高性能纖維單絲拉伸性能測試研究

文/李紅梅 余燕玲

1 高性能纖維

目前高性能纖維重點研究對象主要分兩類：一類是耐高溫型高性能纖維，如：芳綸1313纖維、聚苯硫醚纖維、芳砜綸纖維、玄武巖纖維等；另一類是高強高模型高性能纖維，如超高分子量聚乙烯纖維（英文全稱：Ultra High Molecular Weight polyethylene Fiber，簡稱：UHMWPE纖維）、芳綸1414纖維、碳纖維等。它們以各自的性能特點被廣泛應用于航天、防彈裝備、風能、汽車、海上漁業、現代建筑等各個領域。隨著高性能纖維不斷向民用化發展，科學客觀準確地評價其力學性能至關重要，可以對高性能纖維在多個重要領域的應用提供基本性能指標，保障相關產品的生產加工與使用性能。

在評價高性能纖維的拉伸性能時，傳統上較多采用的是束纖維拉伸測試方法，但是用束纖維的拉伸性能來表征纖維的拉伸力學性能是一種間接辦法，此種方法得出的評價不能客觀準確全面地反映纖維的實際性能，束纖維是單纖維的集合體，使用束纖維測試得不到纖維的均勻度數據，其優點是測試次數少，操作簡單。為了客觀準確全面地評價高性能纖維的拉伸性能，需要針對高性能纖維的特性開發科學合理的單纖維拉伸性能測試方法。影響單纖維拉伸性能試驗結果的因素除了內因“纖維的內部結構”外，還受到實驗室溫濕度、隔距長度、試驗根數、拉伸速度、預加張力等試驗條件的外因影響。對同樣纖維，在不同的試驗條件下，所得到的拉伸性能試驗結果有很大的差異，本文通過研究芳綸纖維（1313、1314）、UHMWPE纖維SK75在不同拉伸速度、不同隔距長度、不同預加張力下的拉伸試驗，對纖維拉伸性能影響因素進行分析，得出對測試結果準確性影響的因素，對其拉伸性能試驗具有指導意義。

經查詢，國內暫無芳綸纖維、超高分子量聚乙烯拉伸性能測試相關國家、行業標準發布。同時，國際化標準化組織（ISO）無相關標準。其他國家均無公開的國家標準。

2 試驗部分

2.1 試驗原理

單纖維在規定條件下，在等速伸長型拉伸試驗儀上將纖維拉伸至斷裂，從負荷—伸長曲線或者數據顯示采集系統中得到試樣的斷裂強力、斷裂伸長率、抗拉模量等拉伸性能的測定值。

2.2 試驗材料

深圳昊天龍邦復合材料有限公司的芳綸1313、芳綸1314、荷蘭皇家帝斯曼集團的超高分子量聚乙烯Dyneema?SK75。

2.3 設備

德國TEXTECHNO的全自動單纖維萬能等速伸長測試儀（FAVIMAT AIROBOT2）。

3 影響拉伸性能的因素

3.1 拉伸速度

為更好研究速度對拉伸性能的影響，故對芳綸纖維（1313、1314）、UHMWPE纖維SK75以5mm/min、10mm/min、20mm/min、30mm/min、40mm/min、60mm/min拉伸速度進行拉伸試驗，每份試樣測試30次。在隔距為20mm，預加張力為0.2cN/dtex時，不同拉伸速度下各纖維的拉伸試驗測試結果見表1。

由表1得到，拉伸速度對抗拉強度與斷裂伸長率的影響較大。隨著拉伸速度v的增大，即斷裂時間縮短，抗拉強度和斷裂伸長率逐漸減小。從抗拉強度和斷裂伸長率CV值看，在速度5mm/min～30mm/min時，3種纖維抗拉強度和斷裂伸長率數據一致性較好，試驗時，速度可選擇在5mm/min～30mm/min之間。

3.2 隔距長度

拉伸隔距也叫試樣有效長度，為更好地研究隔距長度對拉伸性能的影響，本文對芳綸纖維（1313、1314）、UHMWPE纖維SK75在拉伸速度為20mm/min，預加張力為0.2cN/dtex時，以5mm、10mm、20mm、30mm、40mm5種不同隔距長度的拉伸試驗測試結果，每份試樣測試30次。

表1 不同拉伸速度的測試結果

表2 不同隔距長度的測試結果

表3 不同預加張力的測試結果

由表2看出，隨著隔距長度的增加抗拉強度和斷裂伸長率均呈現逐漸減小的趨勢。纖維長度方向上各處截面的面積和結構不均勻，因而同一根纖維上的截面強度不完全相同，斷裂總是發生在纖維最弱處。當試樣長度長時，最弱的弱環被測到的幾率就大，則平均強力偏低，這一概念稱為“弱環定律”。

3.3 預加張力

預加張力是在拉伸性能試驗中，在纖維的下端掛一張力夾，使纖維伸直而不伸長的作用。本文選用0.05cN/dtex、0.10cN/dtex、0.15cN/dtex、0.20cN/dtex、0.25cN/dtex5種預加張力，研究在不同預加張力對芳綸1313、芳綸1414、UHMWPE纖維SK75拉伸性能測試結果的影響，每份試樣測試30次。

由表3看出，預加張力大小對芳綸1313、芳綸1414、UHMWPE纖維SK75抗拉強度、斷裂伸長率測試結果沒有直接的影響作用。

4 結果與討論

以上試驗數據表明，①拉伸速度對測試結果的影響：在保證結果準確性的情況下，為提高測試效率，可在（5～30）mm/min選擇較高的拉伸速度。建議：當樣品本身伸長率較大時，可選擇較高的拉伸速度，而樣品本身伸長率較小時，選擇較低拉伸速度。②拉伸隔距對測試結果的影響：按弱環定律推導的結果可知，纖維試樣長度越長平均強度越低；被測試樣一致性越差，試樣長度對測得的強度影響也越大。因為試樣越長，弱環出現的概率越大。斷裂伸長率亦隨著隔距的增加而降低。③由于選用的芳綸1313、芳綸1414、UHMWPE纖維SK75纖維材料本身卷曲都較小，因此，預加張力對以上3種纖維拉伸性能測試結果無直接影響。