測試夾具類型和隔距對對位芳綸拉伸性能測試結果的影響

胡煜潔 羅 琦

帝人芳綸貿易(上海)有限公司亞太技術中心(TCA)，上海 200233

對位芳綸(芳綸1414)作為一種高性能纖維，其具有高強、高模等優異性能，已在橡膠、光纜、防護等領域得到廣泛的應用。目前，隨著國內對位芳綸用量的不斷增加，以及應用領域的不斷擴大，國內眾多涉及對位芳綸應用技術的標準陸續得到了制定和修訂[1]。其中，準確測得對位芳綸產品的模量、斷裂強力和斷裂伸長率等拉伸性能指標，既是測試的基本要求，又是設計后續終端產品的依據需要。

現有大量研究表明，拉伸速率、紗線捻度、測試環境溫濕度等對芳綸的拉伸性能測試結果有影響。如，顧伯洪等[2]研究表明，不同的化學纖維，其應力、應變性能隨拉伸速率的不同而呈上下波動的特點，而非呈通常認為的單調遞增或單調遞減趨勢；董紅明等[3]研究發現，隨著捻系數的增加，較大線密度的芳綸紗線的斷裂伸長率呈先快速增長后趨于緩和增長的趨勢，而較小線密度的芳綸紗線其斷裂伸長率呈先快速增長后緩慢下降的趨勢；朱曉娜等[4]研究表明，當紗線的捻度處于最佳捻度附近時，捻度對紗線強力的影響不顯著；張亞如等[5]研究發現，隨著回潮率的增大，芳綸1313的斷裂強力和初始模量降低。因此，國際通用的芳綸長絲拉伸性能測試標準ASTM D7269/D7269M - 17[6]對拉伸速率、紗線捻度、測試環境溫濕度等測試參數做了規定，其要求拉伸速率數值(單位為mm/min)應設置為隔距數值(單位為mm)的一半；拉伸測試應使用加捻紗，所加捻度按照ASTM D7269/D7269M - 17執行；測試環境溫濕度應控制在(20±1) ℃和(65±3) %。此外，標準還對測試夾具的包覆角及隔距做了規定，要求不大于3 500 dtex的紗線，推薦使用包覆角為180°的夾具，隔距為500 mm；大于3 500 dtex的紗線，推薦采用包覆角為270°的夾具，隔距為635 mm。但現有的有關夾具類型及隔距對芳綸拉伸性能測試結果影響的研究很少。

本文將就不同夾具類型及不同隔距對對位芳綸拉伸性能測試結果的影響展開探討，以期為對位芳綸產品的設計與應用提供參考。

1 試驗材料

試驗選用帝人集團生產的兩種規格的對位芳綸長絲——Twaron 1 680 dtex/1 000 f和Twaron 3 220 dtex/2 000 f進行拉伸性能測試研究。

2 試驗儀器及測試條件

先使用TWISTEC設備對芳綸長絲進行加捻。其中，Twaron 1 680 dtex/1 000 f預設捻度(T預)為80 T/m，實測捻度(T實)為79 T/m；Twaron 3 220 dtex/2 000 f預設捻度為60 T/m，實測捻度為62 T/m。實測捻度均在允許誤差范圍內，即T實=T預±5 T/m。

接著，被測長絲置于45 ℃烘箱內預烘3 h，然后放入溫度為(20±1) ℃、相對濕度為(65±3)%的恒溫恒濕箱中平衡至少16 h，再進行拉伸性能測試。

利用Instron 5966等速伸長拉力測試儀，選擇兩種氣動芳綸夾具——Instron 2714-032(簡稱夾具A，其允許的最高測量值不得超過2 kN，圖1)和Instron CP10730(簡稱夾具B，其允許的最高測量值不得超過10 kN，圖2)，并采用松式夾持的方式進行拉伸性能測試。設置夾頭的氣動氣壓為0.6～0.8 MPa；夾具A采取250、500和750 mm的隔距，夾具B采用800、1 000和1 200 mm的隔距；拉伸速率根據ASTM D7269/D7269M - 17中的規定，數值設置為隔距的一半，即夾具A的3種隔距對應的拉伸速率分別為125、250、375 mm/min，夾具B的3種隔距對應的拉伸速率分別為400、500、600 mm/min；預加張力為20 mN/tex。

圖1 Instron 2714-032夾具(夾具A)

圖2 Instron CP10730夾具(夾具B)

3 測試結果與討論

3.1 斷裂強力

圖3和圖4分別為兩種對位芳綸長絲在不同夾具和不同隔距下測得的斷裂強力。從圖3和圖4可以看出：不同夾具類型測得斷裂強力值差異不大，說明夾具類型對斷裂強力測試的影響不明顯；隨著隔距的增加，夾具A測得的兩種對位芳綸長絲的斷裂強力略有下降，夾具B測得的兩種對位芳綸長絲的斷裂強力呈先略有下降后略微上升的趨勢。

圖3 測得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的斷裂強力

圖4 測得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的斷裂強力

3.2 斷裂伸長率

使用夾具測得的斷裂伸長率值包含兩部分：一部分為夾具部分的伸長，伸長率用Ec表示，其不能準確反映紗線的伸長，原因與夾持導致的紗線滑移(簡稱滑移效應)和夾具曲面導致的伸長(簡稱曲面效應)有關，滑移效應使得斷裂伸長率的測試值較實際值大，曲面效應使得測試值較實際值小；另一部分為不接觸夾持面的自由段的伸長，伸長率用Ereal表示，其反映了最真實的斷裂伸長率。

圖5和圖6分別為兩種對位芳綸長絲在不同夾具和不同隔距下測得的斷裂伸長率。從圖5和圖6可以看出：夾具類型對斷裂伸長率的影響顯著，使用夾具A測得的斷裂伸長率明顯高于使用夾具B測得的，原因與夾具B的曲面效應大于滑移效應，而夾具A的滑移效應占上風有關；隨著隔距的增加，夾具A測得的兩種對位芳綸長絲的斷裂伸長率呈下降趨勢，夾具B測得的兩種對位芳綸長絲的斷裂伸長率規律不明顯。此外，隨著隔距的增加，自由段伸長所占比例有所上升，斷裂伸長率更接近真實斷裂伸長率，且斷裂伸長率的真實值是介于使用夾具A和夾具B測試結果之間的一個數值。

圖5 測得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的斷裂伸長率

圖6 測得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的斷裂伸長率

3.3 弦線模量

模量的種類有多種，常見的模量有初始模量、楊氏模量、弦線模量等。其中，弦線模量是指在彈性范圍內軸向應力-應變曲線上規定兩點之間弦線的斜率，即應力差值與應變差值之比。弦線模量與規定兩點之間的應力差呈正相關，與規定兩點之間的應變差呈負相關。ASTM D7269/D7269M - 17中采用的是弦線模量，其規定兩點對應的應力值分別為300 mN/tex和400 mN/tex。

圖7和圖8為兩種對位芳綸長絲在不同夾具和不同隔距下測得的弦線模量。從圖7和圖8可以看出：夾具類型對弦線模量測試結果的影響較大，使用夾具B測得的弦線模量明顯高于使用夾具A測得的弦線模量；隨著隔距的增加，夾具A測得的兩種對位芳綸長絲的弦線模量隨之增大，夾具B測得的兩種對位芳綸長絲的弦線模量隨之降低。與斷裂伸長率相同，夾具產生的滑移效應和曲面效應使得測試所得弦線模量并非真實值，且隨著隔距的增加，兩種夾具測得的弦線模量會逐漸趨近真實值。

圖7 測得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的弦線模量

圖8 測得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的弦線模量

4 結論

選取兩種規格的Twaron紗線——1 680 dtex/1 000 f和3 220 dtex/2 000 f，研究測試用夾具類型和隔距對兩種規格對位芳綸長絲的斷裂強力、斷裂伸長率和弦線模量的影響：

(1)夾具類型對斷裂強力的測試影響并不明顯；隨著隔距的增加，夾具A測得的斷裂強力呈下降趨勢；夾具B測得的斷裂強力呈先下降后上升的趨勢。

(2)夾具類型對斷裂伸長率的測試影響明顯，夾具A測得的斷裂伸長率顯著高于夾具B測得的斷裂伸長率；隨著隔距的增加，夾具A測得的斷裂伸長率呈下降趨勢，夾具B測得的斷裂伸長率規律不明顯。

(3)夾具類型對弦線模量的測試影響明顯，夾具A測得的弦線模量顯著低于夾具B測的弦線模量；隨著隔距的增加，夾具A測得的弦線模量呈上升趨勢，夾具B測得的弦線模量呈下降趨勢，且隨著隔距的增加，兩種夾具測得的弦線模量都會逐漸接近真實值。

綜上可見，不能孤立地看待測試結果，更不能直接將測試結果進行比較，需結合測試條件綜合分析,以為后續終端產品的設計提供可靠的數據依據。