一种测试超高分子量聚乙烯纤维拉伸蠕变性能的方法

摘要

本发明涉及一种测试超高分子量聚乙烯纤维拉伸蠕变性能的方法，采用拉伸试验机在常温下进行纤维蠕变伸长率的测试，发明针对超高分子量聚乙烯纤维的特点，通过多种研究方法，确定了蠕变载荷、拉伸速度、蠕变时间、纤维测试长度四个测试参数的取值范围，测试的蠕变伸长率包括预伸长率和定载荷伸长率两个部分。与现有技术相比，本发明可对不同旦数超高分子量聚乙烯纤维的蠕变性能进行较好的表征，测得蠕变伸长率数值大小适宜而且稳定性好。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料检测评价领域，具体涉及一种测试超高分子量聚乙 烯纤维蠕变性能的方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维，是继碳纤维和芳纶之后出现的第三 代高性能纤维，它以相对分子量在100万以上的聚乙烯为原料，经冻胶纺丝- 超倍拉伸的方法制备而成。是目前已工业化纤维材料中比强度和防弹性能最高 的纤维，在同等重量的情况下，其强度相当于优质钢丝的15倍。UHMWPE纤 维还具有优异的耐化学性和耐侯性、高能量吸收性、低导电性、可透过x-射线 及一定的防水性等特性。出色的性能，使其在军事、航天航海工程和高性能、 轻质复合材料及运动器械等领域有着广阔的应用前景。如用作防护材料的防弹 衣、防弹头盔、雷达防护罩、导弹罩、防弹装甲、防刺服及防切割手套等；用 作高强绳索的大型船舶缆绳、降落伞绳、布雷绳、登山绳等；制作复合材料应 用于坦克内附壁缓冲材料、雷达天线罩、大型储藏罐等；用作运动器械的弓弦、 帆布、雪橇等，作为光缆补强材料、钓鱼线及渔网等。

然而，UHMWPE纤维由于分子链长，分子间作用力小，在应力作用下容 易产生分子间滑移，蠕变现象突出，在应用过程中容易造成尺寸、形态的不稳 定，大大制约了纤维的应用开发，了解并掌握UHMWPE蠕变性能是非常必要 的。目前，UHMWPE纤维蠕变性能测试仅有GB/T19975-2005《高强化纤长丝 拉伸性能试验方法》作了粗略的介绍。该标准规定试验的有效夹持长度至少为 200mm，施加负荷包括初负荷和重负荷，初负荷为0.05cN/dex+0.01cN/dex，重 负荷规定为断裂负荷的5％、10％、20％等，加载时间即重负荷终止时间为1min、 5min、30min、1h、4h、8h、24h或至断裂等。这些规定没有确认测试参数的范 围，特别是没有提到由初负荷加载到重负荷过程中的拉伸速度以及这一过程所 发生的样品尺寸变化等，无法采用其介绍的方法进行纤维蠕变性能的测试。 GB/T19975-2005标准中所提到的拉伸蠕变伸长率不能包括纤维在测试过程中 的全部蠕变变化，而且拉伸蠕变伸长率的数值大小也没有进行说明，无法正确 表示不同纤维的蠕变性能。所以，本发明通过各种试验研究，确定蠕变伸长率 的定义以及蠕变性能测试过程中各参数的数值，形成的蠕变伸长率测试方法具 有试验依据，所得蠕变伸长率数值大小合适，能对不同型号UHMWPE纤维的 蠕变性能进行区分，有利于分析UHMWPE等高强纤维的蠕变性能，以指导纤 维在不同场合的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷而提供的一种测得蠕变 伸长率数值大小适宜而且稳定性好的测试超高分子量聚乙烯纤维拉伸蠕变性 能的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种测试超高分子量聚乙烯纤维拉伸蠕变性能的方法，采用拉伸试验机在 常温下进行纤维蠕变伸长率的测试，针对超高分子量聚乙烯纤维的特点，运用 多种研究手段确定了蠕变载荷、拉伸速度、蠕变时间、纤维测试长度四个测试 参数的取值范围，可对不同旦数超高分子量聚乙烯纤维的蠕变性能进行表征， 测得的蠕变伸长率数值大小适宜而且稳定性好。

超高分子量聚乙烯纤维可以是不同厂家、型号、旦数的超高分子量聚乙烯 纤维及其复合材料。拉伸试验机可以是任何对纤维受力与形变进行测量的拉伸 设备。

所述的蠕变伸长率包括预伸长率及定载荷伸长率，

预伸长率为待测试的超高分子量聚乙烯纤维从初负荷到达蠕变载荷时产 生的伸长率；

定载荷伸长率为到达蠕变荷后在蠕变时间内的伸长率。

所述的蠕变伸长率的检测包括以下步骤：

(1)将待测的超高分子量聚乙烯纤维在18～22℃、湿度为62～68％的标准 大气条件下至少平衡48h；

(2)将超高分子量聚乙烯纤维加捻或不加捻处理，剪取测试长度的纤维， 后将试样的一端夹入夹持器，另一端不解捻地夹入另一夹持器中；

(3)施加初负荷为0.04～0.06cN/dex，在一定拉伸速度下逐渐施加蠕变载 荷，到达蠕变载荷时，观察并记录试样的预伸长率，到达蠕变载荷后，维持一 定的蠕变时间，观察并记录试样的定载荷伸长率，蠕变伸长率为预伸长率与定 载荷伸长率两项之和。

蠕变伸长率数据要求测试5次(含)以上取平均值，平均值的数值一般大 于1.0％，CV值小于10％。

所述的蠕变载荷为蠕变测试时施加在超高分子量聚乙烯纤维上的负荷，施 加的负荷为纤维断裂载荷的10％～60％，优选范围为纤维断裂载荷的45～55％， 更优选为纤维断裂载荷的45～50％。

所述的拉伸速度为纤维固定在拉伸试验机上由初负荷加载到蠕变载荷过 程中的拉伸速度，采用的拉伸速度为30～300mm/min，优选为100～200mm/min， 更优选为120～150mm/min。

所述的蠕变时间为指到达蠕变载荷后纤维发生蠕变伸长所设定的时间，采 用的蠕变时间为10～100min，优选为30～90min，更优选为40～60min。

所述的纤维测试长度为测试时超高分子量聚乙烯纤维的长度为 100～500mm，优选为150～250mm，更优选为200～250mm。

本发明将蠕变伸长率分成两个部分：1)、预伸长率，即蠕变载荷从初负 荷到蠕变载荷这一区间的试样伸长率；2)、定载荷伸长率，即到达蠕变载荷 后在蠕变时间内的试样伸长率。其中，蠕变载荷从初负荷到蠕变载荷的这段时 间内拉伸速度的大小对蠕变伸长率的数值大小有重要影响。

本发明的试验方法是将测试的UHMWPE纤维样品在温度(20+2)℃、湿度 (65±3)％的标准大气条件下至少平衡48h；根据标准规定，在该环境条件下使纤 维样品加捻(根据测试需要加捻或不加捻)，剪取纤维的测试长度，后将试样 的一端夹入夹持器，另一端不解捻地夹入另一夹持器中。施加预张力(初负荷) 0.05cN/dex+0.01cN/dex，后在一定拉伸速度下逐渐施加蠕变负荷，蠕变载荷数 值为纤维断裂负荷的10％，20％、30％、40％等。到达蠕变载荷前，观察并记 录试样的预伸长率G₀，到达蠕变载荷后，维持一定的蠕变时间，观察并记录试 样的定载荷伸长率G₁。蠕变伸长率G的计算公式如下：

G＝G₀+G₁

G₀＝[(l₁-l₀)/l₀]×100％

G₁＝[(l-l₁)/l₁]×100％

式中：

G-蠕变伸长率，％；

G₀-预伸长率，％；

G₁-定载荷伸长率，％；

l₀-试样的初始长度，单位为mm；

l₁-达到重负荷时试样的长度，单位为mm；

l-加重负荷后一定蠕变时间后试样的长度，单位为mm。

根据此测试方法，本发明方法对不同型号超过分子量聚乙烯纤维样品通过 单因数试验和正交试验等，考察发现测试过程中蠕变载荷、拉伸速度、蠕变时 间、纤维测试长度是影响测试结果的主要因素，后以蠕变载荷、拉伸速度、蠕 变时间、纤维测试长度为自变量，蠕变伸长率为应变量选取不同型号超高分子 量聚乙烯纤维中有代表性的样品采用采用均匀设计的方法进行测试，对测试结 果采用线性回归的方法进行处理，最终得出超高分子量聚乙烯纤维拉伸蠕变率 测试的合理参数。通过选取的蠕变性能测试参数，测得蠕变伸长率数值大小适 宜(一般要求＞1.0％)，而且稳定(一般要求CV＜10％)，表明测试结果能够 对不同超高分子量聚乙烯纤维的蠕变性能进行较好的对比分析。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1-10

测试样品：纤度为1400D的UHMWPE纤维，断裂强度27cN/dtex，市售。 测试设备：DLL-5000型电子式拉力机，上海德杰仪器设备有限公司；Y331A-II 型纱线捻度仪，南通宏大实验仪器有限公司。测试过程：将测试的UHMWPE 纤维样品在温度(20±2)℃、湿度(65±3)％的标准大气条件下平衡48h；剪取纤维 的测试长度，后将试样的一端夹入拉力机夹持器，另一端也夹入另一夹持器中。 施加预张力(初负荷)0.05cN/dex，后在一定拉伸速度下逐渐施加蠕变载荷， 数值分别为所测纤维断裂载荷的25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、 60％、65％、70％。到达蠕变载荷前，观察并记录试样的预伸长率G₀；到达蠕 变载荷后，维持一定的蠕变时间，观察并记录试样的定载荷伸长率。蠕变伸长 率G的计算公式如下：

G＝G₀+G₁

G0＝[(l₁-l₀)/l0]×100％

G₁＝[(l-l₁)/l₁]×100％

式中：

G-蠕变伸长率，％；

G₀-预伸长率，％;

G₁-定载荷伸长率，％；

l₀-试样的测试长度，单位为mm；

l₁-达到蠕变载荷时试样的长度，单位为mm；

l-加蠕变载荷后一定蠕变时间后试样的长度，单位为mm。

采用U₁₀(10³×5)均匀设计表进行测试。表1列出UHMWPE纤维蠕变性 能测试的均匀设计表及其结果。从测试结果来看，纤维的蠕变伸长率数值大小 合理，变异系数普遍低于10％，但其中试验7、9、10在未达到设定蠕变时间 的时候，纤维即发生断裂，没有按照设计的试验因素完成试验，属于“突变点”， 不能与其它试验的结果进行二次多项式回归处理。

表1UHMWPE纤维蠕变性能测试的U₁₀(10³×5)均匀设计表及其结果

实施例11-16

在表1中测试参数数值范围内，选择不使纤维断裂的条件继续设计U6*的 均匀设计表进行测试，如表2所示，所得测试结果合理。

表2UHMWPE纤维蠕变性能测试的U6*均匀设计表及其结果

根据以上的试验数据及测试经验，借助DPS分析软件对两次均匀设计的有效 结果进行二次多项式逐步回归：

Y＝-2.515744413+39.49211852X1*X1+0.000022427802114X4*X4+0.093401363 07X1*X3-0.03961365815X1*X4-0.00011008891680X2*X3+0.000031417388347X2* X4

其中x1——蠕变载荷，N；x2——拉伸速度，mm/min；x3——蠕变时间， min；x4——测试长度，mm；y1——蠕变伸长率，％。

对回归模型进行显著性检验，如表3，结果表明回归模型能够很好的拟合 蠕变性能测试的过程。

表3回归模型的显著性检验结果

从回归模型得出优化的蠕变性能测试参数，结果如表4，

表4优化指标各个因素组合与试验数据对比

依据表4中优化的参数，对于此1400D超高分子量聚乙烯纤维蠕变伸长率 的测试，选取蠕变载荷为纤维断裂载荷的50％，拉伸速度为200mm/min，蠕变 时间为70min，纤维测试长度为200mm，所得蠕变伸长率为7.012％。

实施例17-24

选取不同型号的超高分子量聚乙烯纤维样品进行测试，如表5所示。测试 设备：DLL-5000型电子式拉力机，上海德杰仪器设备有限公司；Y331A-II型 纱线捻度仪，南通宏大实验仪器有限公司。测试过程：将测试的UHMWPE纤 维样品在温度(20±2)℃、湿度(65±3)％的标准大气条件下平衡48h；剪取纤维的 测试长度，后将试样的一端夹入拉力机夹持器，另一端也夹入另一夹持器中。 施加预张力(初负荷)0.05cN/dex，后在一定拉伸速度下逐渐施加蠕变载荷， 数值分别为纤维断裂负荷的15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％。 到达蠕变载荷前，观察并记录试样的预伸长率G₀；到达蠕变载荷后，维持一定 的蠕变时间，观察并记录试样的定载荷伸长率G₁。蠕变伸长率G的计算公式 如下：

G＝G₀+G₁

G₀＝[(l₁-l₀)/l₀]×100％

G₁＝[(l-l₁)/l₁]×100％

式中：

G-蠕变伸长率，％；

G₀-预伸长率，％；

G₁-定载荷伸长率，％；

l₀-试样的测试长度，单位为mm；

l1-达到蠕变载荷时试样的长度，单位为mm；

l-加蠕变载荷后一定蠕变时间后试样的长度，单位为mm。

采用U₈*均匀设计表进行测试，表6列出均匀设计表及其测试结果。

表5试验用的UHMWPE纤维样品

表6UHMWPE纤维蠕变性能测试的U₈*均匀设计表及其结果

借助DPS分析软件对均匀设计的试验结果进行二次多项式逐步回归：

Y＝1.583486928+6.874643127X1+16.833528252X1*X1-0.025360334042X1*X4+ 0.000017818097413X2*X3+0.0000018190836081X2*X4+0.000013277854719X3*X4

其中x1——蠕变载荷，N；x2——拉伸速度，mm/min；x3——蠕变时间， min；x4——测试长度，mm；y1——蠕变伸长率，％。

对回归模型进行显著性检验，如表7所示，表明回归模型能够很好的拟合 蠕变性能测试的过程。

表7回归模型的显著性检验结果

从回归模型得出优化的蠕变性能测试参数，结果如表8所示。

表8优化的蠕变性能测试参数

实施例25-32

根据表8中优化的蠕变性能测试参数，对表5中不同旦数超高分子量聚乙 烯纤维样品的蠕变性能进行测试验证，优选的蠕变载荷为纤维断裂载荷的50％， 拉伸速度为120mm/min，蠕变时间为40min，纤维测试长度为200mm，测试结 果如表9所示，蠕变伸长率大小合理，CV值＜10％，能够较好的评价测试样品 的蠕变性能。

表9不同旦数超高分子量聚乙烯纤维蠕变性能比较

实施例33

测试样品：添加1％wt碳纳米管进行改性的1200D超高分子量聚乙烯纤维， 断裂强度28.3cN/dtex，实验室制备。测试设备：DLL-5000型电子式拉力机， 上海德杰仪器设备有限公司；Y331A-II型纱线捻度仪，南通宏大实验仪器有限 公司。测试过程：将测试的UHMWPE纤维样品在温度(20±2)℃、湿度(65±3)％ 的标准大气条件下平衡48h；后剪取纤维测试样品200mm，将试样的一端夹入 拉力机夹持器，另一端也夹入另一夹持器中。施加预张力(初负荷)0.05cN/dex， 后在拉伸速度120mm/min下逐渐施加蠕变载荷，数据为所测纤维断裂载荷的 50％(188.7N)。到达蠕变载荷前，观察并记录试样的预伸长率G₀；到达蠕变 载荷后持续40min，观察并记录试样的定载荷伸长率G₁。蠕变伸长率G的计算 公式如下：

G＝G₀+G₁

G₀＝[(l₁-l₀)/l₀]×100％

G₁＝[(l-l₁)/l₁]×100％

式中：

G-蠕变伸长率，％；

G₀-预伸长率，％；

G₁-定载荷伸长率，％；

l₀-试样的测试长度，单位为mm；

l₁-达到蠕变载荷时试样的长度，单位为mm；

l-加蠕变载荷后一定蠕变时间后试样的长度，单位为mm。

经测试、计算得出该样品的蠕变伸长率为2.132％。