纖維織物耐高溫性能研究

易懷強,劉圣千,武國軍,鄭 磊,吳家紅,陳 思,康建釗,于鳳林

(中國航天科工集團第六研究院四十六所,內蒙古 呼和浩特010010)

0 前言

囊體材料是飛艇組成件中最龐大主要的部分,重量占整個飛艇的50%左右。飛艇囊體材料的性能,直接決定飛艇駐留的高度和時間以及載荷能力,同時決定飛艇的使用壽命。囊體材料在加工和使用過程中,需經受復雜的環境,如高低溫交變、紫外輻射、臭氧以及各種高能粒子的強烈作用等,對蒙材料性能要求極為嚴苛。復雜環境特別是高低溫對囊體材料力學性能有非常明顯的影響[1]。

承力層是囊體材料的關鍵功能層,是由高強有機纖維經過織造而成的織物。承力層織物是提供囊體材料力學性能的主要材料。目前,囊體材料的承力層織物所用纖維種類較多,其中有聚芳酯、芳綸、PBO等液晶高分子纖維,這類纖維具有較高的拉伸強度和較低的斷裂伸長率[2],其分子結構式如圖1所示。

圖1 纖維分子結構式

聚芳酯(Vectran)是由70mol%的對羥基苯甲酸(HBA)和30mol%的2-羥基-6苯甲酸(HNA)經熔融無規共聚合制得。Vectran聚合物的分子式如圖2所示。

圖2 Vectran聚合物的分子式

Vectran纖維拉伸強度和彈性模量高,強度為2.9 GPa,略低于Kevlar49的3.0GPa；彈性模量為65 GPa,耐磨性能好,耐切割性能好。在干燥溫度為250℃的環境下保存100h,Vectran纖維能保持原始強度的76%,而普通型Kevlar纖維為56%；在潮濕、溫度為120℃的環境下保存100h,Vectran纖維能保持原始強度的79%,而普通型Kevlar纖維為43%[3-4]。

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE),又稱高強高模聚乙烯纖維,是目前世界上比強度和比模量最高的纖維。UHMWPE纖維的抗擊性、抗切割性、抗紫外線和抗低溫能力強,化學穩定性好,因此被廣泛應用于安全防護、醫療器械、航空航天、漁業等諸多領域[5]。應力下熔點只有145～160℃,超高分子量聚乙烯分子式為-[CH2=CH2]-n,其長鏈為-C-C-結構,沒有側基,對稱性及規整性好,單鍵內旋轉位壘低,柔性好,容易形成規則排列的三維有序結構,有著較高的結晶度。

聚酯纖維一般指聚對苯二甲酸乙二酯,其化學結構式為-[CO-Ph-COOCH2CH2O]-n。彈性高、強度大,具有良好的化學穩定性、耐磨性、拉伸性和抗折皺性[6],在民用紡織品領域(如衣料、床上用品、裝飾布等)和工業纖維品領域(如過濾材料、絕緣材料、輪胎簾子線等)都有非常廣泛的應用。開始軟化點230～240℃,熔點為255～260℃。

芳綸纖維即芳香族聚酰胺纖維,是以芳香族化合物為原料經縮聚紡絲制得的合成纖維。主要品種有聚對苯二甲酰對苯二胺纖維和聚間苯二甲酰間苯二胺纖維。它具有超高強、超高模量、耐高溫和比重輕等特性,其強度比一般有機纖維高3倍以上,模量是錦綸的10倍,滌綸的9倍,其相對強度相當于鋼絲的6～7倍。芳綸纖維具有良好的抗沖擊和耐疲勞性能,有良好的介電性和化學穩定性,耐有機溶劑、燃料、有機酸及稀濃度的強酸、強堿,耐屈折性和加工性能好[7]。它可用普通織機編織成織物,編織后其強度不低于原纖維強度的90%。

通過對浮空器囊體材料常用纖維(聚芳酯、芳綸、聚酯、超高分子量聚乙烯等)織物在不同溫度下拉伸強度的性能研究,得出了承力層纖維織物在高溫下的力學性能變化規律,為囊體材料制備和使用壽命評估、浮空器運行安全評價提供技術支撐[8]。

1 試驗與測試

1.1 材料

試驗中使用的纖維織物為：超高分子量聚乙烯(PE-A纖維織物,PE-B纖維織物),滌綸(DL-A纖維織物),聚芳酯(VE-A纖維織物)和芳綸Ⅲ(F-12纖維織物)。

1.2 性能測試

參考標準GB/T7689.5-2013對不同測試溫度下纖維織物的斷裂拉伸強度進行測試。測試設備為Instron3365拉伸試驗機,預加應力為5～15N。

2 結果與討論

2.1 溫度對PE纖維織物強度的影響

為了研究不同溫度條件下UHMWPE纖維織物的斷裂拉伸強度,選取PE-A與PE-B2種規格的織物進行測試與分析,試驗結果見表1。

通過表1可以看出,在23～80℃溫度范圍內,2種規格的UHMWPE纖維織物隨著溫度升高,對應織物的拉伸強度均逐漸降低；同時,從圖3強度保持率曲線可以看出,2種織物在高溫測試條件下強度保持率范圍均為70%～100%,都隨著溫度升高強度保持率下降,在80℃情況下,PE-A與PE-B2種織物相對常溫的強度保持率分別為79.7%和74.9%。超高分子量聚乙烯纖維分子鏈C-C原子之間共價鍵除以分子鏈截面積可簡單計算出分子鏈理論強度,高溫下纖維內部結構發生變化,分子間作用力受到破壞而減小,而分子鏈截面積在高溫下變形增大,因此UHMWPE纖維織物隨溫度的升高強度下降較明顯,PE-A為44tex織物,PE-B為11tex織物,在不同溫度范圍內二者下降幅度稍有差異,但隨溫度升高強度下降的總體趨勢相同,這表明織物的紗線密度和結構對拉伸強度也有一定影響。

表1 溫度對PE纖維織物強度的影響

圖3 PE織物相對常溫的強度保持率

2.2 溫度對DL纖維織物強度的影響

為了研究不同溫度條件下滌綸(DL)纖維織物的斷裂拉伸強度,試驗選取DL-A纖維織物進行測試和分析,試驗結果見表2。

表2 溫度對DL-A纖維織物強度的影響

從表2及圖4可以看出,隨著溫度升高DL-A纖維織物強度整體呈下降趨勢,但下降不明顯,在80℃情況下滌綸織物的強度保持率仍保持在98.6%,降幅不明顯,表明滌綸織物斷裂拉伸強度對溫度特別是高溫耐受性較好。

圖4 DL-A織物相對常溫的強度保持率

纖維開始受力時,其變形主要是纖維大分子鏈本身的拉伸,即鍵長、鍵角的變形,拉伸曲線接近直線,基本符合胡克定律。當外力進一步增加,無定型區中大分子鏈克服分子鏈間次價鍵力而進一步伸展和取向,導致大分子主鏈和大多次價鍵的斷裂導致纖維解體。在這過程中可能由于滌綸大分子屬線型分子鏈,分子側面沒有連接大的基團和支鏈,分子間緊密結合在一起而形成結晶,形狀尺寸穩定性和機械強度較好；同時,滌綸的熔點比較高,而比熱熔和導熱率都較小,其化學結構和物理結構導致滌綸織物的耐熱性能較好,受溫度影響不明顯。滌綸織物的熱特性及力學性能特征可為低成本囊體材料的研究開發提供理論基礎。

2.3 溫度對VE纖維織物強度的影響

Vectran纖維具有拉伸強度高和彈性模量高的優點,性能穩定、成熟度高,是目前最常用的囊體材料承力層織物類型之一。以22texVectran纖維織物VEA為研究對象,考察高溫對VE-A纖維織物強度的影響,結果見表3和圖5。

表3 溫度VE-A纖維織物強度的影響

表3和圖5的試驗結果顯示,VE-A纖維織物的強度在23℃時拉伸強度為839.2N/cm,溫度每升高10℃,織物強度均有不同程度的減少,在80℃時強度降低至696.6N/cm,相對常溫的強度保持率為83%。溫度對材料強度的影響表現為：與其他種類織物的應力應變變化趨勢基本相同,隨環境溫度升高,織物強度降低,拉伸破壞形式為紗線的斷裂和滑移。

圖5 VE-A織物相對常溫的強度保持率

2.4 溫度對F-12纖維織物強度的影響

F-12纖維(國產芳綸Ⅲ)為46所自主研發生產的雜環芳酰胺類聚合物,經溶液噴絲工藝紡絲得到纖維。該纖維具有高強度、低密度、柔韌性良好等特點,可用于囊體材料承力層織物的研制,以22tex平紋織物為研究對象,測試了不同溫度下織物的拉伸強度,結果見表4和圖6。

表4 溫度對F-12纖維織物強度的影響

從表4和圖6試驗數據可以看出,F-12纖維織物在23℃時拉伸強度最大為831.4N/cm,80℃時拉伸強度最低為757.3N/cm,在23～80℃范圍內隨著溫度升高拉伸強度總體呈下降趨勢,相對于常溫的強度保持率均保持在90%以上,表明F-12纖維織物的力學性能耐高溫性能較好。

2.5 溫度對不同種類纖維織物強度的影響

通過對4種常用纖維織物在室溫及不同高溫條件下拉伸強度的對比試驗,得出4種纖維織物隨溫度的強度保持率曲線,如圖7所示。

圖6 F-12織物相對常溫的強度保持率

圖7 4種纖維織物的強度保持率

從圖7可以看出,試驗所采用的UHMWPE、Vectran、DL、F-12 4種類型纖維織物的拉伸強度隨溫度升高均呈下降趨勢,但不同類型織物下降程度不同,其中滌綸織物強度保持率曲線下降最平緩,表明高溫對其拉伸強度影響最小；UHMWPE織物強度保持率曲線下降最快,表明高溫對其拉伸強度影響最大。這與不同類型纖維織物自身的化學結構和性質密切相關。在浮空器囊體材料研制及生產加工方面,由于織物是囊體材料力學性能的主要決定者,因此本試驗結論對不同纖維體系囊體材料、焊接材料以及系留浮空器繩索的力學性能和實際應用有一定指導意義。

3 結語

纖維織物是浮空器囊體材料的關鍵功能層之一,對其力學性能特別是不同溫度下拉伸強度的影響研究具有重要意義。

囊體材料是一種多層復合材料,在選擇承力層織物時不能只考慮其優異的機械性能,還要考慮與其他材料復合后的綜合性能,如復合材料之間的焊接、剝離力及老化性能等。一般原則是在保證材料整體性的前提下盡可能減輕囊體材料的重量,滿足浮空器囊體設計要求的力學性能。