超高分子量聚乙烯绳索力学性能研究yd18705
陶肖卫1 ，郑鹏程2 1.青岛大学，山东青岛266071；2.山东省纺织科学研究院，山东青岛266032
收稿日期：2015-03-12
作者简介：陶肖卫(1988-)，男，山东烟台人，硕士研究生。
原载：山东纺织科技 2015/3；5-8
【摘要】文章对超高分子量聚乙烯绳索的形态特征、力学性能进行了测定，并对实验结果进行分析。研究结果表明：超高分子量聚乙烯绳索与普通绳索相比具有断裂强力超高、直径细、质量轻等特性，超高分子量聚乙烯纤维的断裂伸长比常规化纤小，制成绳索后产生塑性伸长，具有良好地力学性能。
【关键词】超高分子量聚乙烯；绳索；力学性能；测定
【中图分类号】TS102.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3028(2015)03-0005-04
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有断裂强力超高、直径细、质量轻、低伸长、高安全和高抗疲劳强度等特性[1]。因此，在航运业的大型船舶和石油业的海上钻井平台等工程中作为超高强力的系缆和拖缆，在军工和海洋工程等项目里成为超高载荷、直径细、质量轻的绳索，在渔业的大型中层拖网需要强力高和长度大的曳纲和手纲[2-3]，还有大型海水养殖网箱等需要低伸长的拉索与锚缆[4]，这些都给超高分子量聚乙烯纤维带来商机。绳索的力学性能与上述应用领域的安全性息息相关[5]。
绳索的基本结构参数对绳索的力学性能具有很大的影响，在实际生产中，一般凭借经验和实际试验来对绳索的结构参数进行确定[6]。绳索编织主要为以下几步：(1)首先按所需求的直径来确定绳股中所需UHMWPE纤维复丝的根数；(2)将确定好根数的复丝在合股机上合股加捻；(3)绳股大锭编织完成后，倒入与编织机相配套的小锭；(4)最后加以适当的牵引速度和特定张力，进行编织得到所需的UHMWPE纤维绳索[7]。
本文主要测试超高分子量聚乙烯绳索的力学性能，具体包括测量其直径、周长、拉伸力学性能、断裂强力等力学性能。在超高分子量聚乙烯绳索的研制过程中，通过对其力学性能的研究和特征值的测定分析，充分利用超高分子量聚乙烯的优良物理、化学性能，制得性能更优异的超高分子量聚乙烯绳索，促进超高分子量聚乙烯纤维产业链的形成、工业和国防现代化及渔业的可持续发展。
1 试验
1.1 试验试样
试验材料为青岛亿和海丽有限公司生产的细度105.5 tex的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维编织的特种绳缆(见表1，表2)。
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表1 UHMWPE纤维性能参数 |
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表2绳索的规格 |
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另外，编织方式为八股绳和十六股绳，试样未经处理。
1.2 试验仪器
使用深圳市新三思材料检测有限公司生产的微机控制电子万能试验机，型号CMT5105，最大实验力为100 kN，采用轮式夹具对绳索的力学性能进行测量。根据标准GB／T 8834-2006／ISO 2307：1990进行测试。
1.3 试验方法
1.3.1 绳索直径与周长的测量
绳索的直径与周长利用游标卡尺来测量超分子量聚乙烯绳索的直径。
1.3.2 绳索断裂强力与伸长率的测试
绳索的伸长性能采用定负荷伸长率来表示，本实验负荷定为绳索断裂强力的75 %。原理为，试样机的往复运动部件的速度为每分钟拉伸值在试样有效长度的6 至10 范围内，对于超高分子量聚乙烯绳索，往复部件的速度不应超过250mm／min，本实验采用的试验机为销柱固定插接眼环试样，试样的最小有效长度为1 800 mm。试样两端插接成眼环，闭合长度为250 mm 到500 mm 。
(1)将试样装夹在试验机上，在距两眼环插接末端150 mm处做两个标记。对试样施加规定的预加张力，并测量两个标记间的距离l2，精确到0.5%。
(2)通过试验机的往复部件以匀速拉伸逐渐增加张力。当张力达到额定最低断裂强力的75%时，测量两标记间的距离l2，精确到0.5%。
由于超高分子量聚乙烯纤维的断裂伸长率为常规化纤绳索的1／8左右，用其制成的绳索受力后会产生明显伸长。
断裂强力是试样在运动部件以匀速运动的强力试验机上进行断裂试验过程中所记录得到的最大负荷。使用眼环进行试验时，眼环的闭合内长应在250 mm到300 mm 之间，对于人造纤维绳索，应将插接尾端做成锥形。
为了了解实验结果是否代表绳索的真实强力，重要的是在试验完成时确定断裂点在试样上的位置。夹具所导致的试样损伤会严重影响试验结果，因此，在施加负荷之前应在试样上做标记，断裂应发生在试样上的两个标记之间。
2 结果与讨论
2.1 绳索的物理指标测试结果
对五组试样的物理指标进行测试，结果如表3所示。
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表3 绳索结构参数 |
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注：捻距、直径为预加张力120N 下测得。 |
2.2 绳索的伸长性能结果与讨论
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图1 不同复丝绳索捻角-伸长率折线图 |
由图1可以看出，两类绳索伸长率的总体趋势都是随着捻角的减小，绳索的伸长率逐渐减小。A类复丝细度较低，相同直径复丝根数较多。在高捻角阶段，伸长率较高，这是因为绳索的伸长首先为绳股受力的伸展，伸长增加，随着拉伸作用力逐渐增大，股纱已完全伸展开，股纱中的单丝开始逐渐伸直伸长。拉力继续增大，纤维内部大分子
链键长和键角开始变化，并逐渐伸直，随后大分子间产生相对滑移，绳索的伸长不断增大，直至绳索断裂[8]。
而B类复丝的断裂伸长率较大，当绳索的捻角较大时，绳索较紧密，股纱与绳索轴向的夹角较大，使得相同长度的绳索，捻角较大的绳索其包含的股纱长度较长，在受力拉伸时，绳索中的股纱的伸直和伸长是绳索伸长的主要因素。绳索捻角越小，拉伸过程中股纱的伸长在绳索的伸长中占的比例越小，而绳索的伸长主要成为单丝伸长和纤维自身大分子的滑移产生的伸长。因此，随着绳索捻角的减小，绳索的伸长率逐渐减小，并趋于一定值。
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图2 B类复丝不同直径绳索捻角-伸长率折线图 |
由图2可以看出，不同直径的复丝编织的绳索其伸长率都是随着捻角的减小而降低，但是在捻角较大的阶段，B6绳索伸长率较高，这是由于其直径较粗，复丝根数较多，拉伸过程中，复丝的断裂伸长在绳索的伸长中所占的比例更大。
2.3 绳索的断裂强力结果与讨论
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图3 不同复丝绳索捻角强力折线图 |
图3为实验测得的为直径相同的两种不同复丝的断裂强力结果，牵伸速度的增大使得绳索的捻角发生变化，从而使得绳索的各项结构参数发生变化，最终影响到绳索强力的大小。从图3可看出：在捻角一强力折线图初始阶段，随着捻角的减小，A4与B4绳索的强力不断增大。这是因为绳索结构一定，在捻角较大时，纤维与绳索的轴向偏离角度较大，使得纤维所受外力的方向与纤维的轴向取向偏离的角度较大，纤维分散到绳索轴向的抗拉强力减小，从而使得绳索的强力下降；其次捻角越大，绳索越紧密，相同长度内节点数也就越多，随绳索受力的不断增大[9]，纤维在外力作用下不能完全伸直，节点处的压力也不断增大，且节点越多，受到的切向压力越大，使得绳索易从节点处断裂，强力降低[10]。
此外，在折线图中可以发现，A4绳索的强力高于B4绳索，首先是由于A类复丝的断裂强度较高，在纤维强力利用率相当的情况下，体现了较高的绳索强力；其次，A类复丝的细度较低，仅为B类复丝的一半左右，在同样直径条件下，其复丝根数较多，相互直径的作用力也会提高绳索的强力。另外，从折线图中也可看出，绳索达到最大强力时的节距大小与绳索的结构和绳索的直径大小有关[11]
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图4 B类复丝不同直径绳索捻角-强力折线图 |
从图4可以看出，随着捻角的减小，各直径绳 索的强力都会增大。然而，由B4、B6绳索的捻角-强力折线来看，当捻角减小到一定值后，曲线趋于平稳，且其断裂强力会趋于一个定值。B8、B10绳索并未出现此现象，主要是因为B8、B10绳索与B4、B6绳索的结构不同，且B8、B10绳索.的直径较粗，捻角相对于其结构来说，对强力的影响还是比较大的，所以强力还没有达到最大，因此 B8、B10绳索若想达到最大强力，还可尝试继续缩小捻角。
3 结沦
3.1 绳索的断裂强力随捻角的不断减小而增大。但当捻角达到一定数值后，绳索的强力逐渐趋向于某一定值，因此要使绳索的强力达到最大，需确定一个最佳编织结构。绳索的捻角，紧密度越小，尺寸稳定性也就越高，纤维的强度利用率也就越大。
3.2 绳索的伸长率随捻角的不断减小而降低，绳索伸长主要体现在两个方面：一是绳索结构所带来的伸长，二是复丝本身的断裂伸长。在拉伸的不同阶段，伸长的表现方式不同。
3.3 在捻角小于20°时，绳索的强力较为平缓，并且趋向于一个极限；25°到20°的捻角编织的绳索，其伸长率适中，有一定的伸缩空间，所以选择20°为编织捻角相对较好。
参考文献：
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[9] 吕生华，王结良，何洋，等.UHMWPE纤维高强度绳索的研究[J].工程塑料应用，2003，31(6)：33-35.
[10] 茅利生，郭亦萍，马海有，等，超高分子量聚乙烯绳索伸长的测定[J]中国水产科学，2004，11（6）；36-39
[11] 陈丽珍，余浩峰，王善元，高强涤纶三股绳绳工艺探讨[J] 中国纺织大学学报，1994，20(1)；45-52.