太阳辐射与特纺材料断裂强力的关系研究

2020-02-28张荣

纺织检测与标准 2020年1期

张荣

（航宇救生装备有限公司湖北襄阳441003）

0 引言

特纺材料常指技术性能要求高，使用环境比较复杂，具有特殊用途的纺织品。由于航空救生领域装备产品的主体是柔性纺织材料，复杂的使用条件和特殊环境对其制成的纺织材料性能和品质有着特殊的要求。这种对材料性能的强烈依赖性使得高性能救生装备对特纺材料提出了更高的要求。因此，任何一次航空救生装备技术的重大突破，都离不开新材料的应用。

耐光照性能是航空救生领域装备产品战术技术指标中必不可少的一项内容。个体防护救生装备、军用伞及空投空降装备产品采用的特纺材料品种和类别较多，大部分材料对光照条件敏感，主要是因为日光能够促使纤维的活化能增加，氧化速度加快，导致材料老化加速。特纺材料在日光直接照射后一般会出现色泽泛黄、手感变硬、断裂强力下降和弹性下降等现象，直接影响产品的技术性能和使用寿命，因而有必要对太阳辐射对特纺材料的力学性能影响进行研究，以便后期相应产品的研制和使用。

本文结合航空救生装备在光照环境下的使用工况，以飞行员个体防护救生装备、军用伞和空降空投降落伞等装备对于主体特纺材料的可靠性设计准则为研究方向，开展主体特纺材料耐光照性能的试验研究。本次研究的内容主要包括试验原理和试验步骤的设计、试验验证和标准化等，目的是建立太阳辐射总量和拉伸断裂强力之间的对应关系，为设计人员选材、产品故障分析、产品定寿和延寿提供数据支持和参考。

1 试验

1.1 试验原理

将特纺材料试样暴露于规定的环境条件下进行自然曝晒试验，让其经受阳光、气温、水分、氧、臭氧及其他环境因素的综合作用。按规定的暴露期限，定期检测特纺材料试样力学性能（拉伸断裂强力）的变化，评价材料的耐光老化性能，并分析光照因素的影响程度及其作用机制。

1.2 曝晒场条件

自然曝晒场地位于中国海南省东部琼海市加积地区的海南汽车试验研究所试验区域内。该场位于东经110°26ˊ，北纬19°45ˊ，海拔高度约20 m，四周空旷，场地平坦，并保持当地的自然植被状态，草的高度不超过200 mm。当地气象条件较稳定，年间的气象因素变化很相似，有季节性的暴风雨、高温、高湿、降雨量充足等气候特点。其年平均气温约为24℃，每年最热月份的最高气温平均为34℃、最低气温平均为25℃，年降雨量超过2 000 mm，年均相对湿度为85%，年日照时间为2 055 h，年太阳辐射量约为5 400 MJ∕m2，是典型的东南亚湿热带环境气候。

曝晒场周围环境符合ISO 877-3：2018《暴露于太阳辐射的方法第3部分：使用强化集中的太阳辐射风化》、ASTM G7—2013《非金属材料大气环境暴露测试方法》、SAE J576—2007《用做光学部件如车辆照明装置的透射与反射器的塑料材料测试方法》、GB∕T 3511—2018《硫化橡胶或热塑性橡胶耐候性》和GB∕T 3681—2011《塑料自然日光气候老化、玻璃过滤后气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法》等有关要求，设有记录环境气象因素的设备（如美国热电公司的气象监测设备能记录气温、相对湿度、大气压、风向、风速、太阳辐射量、雨量等）；有不同要求的材料曝露装置、曝晒场地及曝晒试样表面温度测量设备等。

1.3 试验方式

试验时在室外大气下直接进行暴露试验。暴露面朝正南方向，与地平面成45°倾角，试验架下端离地高度大于500 mm。试样摆放形式见图1。

图1 试样自然曝晒试验状态

1.4 拉伸断裂强力

预先设定自然曝晒试验预期时间为1～2 a，而一般情况下按断裂强力原始数据损失50%时为终止界限。在试验过程中，定期取样，根据材料的不同特性进行断裂强力的试验，并对试验数据进行归纳、整理及分析，及时做出准确判断，以便确定试验是继续进行还是终止。

1.5 试验材料

轻质高强抗燃织物，采用18.4 tex×2的Nomex纤维与Kevlar纤维混纺纱作为经纬纱，以平纹组织织造而成。602防灼锦丝格子绸，采用33.3 dtex锦丝66为经、纬线，以平纹格子组织织造而成，经、纬密分别为540根∕10cm、520根∕10cm。芳纶∕阻燃黏胶混纺织物，采用222 dtex Kevlar纤维长丝与36.9 tex阻燃黏胶纤维（质量分数各占50%）经并线、织造、印花工序加工制得。231草绿色帆布，采用53.8 tex棉纱作为经线，53.8 tex×3棉纱作为纬线，以平纹组织织造而成，并经染色、防水、防霉处理。FL-011聚氨酯胶布，是由美国进口的一种单面热塑性聚氨酯胶布，可通过高频热合技术制成充气防护装置，广泛用于飞行员各类救生装备。Gore-Tex防水透湿布，由三层织物组成，外层由95%的Nomex纤维与5%的Kevlar纤维混纺而成，中间层为PTFE薄膜，内层为100%的Nomex针织物。4-43-3涂胶布，以丁基橡胶为气密主体，双面贴合锦丝绸加工而成，密闭织物参考俄罗斯样品仿制，以高强、低弹尼龙长丝织物为基布，采用研制的高性能天然橡胶配方，经浸胶、压延、涂刮等工艺，制成密闭织物。Nomex织物，是从国外采购的，采用95%的Nomex纤维与5%的Kevlar纤维混纺而成。40105阻燃锦丝斜纹绸，采用277.8 dtex锦丝为经丝和纬丝，以1∕2斜纹组织织造而成，同时进行阻燃处理。25-1000芳纶带，采用Kevlar29纤维为原料，经多股并拈组合成不同结构的经、纬线，以双层平纹组织织造而成。2.5-310聚乙烯绳，采用超高相对分子质量聚乙烯复丝为原料，编织而成，质量轻、强度高，耐老化性能优于芳纶材料。43-900练白涤丝带，采用涤丝为原料，经多股并拈组合成不同结构的经、纬线，以平纹组织织造而成。26-600锦丝带，采用锦丝6作经线和纬线，以碎斜纹组织织造而成，具有强力高、伸长率有一定限制等特点。25-150棉带，采用精梳棉作经线和纬线，以2∕2斜纹组织织造而成，特点是伸长率有一定限制。

试验选择对25-1000芳纶带监测的断裂强力数据进行分析研究。

1.6 气象条件检测与记录

按照设定的试验方案，对15种材料进行了全天候自然曝晒试验。在试验期间，按月份记录当地的气象条件数据，包括温度（最高值、最低值和平均值）、相对湿度（最低值和平均值）、平均气压、降雨量、太阳紫外辐射总能量、太阳辐射总能量等。

1.7 试验取样

从投入试样开始，每间隔一个月取样一次，除进行拍照片、外观色差的评价外，同时进行单位质量、断裂强力和断裂伸长率等项目的性能试验。

2 结果与讨论

2.1 试验持续周期

参与试验的15种材料由于制成的原料和织造结构不同，呈现出的耐光性能也有差异。以断裂强力下降至50%时终止试验，所得不同材料的试验周期详见表1。

表1 参试材料的试验持续周期

2.2 断裂强力测试

经过4个月的观察、测试，发现25-1000芳纶带的断裂强力从最初的13 435 N下降为6 254 N；然后对剩余试样继续摆放，当摆放至10个月时，其断裂强力已经下降为3 559 N。在整个试验周期内，25-1000芳纶带的断裂强力变化情况详见表2。

需要说明的是，试验本该在4个月时终止，后续为观察数据，可供参考。另外，表2中所列单位长度试样质量的数据也作为参考。实际指标要求25-1000芳纶带的质量≤12 g∕m，断裂强力≥9 800 N。

表2 25-1000芳纶带断裂强力试验数据

2.3 太阳辐照总能量与断裂强力的关系

本次参试材料的原料成分基本涵盖了公司航空救生装备产品用特纺材料的主要品种。光照是导致特纺材料老化的主要因素之一，试验也表明大部分特纺材料在日光直接照射后，除了外观出现变化外，断裂强力也会不同程度下降。

在试验过程中，不仅获取了各参试材料不同周期的拉伸断裂强力值，同时对试验期间的气象情况也进行了监测，主要气象数据包括太阳总辐射量、紫外光辐射量和降雨量等。其中，太阳总辐射量和紫外光辐射量是面向正南方与地面成5°倾角接收的直接曝露辐射值。以25-1000芳纶带为例，所测太阳辐照量与其拉伸断裂强力之间的对应的数据可详见表3。

表3 25-1000芳纶带断裂强力值与太阳辐照量一览表

在试验时，将试样放置在玻璃箱内全天候室外曝晒，当试样拉伸断裂强力下降到原始数据的50%时终止试验。为了获得更多的数据也可适当延长试验的周期。在试验研究过程中，发现气温、相对湿度、平均气压、降雨量等对试验结果的影响程度较小，而太阳辐射总量（包括紫外光辐射量）则是引起试样外观和内在性能变化的主要因素。为了更直观地了解太阳辐射对试样拉伸断裂强力的影响，对所得测试数据进行整理，做出散点图，详见图2和图3。

图2 太阳总辐射量与25-1000芳纶带断裂强力的关系

图3 紫外光辐射量与25-1000芳纶带断裂强力的关系

由图2和图3可以看出，随着太阳辐照量的增加，紫外光的辐射量也在逐渐增加，但试样的断裂强力却呈现近似线性的趋势下降，后续可通过数据的整理推算出回归方程。

2.4 结果应用

根据试验所得试样的拉伸断裂强力随太阳辐照量的增加而下降的数据及变化线性图，可建立相应的数据库。

作为飞行员个体防护装备、军用伞和空降空投降落伞的功能主体，在产品使用期间，特纺材料需要经受高空太阳辐照、地面全天候等环境的考核。飞行时间（小时）是飞行员个体防护装备使用寿命的技术指标，可根据当地区间气象资料显示的太阳辐照量推算出特纺材料拉伸断裂强度的下降程度（也可以倒推）。因此，本项目的研究成果可为产品寿命的制定、故障分析等提供数据参考。