纤维织物耐高温性能研究

2019-12-26易怀强刘圣千武国军吴家红康建钊于凤林

纺织科技进展 2019年12期

易怀强,刘圣千,武国军,郑磊,吴家红,陈思,康建钊,于凤林

(中国航天科工集团第六研究院四十六所,内蒙古呼和浩特010010)

0 前言

囊体材料是飞艇组成件中最庞大主要的部分,重量占整个飞艇的50%左右。飞艇囊体材料的性能,直接决定飞艇驻留的高度和时间以及载荷能力,同时决定飞艇的使用寿命。囊体材料在加工和使用过程中,需经受复杂的环境,如高低温交变、紫外辐射、臭氧以及各种高能粒子的强烈作用等,对蒙材料性能要求极为严苛。复杂环境特别是高低温对囊体材料力学性能有非常明显的影响[1]。

承力层是囊体材料的关键功能层,是由高强有机纤维经过织造而成的织物。承力层织物是提供囊体材料力学性能的主要材料。目前,囊体材料的承力层织物所用纤维种类较多,其中有聚芳酯、芳纶、PBO等液晶高分子纤维,这类纤维具有较高的拉伸强度和较低的断裂伸长率[2],其分子结构式如图1所示。

图1 纤维分子结构式

聚芳酯(Vectran)是由70mol%的对羟基苯甲酸(HBA)和30mol%的2-羟基-6苯甲酸(HNA)经熔融无规共聚合制得。Vectran聚合物的分子式如图2所示。

图2 Vectran聚合物的分子式

Vectran纤维拉伸强度和弹性模量高,强度为2.9 GPa,略低于Kevlar49的3.0GPa；弹性模量为65 GPa,耐磨性能好,耐切割性能好。在干燥温度为250℃的环境下保存100h,Vectran纤维能保持原始强度的76%,而普通型Kevlar纤维为56%；在潮湿、温度为120℃的环境下保存100h,Vectran纤维能保持原始强度的79%,而普通型Kevlar纤维为43%[3-4]。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE),又称高强高模聚乙烯纤维,是目前世界上比强度和比模量最高的纤维。UHMWPE纤维的抗击性、抗切割性、抗紫外线和抗低温能力强,化学稳定性好,因此被广泛应用于安全防护、医疗器械、航空航天、渔业等诸多领域[5]。应力下熔点只有145～160℃,超高分子量聚乙烯分子式为-[CH2=CH2]-n,其长链为-C-C-结构,没有侧基,对称性及规整性好,单键内旋转位垒低,柔性好,容易形成规则排列的三维有序结构,有着较高的结晶度。

聚酯纤维一般指聚对苯二甲酸乙二酯,其化学结构式为-[CO-Ph-COOCH2CH2O]-n。弹性高、强度大,具有良好的化学稳定性、耐磨性、拉伸性和抗折皱性[6],在民用纺织品领域(如衣料、床上用品、装饰布等)和工业纤维品领域(如过滤材料、绝缘材料、轮胎帘子线等)都有非常广泛的应用。开始软化点230～240℃,熔点为255～260℃。

芳纶纤维即芳香族聚酰胺纤维,是以芳香族化合物为原料经缩聚纺丝制得的合成纤维。主要品种有聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维。它具有超高强、超高模量、耐高温和比重轻等特性,其强度比一般有机纤维高3倍以上,模量是锦纶的10倍,涤纶的9倍,其相对强度相当于钢丝的6～7倍。芳纶纤维具有良好的抗冲击和耐疲劳性能,有良好的介电性和化学稳定性,耐有机溶剂、燃料、有机酸及稀浓度的强酸、强碱,耐屈折性和加工性能好[7]。它可用普通织机编织成织物,编织后其强度不低于原纤维强度的90%。

通过对浮空器囊体材料常用纤维(聚芳酯、芳纶、聚酯、超高分子量聚乙烯等)织物在不同温度下拉伸强度的性能研究,得出了承力层纤维织物在高温下的力学性能变化规律,为囊体材料制备和使用寿命评估、浮空器运行安全评价提供技术支撑[8]。

1 试验与测试

1.1 材料

试验中使用的纤维织物为：超高分子量聚乙烯(PE-A纤维织物,PE-B纤维织物),涤纶(DL-A纤维织物),聚芳酯(VE-A纤维织物)和芳纶Ⅲ(F-12纤维织物)。

1.2 性能测试

参考标准GB/T7689.5-2013对不同测试温度下纤维织物的断裂拉伸强度进行测试。测试设备为Instron3365拉伸试验机,预加应力为5～15N。

2 结果与讨论

2.1 温度对PE纤维织物强度的影响

为了研究不同温度条件下UHMWPE纤维织物的断裂拉伸强度,选取PE-A与PE-B2种规格的织物进行测试与分析,试验结果见表1。

通过表1可以看出,在23～80℃温度范围内,2种规格的UHMWPE纤维织物随着温度升高,对应织物的拉伸强度均逐渐降低；同时,从图3强度保持率曲线可以看出,2种织物在高温测试条件下强度保持率范围均为70%～100%,都随着温度升高强度保持率下降,在80℃情况下,PE-A与PE-B2种织物相对常温的强度保持率分别为79.7%和74.9%。超高分子量聚乙烯纤维分子链C-C原子之间共价键除以分子链截面积可简单计算出分子链理论强度,高温下纤维内部结构发生变化,分子间作用力受到破坏而减小,而分子链截面积在高温下变形增大,因此UHMWPE纤维织物随温度的升高强度下降较明显,PE-A为44tex织物,PE-B为11tex织物,在不同温度范围内二者下降幅度稍有差异,但随温度升高强度下降的总体趋势相同,这表明织物的纱线密度和结构对拉伸强度也有一定影响。

表1 温度对PE纤维织物强度的影响

图3 PE织物相对常温的强度保持率

2.2 温度对DL纤维织物强度的影响

为了研究不同温度条件下涤纶(DL)纤维织物的断裂拉伸强度,试验选取DL-A纤维织物进行测试和分析,试验结果见表2。

表2 温度对DL-A纤维织物强度的影响

从表2及图4可以看出,随着温度升高DL-A纤维织物强度整体呈下降趋势,但下降不明显,在80℃情况下涤纶织物的强度保持率仍保持在98.6%,降幅不明显,表明涤纶织物断裂拉伸强度对温度特别是高温耐受性较好。

图4 DL-A织物相对常温的强度保持率

纤维开始受力时,其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸,即键长、键角的变形,拉伸曲线接近直线,基本符合胡克定律。当外力进一步增加,无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向,导致大分子主链和大多次价键的断裂导致纤维解体。在这过程中可能由于涤纶大分子属线型分子链,分子侧面没有连接大的基团和支链,分子间紧密结合在一起而形成结晶,形状尺寸稳定性和机械强度较好；同时,涤纶的熔点比较高,而比热熔和导热率都较小,其化学结构和物理结构导致涤纶织物的耐热性能较好,受温度影响不明显。涤纶织物的热特性及力学性能特征可为低成本囊体材料的研究开发提供理论基础。

2.3 温度对VE纤维织物强度的影响

Vectran纤维具有拉伸强度高和弹性模量高的优点,性能稳定、成熟度高,是目前最常用的囊体材料承力层织物类型之一。以22texVectran纤维织物VEA为研究对象,考察高温对VE-A纤维织物强度的影响,结果见表3和图5。

表3 温度VE-A纤维织物强度的影响

表3和图5的试验结果显示,VE-A纤维织物的强度在23℃时拉伸强度为839.2N/cm,温度每升高10℃,织物强度均有不同程度的减少,在80℃时强度降低至696.6N/cm,相对常温的强度保持率为83%。温度对材料强度的影响表现为：与其他种类织物的应力应变变化趋势基本相同,随环境温度升高,织物强度降低,拉伸破坏形式为纱线的断裂和滑移。

图5 VE-A织物相对常温的强度保持率

2.4 温度对F-12纤维织物强度的影响

F-12纤维(国产芳纶Ⅲ)为46所自主研发生产的杂环芳酰胺类聚合物,经溶液喷丝工艺纺丝得到纤维。该纤维具有高强度、低密度、柔韧性良好等特点,可用于囊体材料承力层织物的研制,以22tex平纹织物为研究对象,测试了不同温度下织物的拉伸强度,结果见表4和图6。

表4 温度对F-12纤维织物强度的影响

从表4和图6试验数据可以看出,F-12纤维织物在23℃时拉伸强度最大为831.4N/cm,80℃时拉伸强度最低为757.3N/cm,在23～80℃范围内随着温度升高拉伸强度总体呈下降趋势,相对于常温的强度保持率均保持在90%以上,表明F-12纤维织物的力学性能耐高温性能较好。

2.5 温度对不同种类纤维织物强度的影响

通过对4种常用纤维织物在室温及不同高温条件下拉伸强度的对比试验,得出4种纤维织物随温度的强度保持率曲线,如图7所示。

图6 F-12织物相对常温的强度保持率

图7 4种纤维织物的强度保持率

从图7可以看出,试验所采用的UHMWPE、Vectran、DL、F-12 4种类型纤维织物的拉伸强度随温度升高均呈下降趋势,但不同类型织物下降程度不同,其中涤纶织物强度保持率曲线下降最平缓,表明高温对其拉伸强度影响最小；UHMWPE织物强度保持率曲线下降最快,表明高温对其拉伸强度影响最大。这与不同类型纤维织物自身的化学结构和性质密切相关。在浮空器囊体材料研制及生产加工方面,由于织物是囊体材料力学性能的主要决定者,因此本试验结论对不同纤维体系囊体材料、焊接材料以及系留浮空器绳索的力学性能和实际应用有一定指导意义。