太陽輻射與特紡材料斷裂強力的關系研究

張榮

（航宇救生裝備有限公司湖北襄陽441003）

0 引言

特紡材料常指技術性能要求高，使用環境比較復雜，具有特殊用途的紡織品。由于航空救生領域裝備產品的主體是柔性紡織材料，復雜的使用條件和特殊環境對其制成的紡織材料性能和品質有著特殊的要求。這種對材料性能的強烈依賴性使得高性能救生裝備對特紡材料提出了更高的要求。因此，任何一次航空救生裝備技術的重大突破，都離不開新材料的應用。

耐光照性能是航空救生領域裝備產品戰術技術指標中必不可少的一項內容。個體防護救生裝備、軍用傘及空投空降裝備產品采用的特紡材料品種和類別較多，大部分材料對光照條件敏感，主要是因為日光能夠促使纖維的活化能增加，氧化速度加快，導致材料老化加速。特紡材料在日光直接照射后一般會出現色澤泛黃、手感變硬、斷裂強力下降和彈性下降等現象，直接影響產品的技術性能和使用壽命，因而有必要對太陽輻射對特紡材料的力學性能影響進行研究，以便后期相應產品的研制和使用。

本文結合航空救生裝備在光照環境下的使用工況，以飛行員個體防護救生裝備、軍用傘和空降空投降落傘等裝備對于主體特紡材料的可靠性設計準則為研究方向，開展主體特紡材料耐光照性能的試驗研究。本次研究的內容主要包括試驗原理和試驗步驟的設計、試驗驗證和標準化等，目的是建立太陽輻射總量和拉伸斷裂強力之間的對應關系，為設計人員選材、產品故障分析、產品定壽和延壽提供數據支持和參考。

1 試驗

1.1 試驗原理

將特紡材料試樣暴露于規定的環境條件下進行自然曝曬試驗，讓其經受陽光、氣溫、水分、氧、臭氧及其他環境因素的綜合作用。按規定的暴露期限，定期檢測特紡材料試樣力學性能（拉伸斷裂強力）的變化，評價材料的耐光老化性能，并分析光照因素的影響程度及其作用機制。

1.2 曝曬場條件

自然曝曬場地位于中國海南省東部瓊海市加積地區的海南汽車試驗研究所試驗區域內。該場位于東經110°26ˊ，北緯19°45ˊ，海拔高度約20 m，四周空曠，場地平坦，并保持當地的自然植被狀態，草的高度不超過200 mm。當地氣象條件較穩定，年間的氣象因素變化很相似，有季節性的暴風雨、高溫、高濕、降雨量充足等氣候特點。其年平均氣溫約為24℃，每年最熱月份的最高氣溫平均為34℃、最低氣溫平均為25℃，年降雨量超過2 000 mm，年均相對濕度為85%，年日照時間為2 055 h，年太陽輻射量約為5 400 MJ∕m2，是典型的東南亞濕熱帶環境氣候。

曝曬場周圍環境符合ISO 877-3：2018《暴露于太陽輻射的方法第3部分：使用強化集中的太陽輻射風化》、ASTM G7—2013《非金屬材料大氣環境暴露測試方法》、SAE J576—2007《用做光學部件如車輛照明裝置的透射與反射器的塑料材料測試方法》、GB∕T 3511—2018《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐候性》和GB∕T 3681—2011《塑料自然日光氣候老化、玻璃過濾后氣候老化和菲涅耳鏡加速日光氣候老化的暴露試驗方法》等有關要求，設有記錄環境氣象因素的設備（如美國熱電公司的氣象監測設備能記錄氣溫、相對濕度、大氣壓、風向、風速、太陽輻射量、雨量等）；有不同要求的材料曝露裝置、曝曬場地及曝曬試樣表面溫度測量設備等。

1.3 試驗方式

試驗時在室外大氣下直接進行暴露試驗。暴露面朝正南方向，與地平面成45°傾角，試驗架下端離地高度大于500 mm。試樣擺放形式見圖1。

圖1 試樣自然曝曬試驗狀態

1.4 拉伸斷裂強力

預先設定自然曝曬試驗預期時間為1～2 a，而一般情況下按斷裂強力原始數據損失50%時為終止界限。在試驗過程中，定期取樣，根據材料的不同特性進行斷裂強力的試驗，并對試驗數據進行歸納、整理及分析，及時做出準確判斷，以便確定試驗是繼續進行還是終止。

1.5 試驗材料

輕質高強抗燃織物，采用18.4 tex×2的Nomex纖維與Kevlar纖維混紡紗作為經緯紗，以平紋組織織造而成。602防灼錦絲格子綢，采用33.3 dtex錦絲66為經、緯線，以平紋格子組織織造而成，經、緯密分別為540根∕10cm、520根∕10cm。芳綸∕阻燃黏膠混紡織物，采用222 dtex Kevlar纖維長絲與36.9 tex阻燃黏膠纖維（質量分數各占50%）經并線、織造、印花工序加工制得。231草綠色帆布，采用53.8 tex棉紗作為經線，53.8 tex×3棉紗作為緯線，以平紋組織織造而成，并經染色、防水、防霉處理。FL-011聚氨酯膠布，是由美國進口的一種單面熱塑性聚氨酯膠布，可通過高頻熱合技術制成充氣防護裝置，廣泛用于飛行員各類救生裝備。Gore-Tex防水透濕布，由三層織物組成，外層由95%的Nomex纖維與5%的Kevlar纖維混紡而成，中間層為PTFE薄膜，內層為100%的Nomex針織物。4-43-3涂膠布，以丁基橡膠為氣密主體，雙面貼合錦絲綢加工而成，密閉織物參考俄羅斯樣品仿制，以高強、低彈尼龍長絲織物為基布，采用研制的高性能天然橡膠配方，經浸膠、壓延、涂刮等工藝，制成密閉織物。Nomex織物，是從國外采購的，采用95%的Nomex纖維與5%的Kevlar纖維混紡而成。40105阻燃錦絲斜紋綢，采用277.8 dtex錦絲為經絲和緯絲，以1∕2斜紋組織織造而成，同時進行阻燃處理。25-1000芳綸帶，采用Kevlar29纖維為原料，經多股并拈組合成不同結構的經、緯線，以雙層平紋組織織造而成。2.5-310聚乙烯繩，采用超高相對分子質量聚乙烯復絲為原料，編織而成，質量輕、強度高，耐老化性能優于芳綸材料。43-900練白滌絲帶，采用滌絲為原料，經多股并拈組合成不同結構的經、緯線，以平紋組織織造而成。26-600錦絲帶，采用錦絲6作經線和緯線，以碎斜紋組織織造而成，具有強力高、伸長率有一定限制等特點。25-150棉帶，采用精梳棉作經線和緯線，以2∕2斜紋組織織造而成，特點是伸長率有一定限制。

試驗選擇對25-1000芳綸帶監測的斷裂強力數據進行分析研究。

1.6 氣象條件檢測與記錄

按照設定的試驗方案，對15種材料進行了全天候自然曝曬試驗。在試驗期間，按月份記錄當地的氣象條件數據，包括溫度（最高值、最低值和平均值）、相對濕度（最低值和平均值）、平均氣壓、降雨量、太陽紫外輻射總能量、太陽輻射總能量等。

1.7 試驗取樣

從投入試樣開始，每間隔一個月取樣一次，除進行拍照片、外觀色差的評價外，同時進行單位質量、斷裂強力和斷裂伸長率等項目的性能試驗。

2 結果與討論

2.1 試驗持續周期

參與試驗的15種材料由于制成的原料和織造結構不同，呈現出的耐光性能也有差異。以斷裂強力下降至50%時終止試驗，所得不同材料的試驗周期詳見表1。

表1 參試材料的試驗持續周期

2.2 斷裂強力測試

經過4個月的觀察、測試，發現25-1000芳綸帶的斷裂強力從最初的13 435 N下降為6 254 N；然后對剩余試樣繼續擺放，當擺放至10個月時，其斷裂強力已經下降為3 559 N。在整個試驗周期內，25-1000芳綸帶的斷裂強力變化情況詳見表2。

需要說明的是，試驗本該在4個月時終止，后續為觀察數據，可供參考。另外，表2中所列單位長度試樣質量的數據也作為參考。實際指標要求25-1000芳綸帶的質量≤12 g∕m，斷裂強力≥9 800 N。

表2 25-1000芳綸帶斷裂強力試驗數據

2.3 太陽輻照總能量與斷裂強力的關系

本次參試材料的原料成分基本涵蓋了公司航空救生裝備產品用特紡材料的主要品種。光照是導致特紡材料老化的主要因素之一，試驗也表明大部分特紡材料在日光直接照射后，除了外觀出現變化外，斷裂強力也會不同程度下降。

在試驗過程中，不僅獲取了各參試材料不同周期的拉伸斷裂強力值，同時對試驗期間的氣象情況也進行了監測，主要氣象數據包括太陽總輻射量、紫外光輻射量和降雨量等。其中，太陽總輻射量和紫外光輻射量是面向正南方與地面成5°傾角接收的直接曝露輻射值。以25-1000芳綸帶為例，所測太陽輻照量與其拉伸斷裂強力之間的對應的數據可詳見表3。

表3 25-1000芳綸帶斷裂強力值與太陽輻照量一覽表

在試驗時，將試樣放置在玻璃箱內全天候室外曝曬，當試樣拉伸斷裂強力下降到原始數據的50%時終止試驗。為了獲得更多的數據也可適當延長試驗的周期。在試驗研究過程中，發現氣溫、相對濕度、平均氣壓、降雨量等對試驗結果的影響程度較小，而太陽輻射總量（包括紫外光輻射量）則是引起試樣外觀和內在性能變化的主要因素。為了更直觀地了解太陽輻射對試樣拉伸斷裂強力的影響，對所得測試數據進行整理，做出散點圖，詳見圖2和圖3。

圖2 太陽總輻射量與25-1000芳綸帶斷裂強力的關系

圖3 紫外光輻射量與25-1000芳綸帶斷裂強力的關系

由圖2和圖3可以看出，隨著太陽輻照量的增加，紫外光的輻射量也在逐漸增加，但試樣的斷裂強力卻呈現近似線性的趨勢下降，后續可通過數據的整理推算出回歸方程。

2.4 結果應用

根據試驗所得試樣的拉伸斷裂強力隨太陽輻照量的增加而下降的數據及變化線性圖，可建立相應的數據庫。

作為飛行員個體防護裝備、軍用傘和空降空投降落傘的功能主體，在產品使用期間，特紡材料需要經受高空太陽輻照、地面全天候等環境的考核。飛行時間（小時）是飛行員個體防護裝備使用壽命的技術指標，可根據當地區間氣象資料顯示的太陽輻照量推算出特紡材料拉伸斷裂強度的下降程度（也可以倒推）。因此，本項目的研究成果可為產品壽命的制定、故障分析等提供數據參考。

3 結論

（1）耐光性能是飛行員個體防護裝備、軍用傘和空降（或空投）降落傘功能主體特紡材料無法回避的一項重要性能，它與產品的耐環境性和使用壽命息息相關。

（2）通過對特紡材料采用室外全天候自然曝曬的試驗，并定期采集所需的試樣數據，可得到特紡材料的拉伸斷裂強力隨太陽輻照量增加而變化的趨勢情況，即：隨著曝曬周期的延長，太陽輻射量逐漸增加，但特紡材料的拉伸斷裂強力卻呈現近似線性的趨勢降低。

（3）本次研究結果可為設計、工藝和試驗人員提供技術支持，也可為產品設計和故障分析提供數據參考。