕變斷裂。對于工程分析，通常最關心蠕變的第一和第二階段，第三階段蠕變通常與開始破壞(頸縮、損壞)有關，且時間較短。

芳綸的黏彈性蠕變取決于其結構因素，主要包括：①聚合物分子量，蠕變來自分子鏈的纏結產生的黏性和彈性;②交聯狀態，高聚物的交聯程度與分子滑移直接相關;③共聚和增塑作用的影響;④結晶化的影響，結晶度減小蠕變;⑤聚合物分子結構的影響，分子鏈柔曲性和分子鏈間作用力大小反映出其蠕變性能，分子鏈愈柔曲，分子鏈間作用力愈小，其蠕變就愈明顯。Kevlar纖維的大分子剛性極佳，鏈纏結少，取向度、結晶度高，分子鏈幾乎處于完全伸直狀態，這種結構使纖維表現出良好的強度、模量及抗蠕變性能。

4 測試結果及分析

4.1 二維編織包芯結構對蠕變性能的影響

芳綸繩的蠕變行為與其加工工藝及結構特點密切相關。圖2為4個樣品的蠕變曲線圖。

對纖維、繩索等長徑比很大的材料，我們主要考慮其長度方向的蠕變，稱之為一維蠕變。試樣在承受外力后單位長度的形變稱為蠕變應變。由于芳綸繩在拉伸試驗到300 N的過程中會有一定的初始伸長，因此，以載荷保持300 N時為位移變化的起始，選取了5個時間節點計算其應變值，見圖3。其中5個時間節點分別為600、1 800、3 600、5 400和7 100 s。

C-1和C-2為8錠，C-3和 C-4為16錠，將同樣錠數的芳綸繩放在一組進行分析。從圖3中可以看出，每組中相同載荷下，隨著時間的增加芳綸繩的應變均呈增長趨勢，并且組內兩個樣品的蠕變應變差異越來越明顯。在8錠和16錠各組內，芳綸繩的蠕變應變隨著芯紗根數的增加而減小，即10芯繩的蠕變大于14芯繩，17芯繩的蠕變大于25芯繩。16錠芳綸繩的抗蠕變性能明顯優于8錠芳綸繩。8錠兩個樣品的芯紗相差4根，16錠兩個樣品的芯紗相差8根，由圖3可以清楚地看出，芯紗根數較少時不同規格的芳綸繩的蠕變差異明顯較大。

通過分析4個二維編織芳綸繩樣品參數的差異，可以得出試驗中蠕變差異的原因。二維編織包芯繩由編織紗和芯紗組成，編織紗以一定的角度相互交織包裹在芯紗的外面，這樣的結構使得編織紗和芯紗兩部分的相互聯系較弱，一般是依靠織造過程中對節距的選取和調整，使兩部分成為一個外觀均勻且具有一定緊密度的整體。在測試過程中，夾頭直接接觸編織紗產生握持力。8錠芳綸繩的直徑小于16錠芳綸繩，使得這種因結構原因的蠕變作用差異較明顯，直徑較大的芳綸繩因芯紗根數較多而影響較弱。另外，同樣載荷下，分配到每根芳綸紗線上的作用力大小是不同的，承力較大的芳綸紗線產生的蠕變應變較大。

圖2 芳綸繩樣品的蠕變位移時間曲線

4.2 預加張力的影響

伸長與預加載的大小有關。在試驗過程中為了進行機械調節會進行短期的預加載，預加載只持續幾秒鐘，黏彈性變形很小，纖維緩緩回復到一個新的平衡狀態。同時，施加預加張力是為了消除纖維初始伸直不佳的情況。

圖3 芳綸繩的蠕變應變時間曲線

若試驗前將纖維預加載到高于蠕變的應力水平，纖維對靜態載荷的滯彈性反應將大大減小，主要是由于初始高加載減小了第二階段的塑性變形［7］。本試驗所采用的預加張力遠小于蠕變時的恒定載荷，使繩在保持伸直的狀態下不至于產生過大的初始伸長，可使蠕變試驗結果的精度和可靠性達到要求。

5 結語

分析4種不同規格二維編織芳綸包芯繩在載荷300 N、測試時長2 h的蠕變曲線，得到以下結論：

(1)芳綸在低應力水平下呈現非線性黏彈性現象，總體上說，芳綸二維編織包芯繩的抗蠕變性能優良，蠕變應變均在10－4數量級。

(2)C-1～C-4芳綸繩的蠕變應變均隨時間的延長而增大，蠕變率依次降低，不同規格參數的芳綸繩蠕變率變化的時間周期逐步變長。

(3)二維編織包芯結構在較大程度上影響芳綸繩的蠕變性能，芳綸繩直徑較小時蠕變應變較大，蠕變應變的差異受芯紗根數的影響較明顯，繩直徑較大時則影響較弱。

［1］牛鵬霞，楊彩云.特種繩纖維材料的發展和應用［J］.產業用紡織品，2010，28(12)：33-36.

［2］黃興山.芳綸的性能、應用和生產［J］.化工時刊，2002(12)：1-5.

［3］魏春學.芳綸纖維及其制品開發應用［J］.國外紡織技術，1999(9)：34-35.

［4］HUANG Weiliu，LIAN Haixiao.Modeling nonlinear creep and recovery behaviors of synthetic fiber ropes for deepwater moorings［J］.Applied Ocean Research，2012，39：113-120.

［5］CHATTOPADHYAY R.Textile rope：A review［J］.Indian Journal of Fiber ＆ Textile Research，1997，22：360-368.

［6］李峰.編織繩結構設計概算［J］.產業用紡織品，1991，19(1)：35-36.

［7］WALTON P L，MAJUMDAR A J.Creep of Kevlar 49 fiber and a Kevlar 49-cement composite［J］.Journal of Materials Science，1983，18：2939-2946.