二维编织芳纶包芯绳的蠕变性能分析

韩秋红 杨彩云

(天津工业大学纺织学院，天津，300387)

芳纶具有优良的力学性能、稳定的化学性能和理想的机械性能，芳纶绳在船舶配备、渔业捕捞、港口装卸、电力施工、石油勘探、体育用品、国防科研、航空航天等领域有着广泛的应用［1］。芳纶可用于制作高档的丝绳，如航空航天降落伞绳、海上油田用的支撑绳等。芳纶丝绳在海洋中使用时不仅经得起海浪的冲刷，而且藻类、贝类等海洋生物也难以在丝绳上寄生［2］。芳纶浸胶线绳是V形带、风扇带、同步驱动带以及发动机、空调用软管、弯管等橡胶制品理想的骨架材料，在发达国家它作为人造丝、玻璃丝、锦纶、棉、聚酯线绳及钢丝的替代产品［3］。芳纶绳索在减重、易储存方面的优势，使其具有替代钢链和钢绳索的潜能［4］。

蠕变是化学纤维存在的主要问题之一，因长期蠕变而导致的破坏也是纤维在应用中迫切需要解决的问题。由于绳索使用的领域各异，蠕变会带来尺寸、形态的不稳定，也影响结构的可靠性、耐用性和使用寿命。在实际应用中具体表现在：①若绳用于紧紧地固定物体，蠕变会使紧固度降低，绳发生蠕变并伴随产生应力松弛;②若绳用于承担载荷，虽然载荷可能远低于断裂载荷，持续的伸长也会导致绳索断裂［5］。因此，在使用中掌握绳的蠕变性能和蠕变规律是十分必要的，需要在考虑强度的同时，确保其不会在使用寿命内发生显著的性能衰减。本文设计并编织了4种不同规格的二维编织芳纶包芯绳，并对其蠕变性能进行了测试与分析，为合理选用绳索结构提供依据。

1 试验材料

芳纶是芳香族聚酰胺类纤维的统称，国外商品名叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国命名为芳纶。本试验采用的材料为Kevlar 49，它是美国杜邦公司生产的一种单体芳纶，为高模量长丝纱线。表1为Kevlar 49长丝纱5次拉伸测试结果。

表1 试验原料参数

编织绳是两组编织纱在一个由一束芯纱组成的基圆上相互交织，并覆盖在芯纱表面而形成一个紧密结构层。两组编织纱按同一斜度相互交织形成编织绳，其编织纱一上一下的交织规律类似机织物中的平纹［6］。编织绳的设计一般包括直径、芯纱根数、织机锭数和编织节距等内容。织机锭数是编织纱的根数，编织节距为上机设置的参数，即一个节距的长度是在生产时锭子完整地旋转一圈绳索的编织长度，用mm表示。本试验设计了4组编织绳的结构，如表2所示。样品在GBJ90型高速编织机上织造，芳纶绳直径的测量参照GB/T3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》。

表2 二维编织芳纶包芯绳的规格

2 试验方法

目前二维编织芳纶包芯绳蠕变性能的测试还没有相应的国家标准，本文参照纱线及复合材料的蠕变测试方法，设计了二维编织芳纶包芯绳的试验方法，即在施加恒定载荷下对材料进行拉伸蠕变试验，测定芳纶绳蠕变变形与时间的关系。这种装置的特点是可以对材料进行不同恒定应力和温度下的蠕变试验，操作简单且载荷容易保持恒定。芳纶具有较高的强度和模量，并且它的高结晶和各向异性使得其具有非常低的蠕变，测量芳纶绳索时需要采集到较高精度的位移读数。变形测量系统需在加载后能随着加载时间的增加而自动连续地测定试样的形变，形变的测定精度一般要求达到测定形变的±1%。

蠕变试验的程序设置如下：试验仪器为INSTRON 3369型万能强力机，启动Bluehill万能材料试验的测试软件，进入操作界面进行试验方法设置，选择国际单位制单位系统，输入试样的几何形状、长度、最终长度和最终直径。测试控制部分的斜线段部分选择控制模式为位移，可设置相应的速度;保持部分选择保持阶段控制模式为载荷，保持开始的标准为载荷，保持值处可进行设置;测试结束部分设置数据采集的时间间隔，可根据需要设置。曲线图的横坐标定义为耗时(s)，纵坐标定义为位移(mm)。选择导出文档格式、导出结果以及导出原始数据选项。保存蠕变测试方法，对试样进行夹持后即可进行测试。

二维编织芳纶包芯绳的夹持装置如图1所示。夹持间距为540 mm，加载速度为25 mm/min，测试时间为2 h，温度为25℃，湿度为65%，预加张力C-1～C-4分别为30、40、35和37 N，保持载荷为300 N。

图1 夹持装置

3 芳纶的蠕变机理

蠕变现象是在一定温度和远低于该材料断裂强度的恒定外力作用下，材料的形变随时间增加而逐渐增大的现象，最典型的特征是材料的变形与时间紧密相关。芳纶的蠕变行为属于黏弹性行为的范畴，黏弹性是指材料在外力作用下，弹性和黏性两种变形机理都同时存在的力学行为，其特征是应变对应力的响应不是瞬间完成的，需要一个弛豫过程，但卸载后应变可恢复到初始值，不留下参与变形。

蠕变行为可以直观地用蠕变曲线表示，根据蠕变曲线的斜率可以很容易地判断出曲线分三个阶段：第一阶段为初始蠕变，这个阶段发生非晶调整，蠕变率是逐渐减小的，并且这一阶段的伸长是可逆的;第二阶段为稳态蠕变，它是不可逆的，一般所指的蠕变速率就是此阶段的蠕变速率值，它是衡量材料抗蠕变性能的重要指标;在第三阶段分子链开始断裂，纤维中的细丝发生颈缩，局部应力增加，最终导致蠕变断裂。对于工程分析，通常最关心蠕变的第一和第二阶段，第三阶段蠕变通常与开始破坏(颈缩、损坏)有关，且时间较短。

芳纶的黏弹性蠕变取决于其结构因素，主要包括：①聚合物分子量，蠕变来自分子链的缠结产生的黏性和弹性;②交联状态，高聚物的交联程度与分子滑移直接相关;③共聚和增塑作用的影响;④结晶化的影响，结晶度减小蠕变;⑤聚合物分子结构的影响，分子链柔曲性和分子链间作用力大小反映出其蠕变性能，分子链愈柔曲，分子链间作用力愈小，其蠕变就愈明显。Kevlar纤维的大分子刚性极佳，链缠结少，取向度、结晶度高，分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构使纤维表现出良好的强度、模量及抗蠕变性能。

4 测试结果及分析

4.1 二维编织包芯结构对蠕变性能的影响

芳纶绳的蠕变行为与其加工工艺及结构特点密切相关。图2为4个样品的蠕变曲线图。

对纤维、绳索等长径比很大的材料，我们主要考虑其长度方向的蠕变，称之为一维蠕变。试样在承受外力后单位长度的形变称为蠕变应变。由于芳纶绳在拉伸试验到300 N的过程中会有一定的初始伸长，因此，以载荷保持300 N时为位移变化的起始，选取了5个时间节点计算其应变值，见图3。其中5个时间节点分别为600、1 800、3 600、5 400和7 100 s。

C-1和C-2为8锭，C-3和 C-4为16锭，将同样锭数的芳纶绳放在一组进行分析。从图3中可以看出，每组中相同载荷下，随着时间的增加芳纶绳的应变均呈增长趋势，并且组内两个样品的蠕变应变差异越来越明显。在8锭和16锭各组内，芳纶绳的蠕变应变随着芯纱根数的增加而减小，即10芯绳的蠕变大于14芯绳，17芯绳的蠕变大于25芯绳。16锭芳纶绳的抗蠕变性能明显优于8锭芳纶绳。8锭两个样品的芯纱相差4根，16锭两个样品的芯纱相差8根，由图3可以清楚地看出，芯纱根数较少时不同规格的芳纶绳的蠕变差异明显较大。

通过分析4个二维编织芳纶绳样品参数的差异，可以得出试验中蠕变差异的原因。二维编织包芯绳由编织纱和芯纱组成，编织纱以一定的角度相互交织包裹在芯纱的外面，这样的结构使得编织纱和芯纱两部分的相互联系较弱，一般是依靠织造过程中对节距的选取和调整，使两部分成为一个外观均匀且具有一定紧密度的整体。在测试过程中，夹头直接接触编织纱产生握持力。8锭芳纶绳的直径小于16锭芳纶绳，使得这种因结构原因的蠕变作用差异较明显，直径较大的芳纶绳因芯纱根数较多而影响较弱。另外，同样载荷下，分配到每根芳纶纱线上的作用力大小是不同的，承力较大的芳纶纱线产生的蠕变应变较大。

图2 芳纶绳样品的蠕变位移时间曲线

4.2 预加张力的影响

伸长与预加载的大小有关。在试验过程中为了进行机械调节会进行短期的预加载，预加载只持续几秒钟，黏弹性变形很小，纤维缓缓回复到一个新的平衡状态。同时，施加预加张力是为了消除纤维初始伸直不佳的情况。

图3 芳纶绳的蠕变应变时间曲线

若试验前将纤维预加载到高于蠕变的应力水平，纤维对静态载荷的滞弹性反应将大大减小，主要是由于初始高加载减小了第二阶段的塑性变形［7］。本试验所采用的预加张力远小于蠕变时的恒定载荷，使绳在保持伸直的状态下不至于产生过大的初始伸长，可使蠕变试验结果的精度和可靠性达到要求。

5 结语

分析4种不同规格二维编织芳纶包芯绳在载荷300 N、测试时长2 h的蠕变曲线，得到以下结论：

(1)芳纶在低应力水平下呈现非线性黏弹性现象，总体上说，芳纶二维编织包芯绳的抗蠕变性能优良，蠕变应变均在10－4数量级。

(2)C-1～C-4芳纶绳的蠕变应变均随时间的延长而增大，蠕变率依次降低，不同规格参数的芳纶绳蠕变率变化的时间周期逐步变长。

(3)二维编织包芯结构在较大程度上影响芳纶绳的蠕变性能，芳纶绳直径较小时蠕变应变较大，蠕变应变的差异受芯纱根数的影响较明显，绳直径较大时则影响较弱。

［1］牛鹏霞，杨彩云.特种绳纤维材料的发展和应用［J］.产业用纺织品，2010，28(12)：33-36.

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［4］HUANG Weiliu，LIAN Haixiao.Modeling nonlinear creep and recovery behaviors of synthetic fiber ropes for deepwater moorings［J］.Applied Ocean Research，2012，39：113-120.

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