超高分子量聚乙烯繩索力學性能研究

陶肖衛，鄭鵬程

(1.青島大學，山東 青島 266071；2.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032)

超高分子量聚乙烯繩索力學性能研究

陶肖衛1，鄭鵬程2

(1.青島大學，山東 青島 266071；2.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032)

文章對超高分子量聚乙烯繩索的形態特征、力學性能進行了測定，并對實驗結果進行分析。研究結果表明：超高分子量聚乙烯繩索與普通繩索相比具有斷裂強力超高、直徑細、質量輕等特性，超高分子量聚乙烯纖維的斷裂伸長比常規化纖小，制成繩索后產生塑性伸長，具有良好地力學性能。

超高分子量聚乙烯；繩索；力學性能；測定

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維具有斷裂強力超高、直徑細、質量輕、低伸長、高安全和高抗疲勞強度等特性[1]。因此，在航運業的大型船舶和石油業的海上鉆井平臺等工程中作為超高強力的系纜和拖纜，在軍工和海洋工程等項目里成為超高載荷、直徑細、質量輕的繩索，在漁業的大型中層拖網需要強力高和長度大的曳綱和手綱[2-3]，還有大型海水養殖網箱等需要低伸長的拉索與錨纜[4]，這些都給超高分子量聚乙烯纖維帶來商機。繩索的力學性能與上述應用領域的安全性息息相關[5]。

繩索的基本結構參數對繩索的力學性能具有很大的影響，在實際生產中，一般憑借經驗和實際試驗來對繩索的結構參數進行確定[6]。繩索編織主要為以下幾步:(1)首先按所需求的直徑來確定繩股中所需UHMWPE纖維復絲的根數；(2)將確定好根數的復絲在合股機上合股加捻；(3)繩股大錠編織完成后，倒入與編織機相配套的小錠；(4)最后加以適當的牽引速度和特定張力，進行編織得到所需的UHMWPE纖維繩索[7]。本文主要測試超高分子量聚乙烯繩索的力學性能，具體包括測量其直徑、周長、拉伸力學性能、斷裂強力等力學性能。在超高分子量聚乙烯繩索的研制過程中，通過對其力學性能的研究和特征值的測定分析，充分利用超高分子量聚乙烯的優良物理、化學性能，制得性能更優異的超高分子量聚乙烯繩索，促進超高分子量聚乙烯纖維產業鏈的形成、工業和國防現代化及漁業的可持續發展。

1 試驗

1.1 試驗試樣

試驗材料為青島億和海麗有限公司生產的細度105.5 tex的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維編織的特種繩纜(見表1，表2)。

表1 UHMWPE纖維性能參數

表2 繩索的規格

另外，編織方式為八股繩和十六股繩，試樣未經處理。

1.2 試驗儀器

使用深圳市新三思材料檢測有限公司生產的微機控制電子萬能試驗機，型號CMT5105，最大實驗力為100 kN，采用輪式夾具對繩索的力學性能進行測量。根據標準GB/T 8834—2006/ISO 2307:1990進行測試。

1.3 試驗方法

1.3.1 繩索直徑與周長的測量

繩索的直徑與周長利用游標卡尺來測量超分子量聚乙烯繩索的直徑。

1.3.2 繩索斷裂強力與伸長率的測試

繩索的伸長性能采用定負荷伸長率來表示，本實驗負荷定為繩索斷裂強力的75%。原理為，試樣機的往復運動部件的速度為每分鐘拉伸值在試樣有效長度的6%至10%范圍內，對于超高分子量聚乙烯繩索，往復部件的速度不應超過250 mm/min，本實驗采用的試驗機為銷柱固定插接眼環試樣，試樣的最小有效長度為1 800 mm。試樣兩端插接成眼環，閉合長度為250 mm到500 mm。

(1)將試樣裝夾在試驗機上，在距兩眼環插接末端150 mm處做兩個標記。對試樣施加規定的預加張力，并測量兩個標記間的距離l2，精確到0.5%。

(2)通過試驗機的往復部件以勻速拉伸逐漸增加張力。當張力達到額定最低斷裂強力的75%時，測量兩標記間的距離l3，精確到0.5%。

由于超高分子量聚乙烯纖維的斷裂伸長率為常規化纖繩索的1/8左右，用其制成的繩索受力后會產生明顯伸長。

斷裂強力是試樣在運動部件以勻速運動的強力試驗機上進行斷裂試驗過程中所記錄得到的最大負荷。使用眼環進行試驗時，眼環的閉合內長應在250 mm到300 mm之間，對于人造纖維繩索，應將插接尾端做成錐形。

為了了解實驗結果是否代表繩索的真實強力，重要的是在試驗完成時確定斷裂點在試樣上的位置。夾具所導致的試樣損傷會嚴重影響試驗結果，因此，在施加負荷之前應在試樣上做標記，斷裂應發生在試樣上的兩個標記之間。

2 結果與討論

2.1 繩索的物理指標測試結果

對五組試樣的物理指標進行測試，結果如表3所示。

表3 繩索結構參數

注：捻距、直徑為預加張力120N下測得。

2.2 繩索的伸長性能結果與討論

圖1 不同復絲繩索捻角-伸長率折線圖

由圖1可以看出，兩類繩索伸長率的總體趨勢都是隨著捻角的減小，繩索的伸長率逐漸減小。A類復絲細度較低，相同直徑復絲根數較多。在高捻角階段，伸長率較高，這是因為繩索的伸長首先為繩股受力的伸展，伸長增加，隨著拉伸作用力逐漸增大，股紗已完全伸展開，股紗中的單絲開始逐漸伸直伸長。拉力繼續增大，纖維內部大分子鏈鍵長和鍵角開始變化，并逐漸伸直，隨后大分子間產生相對滑移，繩索的伸長不斷增大，直至繩索斷裂[8]。

而B類復絲的斷裂伸長率較大，當繩索的捻角較大時，繩索較緊密，股紗與繩索軸向的夾角較大，使得相同長度的繩索，捻角較大的繩索其包含的股紗長度較長，在受力拉伸時，繩索中的股紗的伸直和伸長是繩索伸長的主要因素。繩索捻角越小，拉伸過程中股紗的伸長在繩索的伸長中占的比例越小，而繩索的伸長主要成為單絲伸長和纖維自身大分子的滑移產生的伸長。因此，隨著繩索捻角的減小，繩索的伸長率逐漸減小，并趨于一定值。

圖2 B類復絲不同直徑繩索捻角-伸長率折線圖

由圖2可以看出，不同直徑的復絲編織的繩索其伸長率都是隨著捻角的減小而降低，但是在捻角較大的階段，B6繩索伸長率較高，這是由于其直徑較粗，復絲根數較多，拉伸過程中，復絲的斷裂伸長在繩索的伸長中所占的比例更大。

2.3 繩索的斷裂強力結果與討論

圖3 不同復絲繩索捻角-強力折線圖

圖3為實驗測得的為直徑相同的兩種不同復絲的斷裂強力結果，牽伸速度的增大使得繩索的捻角發生變化，從而使得繩索的各項結構參數發生變化，最終影響到繩索強力的大小。從圖3可看出：在捻角-強力折線圖初始階段，隨著捻角的減小，A4與B4繩索的強力不斷增大。這是因為繩索結構一定，在捻角較大時，纖維與繩索的軸向偏離角度較大，使得纖維所受外力的方向與纖維的軸向取向偏離的角度較大，纖維分散到繩索軸向的抗拉強力減小，從而使得繩索的強力下降；其次捻角越大，繩索越緊密，相同長度內節點數也就越多，隨繩索受力的不斷增大[9]，纖維在外力作用下不能完全伸直，節點處的壓力也不斷增大，且節點越多,受到的切向壓力越大,使得繩索易從節點處斷裂,強力降低[10]。

此外，在折線圖中可以發現，A4繩索的強力高于B4繩索，首先是由于A類復絲的斷裂強度較高，在纖維強力利用率相當的情況下，體現了較高的繩索強力；其次，A類復絲的細度較低，僅為B類復絲的一半左右，在同樣直徑條件下，其復絲根數較多，相互直徑的作用力也會提高繩索的強力。另外，從折線圖中也可看出,繩索達到最大強力時的節距大小與繩索的結構和繩索的直徑大小有關[11]。

圖4 B類復絲不同直徑繩索捻角-強力折線圖

從圖4可以看出，隨著捻角的減小，各直徑繩索的強力都會增大。然而，由B4、B6繩索的捻角-強力折線來看，當捻角減小到一定值后，曲線趨于平穩，且其斷裂強力會趨于一個定值。B8、B10繩索并未出現此現象，主要是因為B8、B10繩索與B4、B6繩索的結構不同，且B8、B10繩索的直徑較粗，捻角相對于其結構來說，對強力的影響還是比較大的，所以強力還沒有達到最大，因此B8、B10繩索若想達到最大強力，還可嘗試繼續縮小捻角。

3 結論

3.1 繩索的斷裂強力隨捻角的不斷減小而增大。但當捻角達到一定數值后，繩索的強力逐漸趨向與某一定值，因此要使繩索的強力達到最大，需確

定一個最佳編織結構。繩索的捻角，緊密度越小，尺寸穩定性也就越高，纖維的強度利用率也就越大。3.2 繩索的伸長率隨捻角的不斷減小而降低，繩索伸長主要體現在兩個方面：一是繩索結構所帶來的伸長，二是復絲本身的斷裂伸長。在拉伸的不同階段，伸長的表現方式不同。

3.3 在捻角小于20°時，繩索的強力較為平緩，并且趨向于一個極限；25°到20°的捻角編織的繩索，其伸長率適中，有一定的伸縮空間，所以選擇20°為編織捻角相對較好。

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Research on the Mechanical Properties of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber Rope

TaoXiaowei1,ZhengPengcheng2

(1.Qingdao University， Qingdao 266071， China；2.Shandong Textile Science & Research institute,Qingdao 266032,China))

The morphology,physical and mechanical properties of ultra-high molecular weight polyetylene fiber rope were detected and analysed.The results show that ultra-high molecnlar weight polyethylene fiber rope,with minor breaking strengh,finer diameter,lighter weight,better mechnial propery,is a kind of material to make rope compared to ordinany rope.

ultrta-high molecular weight polyethylene;rope;mechanical property;test

2015-03-12

陶肖衛(1988—)，男，山東煙臺人，碩士研究生。

TS102.3

A

1009-3028(2015)03-0005-04