PBO纤维拉伸性能测试的影响因素探讨

冉茂强,付兴伟，许 伟，郭 玲，胡 娟

(中蓝晨光化工研究设计院有限公司 高技术有机纤维四川省重点实验室，四川 成都 610041)

PBO纤维拉伸性能测试的影响因素探讨

冉茂强,付兴伟*，许 伟，郭 玲，胡 娟

(中蓝晨光化工研究设计院有限公司 高技术有机纤维四川省重点实验室，四川 成都 610041)

参照Q/2019400—7.175—2009标准，测试聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)初生纤维(AS-PBO)、高模量纤维(HM-PBO)的拉伸性能，探讨了加捻系数、试样标距、拉伸速率和预加张力等因素对测试结果的影响。结果表明：AS-PBO和HM-PBO干纱的拉伸性能测试的最佳条件是加捻系数为12，标距为(120±1)mm，拉伸速率为20 mm/min，预加张力为断裂载荷的1%；在此条件下测得的AS-PBO、HM-PBO干纱的拉伸强度分别为31.94，29.20 cN/dtex，模量分别为900.25，1 487.03 cN/dtex，断裂伸长率分别为4.1%，1.4%，所测结果与日本东洋纺报道的Zylon®的拉伸性能接近。

聚对苯撑苯并二噁唑纤维 干纱 拉伸性能 测试 影响因素

聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维具有高比强度、高比模量、高吸能特性，被誉为新一代的“超级纤维”，是目前最先进的耐高温、耐高压和抗弹复合材料增强纤维。目前，PBO纤维只有日本东洋纺拥有工业化生产能力，生产的品种有高强型(Zylon-AS)和高模型(Zylon-HM)。但是，PBO纤维作为日本重要战略物资，对我国禁售。中蓝晨光化工研究设计院有限公司和华东理工大学合作，基本解决了PBO纤维的高性能化和工程化制备的一些关键技术。然而，在研究过程中发现：由于PBO纤维自身的特性，不易准确测定其力学性能；PBO纤维力学性能测试缺乏相关的测试标准，干纱性能检测目前参照执行芳纶Ⅲ测试标准[1]。

与芳纶Ⅲ相比，PBO纤维的表面更加光滑致密，缺少相应的活性基团，而且其强度和模量也更高。PBO纤维的这些特点使得其力学性能的准确测定成为难点。但是，在PBO国产化研究过程中，力学性能是最关键的指标之一，摸清影响测试的关键因素，建立PBO纤维相关的测试标准，准确测定纤维的力学性能已经成为亟待解决的重要课题。作者采用中蓝晨光化工研究设计院有限公司自制的两种型号的PBO纤维，参考相近国家标准[2-5]的基础上，探讨了加捻系数(TF)、试样标距、拉伸速率和预加张力几个关键因素对测定国产PBO干纱的拉伸强度和模量的影响，以期加深对PBO干纱测试的认识，进一步建立干纱的测试标准。

1 实验

1.1 主要原料

PBO初生纤维(AS-PBO纤维)，PBO高模量纤维(HM-PBO纤维)：线密度110 tex，中蓝晨光化工研究设计院有限公司产。

1.2 仪器与设备

Y331LN纱线捻度仪：山东省莱州市电子仪器有限公司制；Instron 4302 5967万能材料试验机：美国Instron公司制。

1.3 纤维性能测试

参照GJB348—87测试PBO纤维的密度；采用TACT6611.1—73《纺织纤维线密度测试方法》测定纤维的线密度；在Instron 4302 5967万能材料试验机，参照Q/2019400—7·175—2009标准，并逐步改进测试条件测定PBO干纱的力学性能。

2 结果与讨论

2.1 TF

PBO干纱附带的捻度为0，测定力学性能时，需对其进行加捻[6-8]。对于线密度不同的复纱，最优的捻度可以采用TF来估算，见式(1)：

TF=0.124nT0.5

(1)

式中：n为纤维单位长度的捻数；T为纤维线密度。

在TF分别为5，10，15，20，25的条件下，对AS-PBO和HM-PBO纤维进行加捻，研究TF对测定纤维拉伸强度和模量的影响。其他测试条件参照芳纶Ⅲ测试标准[1]设定为：试样标距(170±1) mm，拉伸速率25 mm/min，预加张力为断裂载荷的1%。

由图1可知，随着TF的增加，AS-PBO干纱和HM-PBO干纱的拉伸强度先增加后减少，拉伸弹性模量呈逐渐降低的趋势。这是因为加捻会使PBO纤维产生预应力，外层纤维在承受张力作用的同时对内层纤维产生向心压力，促使纤维互相抱紧挤压，增加纤维间的滑动阻力和紧密度，使纤维的强度均匀化，提高纤维单丝断裂的一致性。但是，随着捻度的增加，PBO纤维的承力在纱线轴向上的分力减少，影响纤维强力的有效利用[9]。因此，在这两种因素同时作用下两种PBO纤维的拉伸强度随着TF的增加均呈现出先增加后减少的趋势，出现强度极值。与AS-PBO纤维相比，HM-PBO纤维在热处理过程中取向度增加，结晶更加完善，结构更加致密，表面更加光滑，拉伸强度在更高的捻度出现极值。液晶纺丝法制备的PBO纤维中的刚性高分子链呈伸展构象并高度取向，因此会表现出较高的拉伸模量。但加捻会使处于伸展状态的PBO高分子发生扭曲，破坏高度取向的分子链，造成PBO干纱拉伸模量降低。捻度较低时，拉伸模量降低趋势还不甚明显，但超过一定值后扭曲会造成拉伸模量的迅速降低。HM-PBO纤维经过热处理后纤维取向度更高，对加捻的扭曲作用也更为敏感，拉伸模量受加捻系数的影响也更为明显。综合考虑两种纤维的拉伸强度和模量，AS-PBO和HM-PBO干纱测试时选择TF为12较合适。

图1 TF对PBO干纱的强度和模量的影响Fig.1 Effect of TF on strength and modulus of PBO yarn■—AS-PBO干纱；●-HM-PBO干纱

2.2 试样标距

试样标距对测定PBO干纱的拉伸性能有着一定的影响[10。由图2可看出，随着试样标距的增加，PBO干纱的拉伸强度降低，模量增加。这是因为PBO纤维在制备过程中在长度方向上不可避免地会产生缺陷，这些缺陷构成了纤维的薄弱环节。在纤维受力过程中，这些缺陷会形成应力集中，在较低应力下快速扩展，最终造成纤维整体的破坏。纤维长度越长，薄弱环节越多，测得的纤维拉伸强度也越低。所以，随着试样标距的增加，两种PBO纤维的拉伸强度逐渐降低；另外，试样标距较短时，纤维的拉伸弹性模量受到端部效应的影响明显。两端部受其与试验机夹具间摩擦力的束缚，不能自由侧向收缩，对纤维的拉伸模量产生不利影响。随着试样标距的增加，端部效应逐渐减少，因此，纤维的拉伸模量逐渐增加。另外，实验过程中发现，测试PBO干纱拉伸性能时，试样长度不宜过长，而且必须固定，否则结果不具有可比性。综上所述，两种纤维的拉伸强度和模量测试时的较优的试样标距为120 mm。

图2 试样标距对PBO干纱的强度和模量的影响Fig.2 Effect of sample gauge length on strength and modulus of PBO yarn拉伸速率为25 mm/min，预加张力为断裂载荷的1%，TF为12。■—AS-PBO干纱；●—HM-PBO干纱

2.3 拉伸速率

由图3可知，随着拉伸速率的增加，AS-PBO和HM-PBO干纱的拉伸强度和拉伸模量最开始有所增加，之后受拉伸速率影响较小。这是因为在不同的拉伸速率下，PBO纤维的断裂机理有所不同。在低的拉伸速率下，有充足的时间利于缺陷的发展，测得的强度值较小；而较大的拉伸速率下，断裂主要是其化学键的破坏引起，因而测得的强度值较大。另外，在较大的拉伸速率下，分子链的键长、键角改变，使纤维提早进入强化区，测得的两种型号的PBO纤维的拉伸模量较高。在测试过程中发现，由于受到实验设备数据采集能力的限制，尤其是在测定拉伸模量时，不宜采用较高的拉伸速率。综上所述，测定PBO干纱拉伸强度和模量时，选择拉伸速率20 mm/min为宜。

图3 拉伸速率对PBO干纱的强度和模量的影响Fig.3 Effect of stretching rate on strength and modulus of PBO yarnTF为12，试样标距为(120±1) mm，预加张力为断裂载荷的1%。■—AS-PBO干纱；●—HM-PBO干纱

2.4 预加张力

在测试过程中，预加张力对于纤维力学性能的准确测定有着一定的影响。预加张力可以保证纤维轴与拉伸方向在同一方向上，对准确测定纤维的应力应变曲线有着重要的影响。

由图4可知，随着预加张力的增加，两种型号的PBO干纱的拉伸强度均缓慢降低；拉伸模量则基本不受预加张力的影响。在预加张力为断裂载荷的1%～2%的区间内，趋势较为明显。因此，测试时对两种PBO干纱的复丝施加的张力不宜过大，最好不超过3 N，即不超过断裂载荷的1%。

图4 预加张力对PBO干纱的强度和模量的影响Fig.4 Effect of pre-tension on strength and modulus of PBO yarnTF为12，试样标距为(120±1) mm，拉伸速率为20 mm/min。■—AS-PBO干纱；●—HM-PBO干纱

2.5 测试结果分析

Q/2019400—7.175—2009标准中PBO干纱的测试条件如下：TF为10，标距为(170±1) mm，拉伸速率为25 mm/min，预加张力为断裂载荷的1%；新测试方法的测试条件如下：TF为12，标距为(120±1) mm，拉伸速率为20 mm/min，预加张力为断裂载荷的1%。通过对AS-PBO和HM-PBO干纱进行拉伸性能测试，并对2种测试方法所测得的结果进行比较。由表1可知，2种测试条件对AS-PBO和HM-PBO纤维的伸长率影响不大；与原测试条件相比，新测试条件下测得的2种纤维的拉伸强度和拉伸模量均较高；新测试方法得到的测试结果与日本东洋纺报道的Zylon®的力学性能[6]更为接近。

表1 2种测试方法测定PBO干纱的拉伸性能比较Tab.1 Comparison of tensile properties of PBO yarn determined by two testing methods

综上所述，在PBO干纱拉伸性能测试结果的影响因素中，预加张力对测试结果的影响最小，然后依次是拉伸速率、试样标距及TF。

3 结论

a.测定AS-PBO，HM-PBO干纱的拉伸性能的最佳条件为：TF为12，标距(120±1) mm，拉伸速率20 mm/min，预加强力为断裂截荷的1%。

b.在最佳条件下，测得的AS-PBO，HM-PBO干纱的拉伸性能，其拉伸强度分别为31.94，29.20 cN/dtex，拉伸模量分别为900.25，1 487.03 cN/dtex，断裂伸长率分别为4.1%，1.4%。

[1] Q/2019400—7·175-2009,芳纶Ⅲ纤维[S].成都: 中蓝晨光化工研究设计院有限公司,2009.

[2] GB/T 14344—2008,化学纤维 长丝拉伸性能试验方法[S].北京：中国标准出版社,2008.

[3] GB/T 19975—2005,高强化纤长丝拉伸性能试验方法[S].

[4] GB/T 3362—2005,碳纤维复丝拉伸性能试验方法[S].

[5] GB/T 348—87,芳纶复丝拉伸性能测试方法 浸胶法[S].

[6] Toyobo Co.,LTD..Zylon®(PBO fiber) Technical Information

[EB/OL].[2005].http://www.toyobo.cn

[7] 寺本喜彦,北河亨,田中良和,等.聚吲哚纤维及其制备方法:中国,1180762[P].1998-05-06.

[8] Kuroki T,Tanaka Y,Hokudoh T,et al.Heat resistance properties of poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole) fiber[J].J Appl Polym Sci,1997,65(5):1031-1036.

[9] 关洪涛,李辅安,程勇.加捻对T800碳纤维拉伸性能的影响[J].纤维复合材料,2011,30(3):30-33.

[10] Montes-Morn M A,Davies R J,Riekel C,et al.Deformation studies of single rigid-rod polymer-based fibers.Part1.Determination of crystal modulus[J].Polymer,2002,43(19):5219-5226.

Influential factors on testing tensile properties of PBO fiber

Ran Maoqiang,Fu Xingwei,Xu Wei,Guo Ling,Hu Juan

(High-techOrganicFibersKeyLaboratoryofSichuanProvince,ChinaBluestarChengrandChemicalCo.,Ltd.,Chengdu610041)

The tensile properties of as-spun poly(p-phenylene benzobisoxazole) (AS-PBO) fiber and high-modulus PBO (HM-PBO) fiber were tested according to standard Q/2019400-7.175-2009.The effects of the twisting factor,sample gauge length,stretching rate and pre-tension on the test results were discussed.The results showed that the tensile strength of AS-PBO and HM-PBO fibers was determined as 31.94 and 29.20 cN/dtex,the modulus 900.25 and 1 487.03 cN/dtex,the elongation at break 4.1% and 1.4%,respectively,as the determination conditions were optimized as twisting factor of 12,gauge length (120±1) mm,stretching rate 20 mm/min,pre-tension 1% of breaking load; and the tested data approached the tensile properties of Zylon®reported by Japan Yoyobo Corporation.

poly(p-phenylene benzobisoxazole) fiber; yarn; tensile property; testing; influential factor

2015- 09-28； 修改稿收到日期：2016- 03- 02。

冉茂强(1987—)，男，助理工程师，主要从事高性能纤维的研发。E-mail：546154043@qq.com。

*通讯联系人。E-mail：fuxingwei1986@163.com。

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1001- 0041(2016)02- 0070- 04