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(diǎn)研究對(duì)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(qiáng)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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天、防彈裝備、風(fēng)能、汽車、海上漁業(yè)、現(xiàn)代建筑等各個(gè)領(lǐng)域。隨著高性能纖維不斷向民用化發(fā)展，科學(xué)客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其力學(xué)性能至關(guān)重要，可以對(duì)高性能纖維在多個(gè)重要領(lǐng)域的應(yīng)用提供基本性能指標(biāo)，保障相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工與使用性能。

在評(píng)價(jià)高性能纖維的拉伸性能時(shí)，傳統(tǒng)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(xué)性能是一種間接辦法，此種方法得出的評(píng)價(jià)不能客觀準(zhǔn)確全面地反映纖維的實(shí)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(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是測試次數(shù)少，操作簡單。為了客觀準(zhǔn)確全面地評(píng)價(jià)高性能纖維的拉伸性能，需要針對(duì)高性能纖維的特性開發(fā)科學(xué)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(yàn)結(jié)果的因素除了內(nèi)因“纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”外，還受到實(shí)驗(yàn)室溫濕度、隔距長度、試驗(yàn)根數(shù)、拉伸速度、預(yù)加張力等試驗(yàn)條件的外因影響。對(duì)同樣纖維，在不同的試驗(yàn)條件下，所得到的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)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(yù)加張力下的拉伸試驗(yàn)，對(duì)纖維拉伸性能影響因素進(jìn)行分析，得出對(duì)測試結(jié)果準(zhǔn)確性影響的因素，對(duì)其拉伸性能試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

經(jīng)查詢，國內(nèi)暫無芳綸纖維、超高分子量聚乙烯拉伸性能測試相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。同時(shí)，國際化標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其他國家均無公開的國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原理

單纖維在規(guī)定條件下，在等速伸長型拉伸試驗(yàn)儀上將纖維拉伸至斷裂，從負(fù)荷—伸長曲線或者數(shù)據(jù)顯示采集系統(tǒng)中得到試樣的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、抗拉模量等拉伸性能的測定值。

2.2 試驗(yàn)材料

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

2.3 設(shè)備

德國TEXTECHNO的全自動(dòng)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(duì)拉伸性能的影響，故對(duì)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每份試樣測試30次。在隔距為20mm，預(yù)加張力為0.2cN/dtex時(shí)，不同拉伸速度下各纖維的拉伸試驗(yàn)測試結(jié)果見表1。

由表1得到，拉伸速度對(duì)抗拉強(qiáng)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(shí)間縮短，抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸減小。從抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率CV值看，在速度5mm/min～30mm/min時(shí)，3種纖維抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率數(shù)據(jù)一致性較好，試驗(yàn)時(shí)，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(duì)拉伸性能的影響，本文對(duì)芳綸纖維（1313、1314）、UHMWPE纖維SK75在拉伸速度為20mm/min，預(yù)加張力為0.2cN/dtex時(shí)，以5mm、10mm、20mm、30mm、40mm5種不同隔距長度的拉伸試驗(yàn)測試結(jié)果，每份試樣測試30次。

表1 不同拉伸速度的測試結(jié)果

表2 不同隔距長度的測試結(jié)果

表3 不同預(yù)加張力的測試結(jié)果

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

3.3 預(yù)加張力

預(yù)加張力是在拉伸性能試驗(yàn)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(yù)加張力，研究在不同預(yù)加張力對(duì)芳綸1313、芳綸1414、UHMWPE纖維SK75拉伸性能測試結(jié)果的影響，每份試樣測試30次。

由表3看出，預(yù)加張力大小對(duì)芳綸1313、芳綸1414、UHMWPE纖維SK75抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率測試結(jié)果沒有直接的影響作用。

4 結(jié)果與討論

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，①拉伸速度對(duì)測試結(jié)果的影響：在保證結(jié)果準(zhǔn)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(dāng)樣品本身伸長率較大時(shí)，可選擇較高的拉伸速度，而樣品本身伸長率較小時(shí)，選擇較低拉伸速度。②拉伸隔距對(duì)測試結(jié)果的影響：按弱環(huán)定律推導(dǎo)的結(jié)果可知，纖維試樣長度越長平均強(qiáng)度越低；被測試樣一致性越差，試樣長度對(duì)測得的強(qiáng)度影響也越大。因?yàn)樵嚇釉介L，弱環(huán)出現(xiàn)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(yù)加張力對(duì)以上3種纖維拉伸性能測試結(jié)果無直接影響。