超高分子量聚乙烯纤维耐酸碱性能测试方法探讨

蒋玲玲，尚 斌，胡伟伟，孙丽丽

（1.连云港市纤维检验中心，江苏 连云港 222000；2.江苏省高性能纤维产品质量监督检验中心，江苏 连云港 222000）

超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纤维又称高强高模聚乙烯纤维，是一种新型高性能纤维，与碳纤维、芳纶并称为当今世界三大高科技纤维[1-2]，是我国唯一具有国际竞争力的高性能纤维[3]。UHMWPE纤维性能优异，其比强度和比模量堪称当今世界纤维之最，同时，其结晶度高，无活性官能团，表面能低，拥有优异的化学稳定性，被广泛应用于超级油轮、海洋操作平台、灯塔等的固定锚绳；海缆、海洋捕捞拖网、大型海洋养殖网箱等海洋工程；手术缝合线、牙托材料、医用移植物等医疗卫生方面；耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等工业工程。

1 相关背景

UHMWPE纤维具有优异的耐化学腐蚀性能，应用领域广泛，因此，纤维生产企业和下游应用客户对于其耐化学腐蚀性能具有相应的检测需求。UHMWPE纤维现行有效的产品标准有国家标准GB/T 29554—2013《超高分子量聚乙烯纤维》[4]和行业标准FZ/T 54027—2022《超高分子量聚乙烯长丝》[5]，这两个标准都只是对UHMWPE纤维的常规性能作出了规定，包括线密度、力学性能及外观等，而对于耐酸碱性能这一相关性能指标并未作出规定以及提供相应的检测方法。

参考其他高性能纤维耐酸碱性能测试方法，FZ/T 52017—2011《聚苯硫醚短纤维》[6]附录A为聚苯硫醚纤维的耐酸碱性能提供了测试方法，GB/T 33617—2017《聚酰亚胺短纤维》[7]附录C和GB/T 35441—2017《聚酰亚胺长丝》[8]附录B为聚酰亚胺短纤维和长丝的耐酸性能提供了测试方法。其中，FZ/T 52017和GB/T 33617标准中的酸碱或酸处理对象都是短纤维，GB/T 35441处理对象虽然是长丝，但是将长丝剪成短纤维后再按短纤维的酸碱处理方式进行处理。吉林省地方标准DB22/T 2410—2015《聚酰亚胺纤维耐酸碱性能测试方法》[9]对聚酰亚胺短纤维和长丝分别提出了酸碱处理方法，不同于国标的是，该标准并未将长丝剪成短纤维进行酸碱处理，而是将长丝缠绕成适当大小的圈后，用四氟带轻轻系好，所用酸碱处理装置仍然等同于该标准中短纤维酸碱处理装置，与GB/T 33617和GB/T 35441国家标准中的也相同。

UHMWPE纤维自身结构不同于聚酰亚胺纤维，聚酰亚胺纤维缠绕酸碱处理后可以很容易地分开成单束进行拉伸测试，且不会受到其他人为导致的强力损伤，但是若将UHMWPE长丝缠绕后进行酸碱处理，会导致UHMWPE长丝粘连缠结，处理后无法将其顺利分开，在伸直以及清洗、干燥过程中容易对丝造成人为的强力损伤，影响其酸碱处理后的力学性能测试，无法客观真实地反映出UHMWPE纤维的耐酸碱性能。综上所述，上述标准中所用酸碱处理装置以及试验条件对UHMWPE纤维并不适用，这些检测方法并不适用于UHMWPE纤维耐酸碱性能测试，因此，需要一种能直接表征UHMWPE纤维耐酸碱性能的测试方法用于指导生产和应用。

2 拟解决的关键技术问题

在UHMWPE纤维耐酸碱性能测试方法研究过程中，为反映UHMWPE纤维的耐酸碱性能，采用的是断裂强力保持率及断裂伸长率保持率这两个指标进行表征，这两个指标是通过拉伸试验机分别对试样酸碱处理前后的力学性能进行测试并计算得出的。因此，酸碱处理后的力学性能的真实反映尤其重要，该测试值应该是单纯的酸碱处理造成的强力和伸长的损失，而不应该是在酸碱处理过程中由其他因素造成的损失。因此，酸碱处理环境的稳定性、酸碱处理装置的适用性以及酸碱处理的条件（浓度、温度、时间）尤为关键，这也是UHMWPE纤维耐酸碱性能测试方法研究过程中拟解决的关键技术问题。

2.1 设计一套适用于测试UHMWPE纤维耐酸碱性能的装置

根据UHMWPE纤维自身结构和性能特点，用于UHMWPE纤维酸碱处理的装置应该满足以下要求：

（1）根据拉伸性能测试要求以及GB/T 19975—2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》规定，UHMWPE长丝拉伸试验次数为同一个卷装测试10次。因此，为满足强力测试的样品数量要求，该装置应能容纳一定长度的UHMWPE纤维同时进行酸碱处理。

（2）该装置应能保证UHMWPE长丝之间不会粘连缠结（对于短纤，可以直接密封浸泡处理），UHMWPE纤维应在伸直放松的状态下进行酸碱处理。

（3）该装置应密封，保证酸碱处理条件的稳定性，防止一定浓度的酸碱试剂在一定温度下长时间作用造成酸碱试剂的挥发，进而影响试剂的浓度。

（4）该装置应能方便酸碱试剂的填充和释放，且样品不用卸载就能进行清洗和干燥处理，以防造成UHMWPE长丝之间的粘连缠结。

（5）该装置应保证水浴或油浴等液体在样品的酸碱处理期间保持恒温作用而不挥发，以免造成夜间电路短路等事故。

综上，装置的设计要充分考虑到UHMWPE纤维在酸碱处理过程中不会受到其他因素导致的强力损伤以及酸碱处理环境、酸碱处理条件的改变。

2.2 测试条件和参数的优化选择

通过正交试验，本研究分析了试剂浓度、处理温度、处理时间等酸碱处理影响因素，设置行之有效的参数，得出一套可行的试验方案，建立了一种适用于UHMWPE纤维的耐酸碱性能测试方法和评价体系。

2.3 测试结果的指标表征

2.3.1 UHMWPE短纤维

在进行UHMWPE短纤维拉伸强力测试时，由于UHMWPE纤维易打滑，单纤强力仪夹具无法夹持，无法测得短纤维强力值，可采用贴片处理的方式进行夹持拉伸，可参照FZ/T 50046—2019《高模量纤维 单纤维拉伸性能试验方法》[10]对UHMWPE短纤维进行酸碱处理前后的强力和伸长率检测。

2.3.2 UHMWPE长丝

根据GB/T 19975—2005《高强化纤长丝拉伸性能试验方法》[11]测试UHMWPE长丝酸碱处理前后的强力和伸长率。

2.3.3 结果表征

通过计算得出的断裂强力保持率及断裂伸长率保持率这两个指标对UHMWPE纤维耐酸碱性能进行表征，计算公式如下：

式中：λ为断裂强力保持率；f1为处理前纤维平均断裂强力，cN；f2为处理后纤维平均断裂强力，cN；τ为断裂伸长率保持率；ξ1为处理前纤维平均断裂伸长率，%；ξ2为处理后纤维平均断裂伸长率，%。计算结果均修约到小数点后一位。

3 结语

以上方法正是基于我国UHMWPE纤维行业发展现状和应用需求提出的。通过设计一套能保证UHMWPE纤维在酸碱处理过程中不会受到其他因素导致的强力损伤以及具有稳定的酸碱处理环境、酸碱处理条件的UHMWPE纤维酸碱处理装置，通过拉伸试验机分别对试样酸碱处理前后的力学性能进行测试，并用断裂强力保持率及断裂伸长率保持率两个指标来表征UHMWPE纤维的耐酸碱性能，探索建立一种适用于UHMWPE纤维的耐酸碱性能测试方法和评价体系，可以真实客观地反映UHMWPE纤维耐酸碱性能的优劣，为下游终端产品在特定工况下的使用寿命预判提供依据，指导该领域UHMWPE纤维的技术创新和开发，进一步提升国产UHMWPE纤维产品的国际竞争力，同时也为国产UHMWPE纤维标准化体系的建设提供借鉴。