高強高模PVA纖維存放過程中力學性能的衰減規律

胡 筠

(中國石化集團重慶川維化工有限公司檢驗計量中心，重慶 401254)

高強高模聚乙烯醇(PVA)纖維是以PVA為原料，經溶解、紡絲、熱定型、切斷、打包制得的高性能纖維，具有高強度、高模量、低延伸度、耐沖擊強度高、耐候性好、吸水性出色、耐酸堿等優點[1-2]，被認為是石棉、玻璃纖維的理想替代品[3]。由于PVA分子具有多羥基、強氫鍵特性,從而賦予其與水泥界面粘合性好，親水性優異，耐堿性出色，且無毒環保、價格便宜等優點[4]，將纖維添加到水泥基材中，可大大改善基材性質，提高基材的抗裂、抗滲、抗沖擊韌性及耐持久、耐高溫、耐腐蝕等性能[5]。近年來，高強高模PVA纖維已在世界上一些禁用石棉纖維的國家被廣泛應用于水泥板材增強、道路工程混凝土抗沖磨、隧道工程圍巖防水與襯砌、污水處理工程中混凝土的抗腐蝕與防滲、大跨度橋梁工程混凝土梁柱體和水工大體積混凝土的抗震、抗裂、抗沖磨等領域，以及工業與民用建筑的墻體、橋梁、隧道、邊坡加固等土木與建筑行業，在工程和建筑應用領域有著廣闊的發展前景。

高強高模PVA纖維具有高強度、高模量的力學性能是由制備工藝過程中高取向度和高結晶度所決定的[6]。隨著存放時間的推移，由于高分子纖維存在應力松馳和蠕變現象[7]，高分子纖維的取向度會有所下降，其力學性能也會隨存放時間發生改變。而作為一種增強性工程纖維，其高強度和高模量等性能的保持對使用效果尤為重要。目前已報道的文獻中，尚未有系統研究高強高模PVA纖維力學性能隨存放時間的衰減行為。作者借助單纖維線密度強伸儀，系統地考察了高強高模PVA纖維在一年的存放期間力學性能的變化規律，可為高強高模PVA纖維下游用戶更好地使用這種纖維提供參考。

1 實驗

1.1 原料及儀器

高強高模PVA纖維：2.0 dtex，斷裂強度約為12.0 cN/dtex，斷裂伸長率約為7.0%，初始模量約為275 cN/dtex，重慶川維化工有限公司生產。

FAVIMAT ROBOT2單纖維線密度強伸儀：德國Textechno公司制；CS101-3ABN型通風式加熱干燥箱：重慶永生儀器廠制；SHH-250T型溫濕度調節箱：重慶永生儀器廠制。

1.2 纖維測試前的預調濕和調濕平衡處理

纖維含濕程度對其力學性能影響較大，高強高模PVA纖維由于其多羥基特性極易吸收空氣中的水分而比其他纖維含濕量高，故相關檢測標準(GB/T 14337—2008)規定了預調濕、調濕和試驗用大氣條件[8]。

(1)纖維預調濕處理

將高強高模PVA纖維試樣置于溫度不超過50 ℃、相對濕度5%～25%的環境中，放置處理16 h。

(2)纖維調濕平衡處理

將經過預調濕處理的高強高模PVA纖維試樣置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±3)%的環境中，放置處理24 h。

1.3 實驗方法

(1)取24批不同時間生產的高強高模PVA纖維試樣，每批試樣分成6份，在干燥通風的室內貯存。試樣的存放時間分別為1，30，90，180，270，360 d。

(2)高強高模PVA纖維試樣達到存放時間條件后，隨機取出纖維試樣，按1.2中條件進行預調濕和調濕平衡處理。

(3) 將經過預調濕和調濕平衡處理的高強高模PVA纖維試樣開松分散成單根狀鋪于絨板上，隨機取出一根置于單纖維線密度強伸儀的上下夾持器中，保證纖維沿軸向伸直，按照GB/T 14337—2008規定進行拉伸試驗[8]，得到試樣的斷裂強度、斷裂伸長率和初始模量。測試條件：溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%，試樣的預加張力(0.050±0.005)cN/dtex，振弦長度20 mm，名義隔距60 mm，拉伸速度60 mm/min。

(4)拉伸試驗中如纖維滑移或斷裂在鉗口，則所得結果剔除。重復拉伸試驗，測試50根纖維的力學性能數據，取平均值。

2 結果與討論

2.1 斷裂強度隨存放時間的變化規律

對不同時間生產的24批次高強高模PVA纖維試樣進行拉伸性能測試，存放時間分別為1，30，90，180，270，360 d,其斷裂強度見表1。對24批次試樣在不同存放時間下的斷裂強度取平均值，斷裂強度隨存放時間的變化規律見圖1。

表1 不同存放時間下高強高模PVA纖維的斷裂強度Tab.1 Breaking strength of high-strength high-modulus PVA fibers at different storage time

續表1

圖1 高強高模PVA纖維斷裂強度隨存放時間的變化規律Fig.1 Change regularity of breaking strength of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

從圖1可以看出，隨著存放時間延長，高強高模PVA纖維的斷裂強度總體呈逐漸下降趨勢。存放90 d內纖維斷裂強度比較穩定，基本沒有變化，可認為是高強高模PVA纖維斷裂強度的相對穩定期。存放90 d后纖維斷裂強度開始降低，存放至180 d時纖維斷裂強度平均下降1.8%，存放至270 d時纖維斷裂強度平均下降2.9%，但存放270 d后至存放360 d時纖維斷裂強度又處于相對穩定期。這是因為PVA是一種極易吸水的高分子，在存放過程中，PVA吸收空氣的水分子，破壞PVA分子間的氫鍵，降低PVA大分子的取向度，在存放時間較短時，這種破壞作用不明顯，纖維斷裂強度變化不大，比較穩定；隨著存放時間的延長，這種破壞作用加劇，從而導致纖維斷裂強度降低；此外，高分子材料普遍存在時溫等效效應，纖維的取向度會隨著存放時間的延長，在溫度的作用下呈降低的趨勢，這也是導致纖維斷裂強度降低的另外一個原因；隨著存放時間的進一步延長，纖維內部結構基本達到穩定狀態，纖維的斷裂強度也基本穩定。

2.2 斷裂伸長率隨存放時間的變化規律

對24批次高強高模PVA纖維試樣在不同存放時間下的斷裂伸長率進行測試(存放時間分別為1，30，90，180，270，360 d),取24批次的平均值，斷裂伸長率隨存放時間的變化規律見圖2。

圖2 高強高模PVA纖維的斷裂伸長率隨存放時間的變化規律Fig.2 Change regularity of elongation at break of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

從圖2可以看出，隨著存放時間延長，高強高模PVA纖維的斷裂伸長率總體呈逐漸上升趨勢，存放360 d內增加約7%。存放30 d，纖維斷裂伸長率平均增加2.8%。存放30 d后至180 d內斷裂伸長率變化較小，可以認為是高強高模PVA纖維斷裂伸長率的相對穩定期。存放180 d后纖維斷裂伸長率又開始上升，至存放270 d時纖維斷裂伸長率平均增加6.6%，存放270 d后至360 d內纖維斷裂伸長率又進入一個相對平穩期，增加幅度較小。這是因為PVA的親水性，空氣中的水分子滲透進入纖維內部，使纖維分子間的距離逐漸增大，在外力拉伸時產生相對位移，斷裂伸長率逐漸增大；隨后PVA纖維對水分子的吸收達到一個相對平衡期，纖維斷裂伸長率相對穩定；而較長時間存放后，在時溫等效作用下，空氣中的水分子進一步緩慢滲透進入纖維內部，使纖維分子間的距離逐漸增大，在外力拉伸時更容易產生相對位移，斷裂伸長率逐漸增大；隨著存放時間的進一步延長，纖維內部結構基本穩定，纖維的斷裂伸長率也基本穩定。

2.3 初始模量隨存放時間的變化規律

對24批次高強高模PVA纖維試樣在不同存放時間下的初始模量進行測試(存放時間分別為1，30，90，180，270，360 d),取24批次的平均值，初始模量隨存放時間的變化規律見圖3。

圖3 高強高模PVA纖維的初始模量隨存放時間的變化規律Fig.3 Change regularity of initial modulus of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

從圖3可以看出，隨著存放時間延長，高強高模PVA纖維的初始模量總體呈逐漸下降趨勢。存放90 d時，纖維的初始模量平均下降2.5%，存放180 d時，纖維的初始模量平均下降4.9%，存放270 d時，纖維的初始模量平均下降10.3%。存放時間超過270 d至360 d時，纖維初始模量進入相對穩定期。初始模量反映的是纖維的剛柔度，在存放過程中，PVA大分子逐漸吸收空氣中的水分子，大分子鏈間的相互作用減弱，使纖維的剛性逐漸下降，外力拉伸時易于產生構象變化和滑移，纖維的初始模量呈逐漸下降趨勢。當存放期達到270 d后，高強高模PVA纖維在水分子和時溫等效效應的共同作用下，內部結構基本達到穩定狀態，纖維的初始模量也達到基本穩定狀態。

3 結論

a.隨著存放時間延長，高強高模PVA纖維的斷裂強度總體呈逐漸下降趨勢。存放90 d內纖維斷裂強度比較穩定，存放90 d后開始降低，存放180 d時平均下降1.8%，存放270 d時平均下降2.9%，存放270 d后至存放360 d時又處于相對穩定期。

b.隨著存放時間延長，高強高模PVA纖維的斷裂伸長率總體呈逐漸增大趨勢，存放30 d至180 d，纖維斷裂伸長率變化較小，存放360 d內，纖維斷裂伸長率增加約7%。

c.隨著存放時間延長，高強高模PVA纖維初始模量總體呈逐漸下降趨勢，存放90 d時初始模量平均下降2.5%，存放270 d時，纖維初始模量下降10.3%，存放時間達到270 d后至360 d，初始模量進入穩定期。

d.高強高模PVA纖維在存放90 d內斷裂強度、斷裂伸長率和初始模量變化較小，在90 d內使用為宜。