陶肖衛(wèi)，鄭鵬程

(1.青島大學(xué)，山東 青島 266071；2.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032)

超高分子量聚乙烯繩索力學(xué)性能研究

陶肖衛(wèi)1，鄭鵬程2

(1.青島大學(xué)，山東 青島 266071；2.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032)

文章對超高分子量聚乙烯繩索的形態(tài)特征、力學(xué)性能進(jìn)行了測定，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：超高分子量聚乙烯繩索與普通繩索相比具有斷裂強(qiáng)力超高、直徑細(xì)、質(zhì)量輕等特性，超高分子量聚乙烯纖維的斷裂伸長比常規(guī)化纖小，制成繩索后產(chǎn)生塑性伸長，具有良好地力學(xué)性能。

超高分子量聚乙烯；繩索；力學(xué)性能；測定

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維具有斷裂強(qiáng)力超高、直徑細(xì)、質(zhì)量輕、低伸長、高安全和高抗疲勞強(qiáng)度等特性[1]。因此，在航運(yùn)業(yè)的大型船舶和石油業(yè)的海上鉆井平臺(tái)等工程中作為超高強(qiáng)力的系纜和拖纜，在軍工和海洋工程等項(xiàng)目里成為超高載荷、直徑細(xì)、質(zhì)量輕的繩索，在漁業(yè)的大型中層拖網(wǎng)需要強(qiáng)力高和長度大的曳綱和手綱[2-3]，還有大型海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱等需要低伸長的拉索與錨纜[4]，這些都給超高分子量聚乙烯纖維帶來商機(jī)。繩索的力學(xué)性能與上述應(yīng)用領(lǐng)域的安全性息息相關(guān)[5]。

繩索的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對繩索的力學(xué)性能具有很大的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，一般憑借經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際試驗(yàn)來對繩索的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定[6]。繩索編織主要為以下幾步:(1)首先按所需求的直徑來確定繩股中所需UHMWPE纖維復(fù)絲的根數(shù)；(2)將確定好根數(shù)的復(fù)絲在合股機(jī)上合股加捻；(3)繩股大錠編織完成后，倒入與編織機(jī)相配套的小錠；(4)最后加以適當(dāng)?shù)臓恳俣群吞囟◤埩ΓM(jìn)行編織得到所需的UHMWPE纖維繩索[7]。本文主要測試超高分子量聚乙烯繩索的力學(xué)性能，具體包括測量其直徑、周長、拉伸力學(xué)性能、斷裂強(qiáng)力等力學(xué)性能。在超高分子量聚乙烯繩索的研制過程中，通過對其力學(xué)性能的研究和特征值的測定分析，充分利用超高分子量聚乙烯的優(yōu)良物理、化學(xué)性能，制得性能更優(yōu)異的超高分子量聚乙烯繩索，促進(jìn)超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)鏈的形成、工業(yè)和國防現(xiàn)代化及漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)材料為青島億和海麗有限公司生產(chǎn)的細(xì)度105.5 tex的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維編織的特種繩纜(見表1，表2)。

表1 UHMWPE纖維性能參數(shù)

表2 繩索的規(guī)格

另外，編織方式為八股繩和十六股繩，試樣未經(jīng)處理。

1.2 試驗(yàn)儀器

使用深圳市新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號CMT5105，最大實(shí)驗(yàn)力為100 kN，采用輪式夾具對繩索的力學(xué)性能進(jìn)行測量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8834—2006/ISO 2307:1990進(jìn)行測試。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 繩索直徑與周長的測量

繩索的直徑與周長利用游標(biāo)卡尺來測量超分子量聚乙烯繩索的直徑。

1.3.2 繩索斷裂強(qiáng)力與伸長率的測試

繩索的伸長性能采用定負(fù)荷伸長率來表示，本實(shí)驗(yàn)負(fù)荷定為繩索斷裂強(qiáng)力的75%。原理為，試樣機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的速度為每分鐘拉伸值在試樣有效長度的6%至10%范圍內(nèi)，對于超高分子量聚乙烯繩索，往復(fù)部件的速度不應(yīng)超過250 mm/min，本實(shí)驗(yàn)采用的試驗(yàn)機(jī)為銷柱固定插接眼環(huán)試樣，試樣的最小有效長度為1 800 mm。試樣兩端插接成眼環(huán)，閉合長度為250 mm到500 mm。

(1)將試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，在距兩眼環(huán)插接末端150 mm處做兩個(gè)標(biāo)記。對試樣施加規(guī)定的預(yù)加張力，并測量兩個(gè)標(biāo)記間的距離l2，精確到0.5%。

(2)通過試驗(yàn)機(jī)的往復(fù)部件以勻速拉伸逐漸增加張力。當(dāng)張力達(dá)到額定最低斷裂強(qiáng)力的75%時(shí)，測量兩標(biāo)記間的距離l3，精確到0.5%。

由于超高分子量聚乙烯纖維的斷裂伸長率為常規(guī)化纖繩索的1/8左右，用其制成的繩索受力后會(huì)產(chǎn)生明顯伸長。

斷裂強(qiáng)力是試樣在運(yùn)動(dòng)部件以勻速運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行斷裂試驗(yàn)過程中所記錄得到的最大負(fù)荷。使用眼環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，眼環(huán)的閉合內(nèi)長應(yīng)在250 mm到300 mm之間，對于人造纖維繩索，應(yīng)將插接尾端做成錐形。

為了了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否代表繩索的真實(shí)強(qiáng)力，重要的是在試驗(yàn)完成時(shí)確定斷裂點(diǎn)在試樣上的位置。夾具所導(dǎo)致的試樣損傷會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果，因此，在施加負(fù)荷之前應(yīng)在試樣上做標(biāo)記，斷裂應(yīng)發(fā)生在試樣上的兩個(gè)標(biāo)記之間。

2 結(jié)果與討論

2.1 繩索的物理指標(biāo)測試結(jié)果

對五組試樣的物理指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 繩索結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：捻距、直徑為預(yù)加張力120N下測得。

2.2 繩索的伸長性能結(jié)果與討論

圖1 不同復(fù)絲繩索捻角-伸長率折線圖

由圖1可以看出，兩類繩索伸長率的總體趨勢都是隨著捻角的減小，繩索的伸長率逐漸減小。A類復(fù)絲細(xì)度較低，相同直徑復(fù)絲根數(shù)較多。在高捻角階段，伸長率較高，這是因?yàn)槔K索的伸長首先為繩股受力的伸展，伸長增加，隨著拉伸作用力逐漸增大，股紗已完全伸展開，股紗中的單絲開始逐漸伸直伸長。拉力繼續(xù)增大，纖維內(nèi)部大分子鏈鍵長和鍵角開始變化，并逐漸伸直，隨后大分子間產(chǎn)生相對滑移，繩索的伸長不斷增大，直至繩索斷裂[8]。

而B類復(fù)絲的斷裂伸長率較大，當(dāng)繩索的捻角較大時(shí)，繩索較緊密，股紗與繩索軸向的夾角較大，使得相同長度的繩索，捻角較大的繩索其包含的股紗長度較長，在受力拉伸時(shí)，繩索中的股紗的伸直和伸長是繩索伸長的主要因素。繩索捻角越小，拉伸過程中股紗的伸長在繩索的伸長中占的比例越小，而繩索的伸長主要成為單絲伸長和纖維自身大分子的滑移產(chǎn)生的伸長。因此，隨著繩索捻角的減小，繩索的伸長率逐漸減小，并趨于一定值。

圖2 B類復(fù)絲不同直徑繩索捻角-伸長率折線圖

由圖2可以看出，不同直徑的復(fù)絲編織的繩索其伸長率都是隨著捻角的減小而降低，但是在捻角較大的階段，B6繩索伸長率較高，這是由于其直徑較粗，復(fù)絲根數(shù)較多，拉伸過程中，復(fù)絲的斷裂伸長在繩索的伸長中所占的比例更大。

2.3 繩索的斷裂強(qiáng)力結(jié)果與討論

圖3 不同復(fù)絲繩索捻角-強(qiáng)力折線圖

圖3為實(shí)驗(yàn)測得的為直徑相同的兩種不同復(fù)絲的斷裂強(qiáng)力結(jié)果，牽伸速度的增大使得繩索的捻角發(fā)生變化，從而使得繩索的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，最終影響到繩索強(qiáng)力的大小。從圖3可看出：在捻角-強(qiáng)力折線圖初始階段，隨著捻角的減小，A4與B4繩索的強(qiáng)力不斷增大。這是因?yàn)槔K索結(jié)構(gòu)一定，在捻角較大時(shí)，纖維與繩索的軸向偏離角度較大，使得纖維所受外力的方向與纖維的軸向取向偏離的角度較大，纖維分散到繩索軸向的抗拉強(qiáng)力減小，從而使得繩索的強(qiáng)力下降；其次捻角越大，繩索越緊密，相同長度內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)也就越多，隨繩索受力的不斷增大[9]，纖維在外力作用下不能完全伸直，節(jié)點(diǎn)處的壓力也不斷增大，且節(jié)點(diǎn)越多,受到的切向壓力越大,使得繩索易從節(jié)點(diǎn)處斷裂,強(qiáng)力降低[10]。

此外，在折線圖中可以發(fā)現(xiàn)，A4繩索的強(qiáng)力高于B4繩索，首先是由于A類復(fù)絲的斷裂強(qiáng)度較高，在纖維強(qiáng)力利用率相當(dāng)?shù)那闆r下，體現(xiàn)了較高的繩索強(qiáng)力；其次，A類復(fù)絲的細(xì)度較低，僅為B類復(fù)絲的一半左右，在同樣直徑條件下，其復(fù)絲根數(shù)較多，相互直徑的作用力也會(huì)提高繩索的強(qiáng)力。另外，從折線圖中也可看出,繩索達(dá)到最大強(qiáng)力時(shí)的節(jié)距大小與繩索的結(jié)構(gòu)和繩索的直徑大小有關(guān)[11]。

圖4 B類復(fù)絲不同直徑繩索捻角-強(qiáng)力折線圖

從圖4可以看出，隨著捻角的減小，各直徑繩索的強(qiáng)力都會(huì)增大。然而，由B4、B6繩索的捻角-強(qiáng)力折線來看，當(dāng)捻角減小到一定值后，曲線趨于平穩(wěn)，且其斷裂強(qiáng)力會(huì)趨于一個(gè)定值。B8、B10繩索并未出現(xiàn)此現(xiàn)象，主要是因?yàn)锽8、B10繩索與B4、B6繩索的結(jié)構(gòu)不同，且B8、B10繩索的直徑較粗，捻角相對于其結(jié)構(gòu)來說，對強(qiáng)力的影響還是比較大的，所以強(qiáng)力還沒有達(dá)到最大，因此B8、B10繩索若想達(dá)到最大強(qiáng)力，還可嘗試?yán)^續(xù)縮小捻角。

3 結(jié)論

3.1 繩索的斷裂強(qiáng)力隨捻角的不斷減小而增大。但當(dāng)捻角達(dá)到一定數(shù)值后，繩索的強(qiáng)力逐漸趨向與某一定值，因此要使繩索的強(qiáng)力達(dá)到最大，需確

定一個(gè)最佳編織結(jié)構(gòu)。繩索的捻角，緊密度越小，尺寸穩(wěn)定性也就越高，纖維的強(qiáng)度利用率也就越大。3.2 繩索的伸長率隨捻角的不斷減小而降低，繩索伸長主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是繩索結(jié)構(gòu)所帶來的伸長，二是復(fù)絲本身的斷裂伸長。在拉伸的不同階段，伸長的表現(xiàn)方式不同。

3.3 在捻角小于20°時(shí)，繩索的強(qiáng)力較為平緩，并且趨向于一個(gè)極限；25°到20°的捻角編織的繩索，其伸長率適中，有一定的伸縮空間，所以選擇20°為編織捻角相對較好。

[1] 任元林，程博聞.超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維及其應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用,2003,30(5):34—40.

[2] Luyu Zhou, Xianbo Li. A Comparative study of UHMWPE Multifilament and Aramid Multifilament[J]. Advanced Materials Research,2013,(709):84—88.

[3] G. Liu, M.D. Thouless, V.S. Deshpande, et al. Collapse of a composite beam made from ultra high mo lecular-weight polyethylene fibres[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2014,(63):320—335.

[4] 駱玉祥.等離子接枝處理超高分子量聚乙烯纖維[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,(2):23—25.

[5] 鄧震.超高分子量聚乙烯纖維表面處理的研究進(jìn)展[J].合成纖維，2002,31(5):9—12.

[6] 陳聚文，潘婉蓮，黎倩倩.超高分子量聚乙烯纖維蠕變性能改性研究[J].合成纖維,2003,32(2):15—17.

[7] 姜生.改善超高分子量聚乙烯纖維粘合性能的研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2004,(3):47—49.

[8] 馬海有,郭亦萍,茅利生.抗風(fēng)浪網(wǎng)箱超高分子量聚乙烯復(fù)合繩的研究[J].海洋漁業(yè),2005,27(2):154—158.

[9] 呂生華,王結(jié)良,何洋，等.UHMWPE纖維高強(qiáng)度繩索的研究[J].工程塑料應(yīng),2003,31(6):33—35.

[10] 茅利生,郭亦萍,馬海有，等.超高分子量聚乙烯繩索伸長的測定[J].中國水產(chǎn)科學(xué),2004,11(6):36—39.

[11] 陳麗珍,余浩峰,王善元.高強(qiáng)滌綸三股繩制繩工藝探討[J].中國紡織大學(xué)學(xué)報(bào),1994,20(1):45—52.

Research on the Mechanical Properties of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber Rope

TaoXiaowei1,ZhengPengcheng2

(1.Qingdao University， Qingdao 266071， China；2.Shandong Textile Science & Research institute,Qingdao 266032,China))

The morphology,physical and mechanical properties of ultra-high molecular weight polyetylene fiber rope were detected and analysed.The results show that ultra-high molecnlar weight polyethylene fiber rope,with minor breaking strengh,finer diameter,lighter weight,better mechnial propery,is a kind of material to make rope compared to ordinany rope.

ultrta-high molecular weight polyethylene;rope;mechanical property;test

2015-03-12

陶肖衛(wèi)(1988—)，男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生。

TS102.3

A

1009-3028(2015)03-0005-04