高强高模PVA纤维存放过程中力学性能的衰减规律

胡 筠

(中国石化集团重庆川维化工有限公司检验计量中心，重庆 401254)

高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维是以PVA为原料，经溶解、纺丝、热定型、切断、打包制得的高性能纤维，具有高强度、高模量、低延伸度、耐冲击强度高、耐候性好、吸水性出色、耐酸碱等优点[1-2]，被认为是石棉、玻璃纤维的理想替代品[3]。由于PVA分子具有多羟基、强氢键特性,从而赋予其与水泥界面粘合性好，亲水性优异，耐碱性出色，且无毒环保、价格便宜等优点[4]，将纤维添加到水泥基材中，可大大改善基材性质，提高基材的抗裂、抗渗、抗冲击韧性及耐持久、耐高温、耐腐蚀等性能[5]。近年来，高强高模PVA纤维已在世界上一些禁用石棉纤维的国家被广泛应用于水泥板材增强、道路工程混凝土抗冲磨、隧道工程围岩防水与衬砌、污水处理工程中混凝土的抗腐蚀与防渗、大跨度桥梁工程混凝土梁柱体和水工大体积混凝土的抗震、抗裂、抗冲磨等领域，以及工业与民用建筑的墙体、桥梁、隧道、边坡加固等土木与建筑行业，在工程和建筑应用领域有着广阔的发展前景。

高强高模PVA纤维具有高强度、高模量的力学性能是由制备工艺过程中高取向度和高结晶度所决定的[6]。随着存放时间的推移，由于高分子纤维存在应力松驰和蠕变现象[7]，高分子纤维的取向度会有所下降，其力学性能也会随存放时间发生改变。而作为一种增强性工程纤维，其高强度和高模量等性能的保持对使用效果尤为重要。目前已报道的文献中，尚未有系统研究高强高模PVA纤维力学性能随存放时间的衰减行为。作者借助单纤维线密度强伸仪，系统地考察了高强高模PVA纤维在一年的存放期间力学性能的变化规律，可为高强高模PVA纤维下游用户更好地使用这种纤维提供参考。

1 实验

1.1 原料及仪器

高强高模PVA纤维：2.0 dtex，断裂强度约为12.0 cN/dtex，断裂伸长率约为7.0%，初始模量约为275 cN/dtex，重庆川维化工有限公司生产。

FAVIMAT ROBOT2单纤维线密度强伸仪：德国Textechno公司制；CS101-3ABN型通风式加热干燥箱：重庆永生仪器厂制；SHH-250T型温湿度调节箱：重庆永生仪器厂制。

1.2 纤维测试前的预调湿和调湿平衡处理

纤维含湿程度对其力学性能影响较大，高强高模PVA纤维由于其多羟基特性极易吸收空气中的水分而比其他纤维含湿量高，故相关检测标准(GB/T 14337—2008)规定了预调湿、调湿和试验用大气条件[8]。

(1)纤维预调湿处理

将高强高模PVA纤维试样置于温度不超过50 ℃、相对湿度5%～25%的环境中，放置处理16 h。

(2)纤维调湿平衡处理

将经过预调湿处理的高强高模PVA纤维试样置于温度(20±2)℃、相对湿度(65±3)%的环境中，放置处理24 h。

1.3 实验方法

(1)取24批不同时间生产的高强高模PVA纤维试样，每批试样分成6份，在干燥通风的室内贮存。试样的存放时间分别为1，30，90，180，270，360 d。

(2)高强高模PVA纤维试样达到存放时间条件后，随机取出纤维试样，按1.2中条件进行预调湿和调湿平衡处理。

(3) 将经过预调湿和调湿平衡处理的高强高模PVA纤维试样开松分散成单根状铺于绒板上，随机取出一根置于单纤维线密度强伸仪的上下夹持器中，保证纤维沿轴向伸直，按照GB/T 14337—2008规定进行拉伸试验[8]，得到试样的断裂强度、断裂伸长率和初始模量。测试条件：温度(20±2)℃，相对湿度(65±3)%，试样的预加张力(0.050±0.005)cN/dtex，振弦长度20 mm，名义隔距60 mm，拉伸速度60 mm/min。

(4)拉伸试验中如纤维滑移或断裂在钳口，则所得结果剔除。重复拉伸试验，测试50根纤维的力学性能数据，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 断裂强度随存放时间的变化规律

对不同时间生产的24批次高强高模PVA纤维试样进行拉伸性能测试，存放时间分别为1，30，90，180，270，360 d,其断裂强度见表1。对24批次试样在不同存放时间下的断裂强度取平均值，断裂强度随存放时间的变化规律见图1。

表1 不同存放时间下高强高模PVA纤维的断裂强度Tab.1 Breaking strength of high-strength high-modulus PVA fibers at different storage time

续表1

图1 高强高模PVA纤维断裂强度随存放时间的变化规律Fig.1 Change regularity of breaking strength of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

从图1可以看出，随着存放时间延长，高强高模PVA纤维的断裂强度总体呈逐渐下降趋势。存放90 d内纤维断裂强度比较稳定，基本没有变化，可认为是高强高模PVA纤维断裂强度的相对稳定期。存放90 d后纤维断裂强度开始降低，存放至180 d时纤维断裂强度平均下降1.8%，存放至270 d时纤维断裂强度平均下降2.9%，但存放270 d后至存放360 d时纤维断裂强度又处于相对稳定期。这是因为PVA是一种极易吸水的高分子，在存放过程中，PVA吸收空气的水分子，破坏PVA分子间的氢键，降低PVA大分子的取向度，在存放时间较短时，这种破坏作用不明显，纤维断裂强度变化不大，比较稳定；随着存放时间的延长，这种破坏作用加剧，从而导致纤维断裂强度降低；此外，高分子材料普遍存在时温等效效应，纤维的取向度会随着存放时间的延长，在温度的作用下呈降低的趋势，这也是导致纤维断裂强度降低的另外一个原因；随着存放时间的进一步延长，纤维内部结构基本达到稳定状态，纤维的断裂强度也基本稳定。

2.2 断裂伸长率随存放时间的变化规律

对24批次高强高模PVA纤维试样在不同存放时间下的断裂伸长率进行测试(存放时间分别为1，30，90，180，270，360 d),取24批次的平均值，断裂伸长率随存放时间的变化规律见图2。

图2 高强高模PVA纤维的断裂伸长率随存放时间的变化规律Fig.2 Change regularity of elongation at break of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

从图2可以看出，随着存放时间延长，高强高模PVA纤维的断裂伸长率总体呈逐渐上升趋势，存放360 d内增加约7%。存放30 d，纤维断裂伸长率平均增加2.8%。存放30 d后至180 d内断裂伸长率变化较小，可以认为是高强高模PVA纤维断裂伸长率的相对稳定期。存放180 d后纤维断裂伸长率又开始上升，至存放270 d时纤维断裂伸长率平均增加6.6%，存放270 d后至360 d内纤维断裂伸长率又进入一个相对平稳期，增加幅度较小。这是因为PVA的亲水性，空气中的水分子渗透进入纤维内部，使纤维分子间的距离逐渐增大，在外力拉伸时产生相对位移，断裂伸长率逐渐增大；随后PVA纤维对水分子的吸收达到一个相对平衡期，纤维断裂伸长率相对稳定；而较长时间存放后，在时温等效作用下，空气中的水分子进一步缓慢渗透进入纤维内部，使纤维分子间的距离逐渐增大，在外力拉伸时更容易产生相对位移，断裂伸长率逐渐增大；随着存放时间的进一步延长，纤维内部结构基本稳定，纤维的断裂伸长率也基本稳定。

2.3 初始模量随存放时间的变化规律

对24批次高强高模PVA纤维试样在不同存放时间下的初始模量进行测试(存放时间分别为1，30，90，180，270，360 d),取24批次的平均值，初始模量随存放时间的变化规律见图3。

图3 高强高模PVA纤维的初始模量随存放时间的变化规律Fig.3 Change regularity of initial modulus of high-strength high-modulus PVA fiber with storage time

从图3可以看出，随着存放时间延长，高强高模PVA纤维的初始模量总体呈逐渐下降趋势。存放90 d时，纤维的初始模量平均下降2.5%，存放180 d时，纤维的初始模量平均下降4.9%，存放270 d时，纤维的初始模量平均下降10.3%。存放时间超过270 d至360 d时，纤维初始模量进入相对稳定期。初始模量反映的是纤维的刚柔度，在存放过程中，PVA大分子逐渐吸收空气中的水分子，大分子链间的相互作用减弱，使纤维的刚性逐渐下降，外力拉伸时易于产生构象变化和滑移，纤维的初始模量呈逐渐下降趋势。当存放期达到270 d后，高强高模PVA纤维在水分子和时温等效效应的共同作用下，内部结构基本达到稳定状态，纤维的初始模量也达到基本稳定状态。

3 结论

a.随着存放时间延长，高强高模PVA纤维的断裂强度总体呈逐渐下降趋势。存放90 d内纤维断裂强度比较稳定，存放90 d后开始降低，存放180 d时平均下降1.8%，存放270 d时平均下降2.9%，存放270 d后至存放360 d时又处于相对稳定期。

b.随着存放时间延长，高强高模PVA纤维的断裂伸长率总体呈逐渐增大趋势，存放30 d至180 d，纤维断裂伸长率变化较小，存放360 d内，纤维断裂伸长率增加约7%。

c.随着存放时间延长，高强高模PVA纤维初始模量总体呈逐渐下降趋势，存放90 d时初始模量平均下降2.5%，存放270 d时，纤维初始模量下降10.3%，存放时间达到270 d后至360 d，初始模量进入稳定期。

d.高强高模PVA纤维在存放90 d内断裂强度、断裂伸长率和初始模量变化较小，在90 d内使用为宜。