HMLS聚酯工业丝蠕变性能测试分析*

2019-04-18

产业用纺织品 2019年2期

1. 东华大学材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620；2. 浙江尤夫高新纤维股份有限公司，浙江湖州 313017

聚酯工业丝具有强度高、模量高、尺寸稳定性好等特性，广泛应用于轮胎帘子线、安全带、安全气囊、土工材料等领域[1-2]。与所有高分子材料一样，聚酯工业丝在后加工和使用过程中会随载荷及环境条件变化发生蠕变，即在载荷长期作用下逐渐产生形变[3]，这会导致服役安全隐患问题。合理评价和预测聚酯工业丝的使用寿命和使用强度极限，对有效预防服役安全隐患至关重要。因此，聚酯工业丝的蠕变性能研究在一定程度上受到关注。

SAMUI等[4]对4种不同类型(低收缩、超低收缩、高模低收缩、高强)的聚酯工业丝在20、100 ℃下60 min内的蠕变性能进行研究，以初始蠕变形变率与总蠕变形变率作为衡量样品蠕变性能的指标，得出纤维非晶区取向程度决定样品的蠕变性能，纤维非晶区取向程度高则样品的蠕变形变率低。陈聚文等[5]115-116对比了聚酯工业丝、超高相对分子质量聚乙烯纤维等在不同温度、应力条件下的蠕变性能，利用蠕变形变率、蠕变速率、普弹形变等蠕变性能指标进行评价，结果表明：超高相对分子质量聚乙烯纤维发生的蠕变形变主要是不可回复的塑性蠕变形变，而聚酯工业丝发生的蠕变形变主要是可回复的弹性蠕变形变。LECHAT等[6]533发现在相同蠕变载荷条件下，PET(聚酯)和PEN(聚萘二甲苯)两种线绳用纤维的蠕变伸长率存在明显差异，但是它们的蠕变速率常数相差不大，由此推测影响纤维蠕变性能的主要结构因素为主链的柔顺性。

总之，有关聚酯工业丝蠕变性能的研究主要关注样品的蠕变形变与微观结晶取向结构之间的关系[5]116，[6]533，[7]，所采用的蠕变性能测试方法并不统一，利用的蠕变性能指标也局限于初始蠕变形变率、总蠕变形变率、塑性蠕变形变率、蠕变形变速率常数等。

在传统材料领域，金属[8-9]、塑料[10-11]、橡胶[12]等已有规范的蠕变性能测试方法和蠕变性能指标。采用纤维制作的纺织品[13]、土工合成材料[14-15]、纤维增强复合材料[16]等，也有相关标准。但是对于纤维本身而言，现有的相关标准[17]只对纤维长度、载荷和蠕变时间做了规定，而由于纤维韧性较大和承受总应力较小等因素，一些试验条件如夹持距离、蠕变载荷加载速率和预加张力等会对测试结果产生影响；另外，此标准仅关注纤维长丝的蠕变伸长过程，并未涉及蠕变回复过程和蠕变寿命的计算方法。

因此，为获得适用于聚酯工业丝蠕变性能测试的规范方法，本文利用高模低收缩型(HMLS)聚酯工业丝为原料，考察试验条件(包括夹持距离、蠕变载荷加载速率和预加张力)对HMLS聚酯工业丝蠕变性能的影响，再通过试验条件的优化、蠕变性能指标的定义和计算，建立测试方法并对HMLS聚酯工业丝的蠕变性能进行测试，验证该测试方法的合理性。

1 试验

1.1 原料

试验样品采用HMLS聚酯工业丝(浙江尤夫高新纤维股份有限公司)，其规格为1 100 dtex/192f，室温条件下的平均断裂载荷(ABL， Average Breaking Load)为80.0 N。

1.2 蠕变试验

仪器：带有加热箱的WDT-0.2型电子万能试验机(深圳市凯强利试验仪器有限公司)，设定为恒定应力的拉伸蠕变模式。

利用电子万能试验机的蠕变模式进行蠕变试验，按要求夹持样品，设定蠕变载荷、蠕变载荷加载速率、蠕变时间、蠕变回复时间等。当仪器达到设定蠕变载荷时，获得样品的初始蠕变形变率；然后，蠕变载荷维持设定的蠕变时间，获得样品的总蠕变形变率；卸载蠕变载荷后，仪器自动获得样品回复曲线。

1.3 蠕变寿命或持久极限强度预测

1.3.1 快速拉伸断裂时间

利用电子万能试验机对样品进行快速拉伸试验，夹持距离为300 mm，拉伸速率为30、 90、 180 mm/min，获得对应拉伸速率下的快速拉伸断裂强力与断裂时间。

1.3.2 快速蠕变断裂时间

利用电子万能试验机对样品进行快速蠕变试验。夹持距离为300 mm，蠕变载荷为80.00%ABL～90.00%ABL，获得对应蠕变载荷下的快速蠕变断裂时间。

1.3.3 分级等温加速蠕变试验

依据ASTM D6992-2015《使用阶段等温法对基于时间-温度叠加的土工合成材料的加速拉伸蠕变和蠕变断裂的标准试验方法》标准，利用电子万能试验机对样品进行分级等温加速蠕变试验。在试验开始前，每个样品在30 ℃下进行平衡。夹持距离为300 mm，蠕变载荷为75.00%ABL，保持4 h。试验温度从30 ℃开始，每2 h上升15 ℃，直到90 ℃，如样品发生断裂，试验提前结束，记录样品伸长率-时间曲线。

2 结果与讨论

2.1 蠕变过程分析

图1所示为样品蠕变-回复过程，其中(a)为蠕变形变率-蠕变时间曲线，(b)为蠕变速率-蠕变时间曲线，明显可发现这一过程分为三个阶段。蠕变载荷加载时样品所发生的形变率称为初始蠕变形变率εi，其对应时间t1通过蠕变载荷与蠕变载荷加载速率之比计算得到。在第一阶段(减速蠕变)，样品的蠕变形变率[图1(a)]逐渐增大，对应的蠕变速率[图1(b)]逐渐减小至一恒定值。该阶段所经历的时间占总蠕变时间的比例较低，且样品发生的形变率较小。随着蠕变过程的发展，当蠕变时间达到t2时，蠕变过程进入第二阶段(稳态蠕变)，样品的蠕变速率基本保持不变[图1(b)]，故称为稳态蠕变速率vs。此阶段的蠕变形变率-蠕变时间曲线[图1(a)]呈线性，刚进入此阶段样品所发生的形变率称为稳态蠕变形变率(εs)。由于HMLS聚酯工业丝在使用过程中长期处于稳态蠕变阶段，稳态蠕变速率决定着其服役时间和耐久性。当蠕变试验进行到设定的蠕变时间t3时，样品所发生的蠕变形变率为总蠕变形变率εt。此时，样品未发生断裂，卸载蠕变载荷，样品已经发生的蠕变形变会逐渐回复，蠕变过程进入第三阶段(蠕变回复)。卸载蠕变载荷后，样品可以回复的蠕变形变率为弹性蠕变形变率(εe)，不可回复的蠕变形变率为塑性蠕变形变率(εp)。当蠕变过程达到设定的蠕变回复时间后，蠕变过程的总持续时间为t4，蠕变试验结束，蠕变回复时间为(t4-t3)。

当加载的蠕变载荷较大或试验温度较高时，HMLS聚酯工业丝在蠕变试验中更容易发生断裂。图2所示为样品蠕变-断裂过程。蠕变-断裂过程也分为三个阶段，分别为减速蠕变、稳态蠕变、加速蠕变(蠕变断裂)。其中，前两个阶段与蠕变-回复过程相同，主要区别在第三阶段。由于在较大蠕变载荷作用下稳态蠕变速率较大，样品的蠕变形变发展得较快，导致纤维结构破坏。当时间到达t3时，样品的形变速率明显加快，到达t4时样品发生断裂，此时所对应的蠕变形变率与蠕变速率均为最大。

(a) 蠕变形变率-蠕变时间曲线

(b) 蠕变速率-蠕变时间曲线

(a) 蠕变形变率-蠕变时间曲线

(b) 蠕变速率-蠕变时间曲线

2.2 蠕变试验条件的优化

除了样品本身的结构性能外，夹持距离、蠕变载荷加载速率和预加张力等试验条件都会对蠕变性能测试结果造成影响。为此，针对各试验条件的影响展开讨论，作为优化试验条件的依据。

2.2.1 夹持距离

设定蠕变温度为室温(30 ℃)，蠕变载荷为30.00%ABL，蠕变时间t3为3 600 s，蠕变载荷加载速率为0.10 cN/(dtex·s)，蠕变回复时间(t4-t3)为1 800 s，记录样品蠕变形变率-蠕变时间曲线。改变夹持距离(200、 300、 400 mm)，获得图3所示的不同夹持距离下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线，可以看出，改变夹持距离会对样品蠕变性能的测试结果产生影响。夹持距离较短(200 mm)容易使上下两个夹具受力时发生倾斜，对试验结果造成影响；夹持距离过长(400 mm)，样品发生的蠕变形变率过大，容易超过仪器的夹持器量程，对仪器要求较高。综合考虑，对于HMLS聚酯工业丝的蠕变性能测试，夹持距离以300 mm较为适宜。

图3 不同夹持距离下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线

2.2.2 蠕变载荷加载速率

如图4所示，蠕变载荷加载速率对样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线有一定的影响。在较大的蠕变载荷加载速率下，如0.15、 0.20 cN/(dtex·s)，很容易因为仪器夹具的惯性作用，发生瞬时过载现象，对初始蠕变形变率的计算结果造成一定的影响，不利于稳定数据的获得。另一方面，采用较小的蠕变载荷加载速率，如0.01 cN/(dtex·s)，加载过程耗时过长，属于拉伸行为，不能反映迅速加载导致的初始蠕变形变率。因此，综合上述两方面原因，HMLS聚酯工业丝的蠕变载荷加载速率以0.05～0.10 cN/(dtex·s)为宜。

图4 不同蠕变载荷加载速率下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线

2.2.3 预加张力

在蠕变过程中，样品是否处于伸直状态对其蠕变性能测试结果的影响也很明显。从图5所示的不同预加张力下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线，可以发现：在相同试验条件下，样品的初始蠕变形变率与总蠕变形变率随着预加张力增大而减小。给予样品的预加张力越大，样品在测试前产生的伸长越大，而这部分伸长不能反映在测试结果中，导致初始蠕变形变率、总蠕变形变率等参数变小；相反地，给予样品的预加张力过小，如0.01 cN/dtex，样品容易处于松弛状态，同样会影响测试结果的准确性和可靠性。综上，对于HMLS聚酯工业丝蠕变性能测试，预加张力选择0.05 cN/dtex较为适宜。

图5 不同预加张力下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线

2.3 蠕变性能指标的确定

2.3.1 常规蠕变性能指标

基于图1所示的样品蠕变-回复过程，将HMSL聚酯工业丝的常规蠕变性能评价指标归纳如下：

2.3.1.1 常温下不同蠕变载荷下的常规蠕变性能

采用优化后的蠕变试验条件，在常温下以不同蠕变载荷(2.00%ABL、 10.00%ABL、 20.00%ABL、 30.00%ABL、 40.00%ABL、 50.00%ABL、 60.00%ABL、 70.00%ABL、 80.00%ABL、 86.00%ABL、 87.00%ABL)，对HMLS聚酯工业丝的常规蠕变性能进行测试，蠕变时间t3为3 600 s，蠕变回复时间为1 800 s。常温下不同蠕变载荷下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线如图6所示。在蠕变载荷不超过80.00%ABL的情况下，样品在蠕变过程中不会发生断裂，表现出完整的蠕变伸长与蠕变回复；当蠕变载荷达到86.00%ABL及以上时，样品在蠕变过程中会发生断裂。

图6 常温下不同蠕变载荷下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线

图7所示为常温下不同蠕变载荷下样品的常规蠕变性能测试结果。从图7(a)可知，初始蠕变形变率εi、总蠕变形变率εt、弹性蠕变形变率εe与塑性蠕变形变率εp均随着蠕变载荷增大而增大。从图7(b)可知，蠕变弹性回复率随着蠕变载荷增加呈先提高后趋于稳定的趋势，不同蠕变载荷下样品的蠕变弹性回复率均超过50%，说明样品主要发生弹性蠕变形变，在蠕变载荷卸载后大部分的蠕变形变可以回复。从图7(b)还可以发现，当蠕变载荷不大于70.00%ABL时，样品的稳态蠕变速率随着蠕变载荷增加缓慢增大，表明样品的抗蠕变性能较好；当蠕变载荷达到80.00%ABL时，样品发生的蠕变形变快速增加，稳态蠕变速率明显提高。

(a) 蠕变形变率

(b) 蠕变弹性回复率与稳态蠕变速率

2.3.1.2 不同蠕变温度下的蠕变性能

利用优化后的蠕变试验条件，蠕变载荷设定为30.00%ABL，对HMLS聚酯工业丝在不同蠕变温度(30、 60、 80、 100、 120、 150、 180 ℃)下的蠕变性能进行测试。不同蠕变温度下样品的蠕变形变率-蠕变时间曲线如图8所示。在蠕变温度180 ℃条件下，样品在蠕变过程中不会发生断裂，卸载蠕变载荷后表现出完整的蠕变伸长与蠕变回复。

图9所示为不同蠕变温度下样品的常规蠕变性能测试结果。从图9(a)可知，初始蠕变形变率εi、总蠕变形变率εt、弹性蠕变形变率εe与塑性蠕变形变率εp都随着蠕变温度升高而增大。由图9(b)可见，蠕变温度不超过120 ℃时，蠕变弹性回复率基本保持不变；蠕变温度超过120 ℃之后，蠕变弹性回复率随着蠕变温度升高逐渐减小，说明较高蠕变温度下样品发生的塑性蠕变形变增加得更明显。在蠕变温度为180 ℃的条件下，蠕变弹性回复率接近40%，表明样品发生的蠕变形变中主要是为塑性蠕变形变。从图9(b)还可以发现，在蠕变温度不超过150 ℃的条件下，稳态蠕变速率vs随着蠕变温度升高缓慢增大，说明样品的抗蠕变性能较好；当蠕变温度超过150 ℃时，样品发生的形变快速增加，稳态蠕变速率vs明显增大，说明样品的抗蠕变性能较差。

(b) 蠕变弹性回复率与稳态蠕变速率

2.3.2 本征蠕变性能指标

对样品进行拉伸、蠕变试验，获得不同拉伸速率下样品的断裂强力及断裂时间(表1)、不同蠕变载荷下样品的蠕变断裂时间(表2)、一定蠕变载荷下样品的分级等温蠕变曲线与主曲线(图10)。利用蠕变载荷-蠕变断裂时间关系，通过内插或者外推法获得样品的持久极限强度。

为获得更小的蠕变载荷下样品的蠕变断裂时间，通过常规蠕变试验方法往往要耗费过长的时间，因此参考相关文献[18]和[19]，采用分级等温法(SIM)进行加速蠕变试验。样品的分级等温蠕变曲线如图10(a)所示，可以看到在75.00%ABL的蠕变载荷下，当蠕变温度提升至75 ℃时，样品发生断裂。将样品的分级等温蠕变曲线进行平移，得到图10(b)所示的样品在30 ℃、 75.00%ABL条件下的分级等温蠕变主曲线，所对应的蠕变断裂时间为103.37h。