测试夹具类型和隔距对对位芳纶拉伸性能测试结果的影响

胡煜洁 罗 琦

帝人芳纶贸易(上海)有限公司亚太技术中心(TCA)，上海 200233

对位芳纶(芳纶1414)作为一种高性能纤维，其具有高强、高模等优异性能，已在橡胶、光缆、防护等领域得到广泛的应用。目前，随着国内对位芳纶用量的不断增加，以及应用领域的不断扩大，国内众多涉及对位芳纶应用技术的标准陆续得到了制定和修订[1]。其中，准确测得对位芳纶产品的模量、断裂强力和断裂伸长率等拉伸性能指标，既是测试的基本要求，又是设计后续终端产品的依据需要。

现有大量研究表明，拉伸速率、纱线捻度、测试环境温湿度等对芳纶的拉伸性能测试结果有影响。如，顾伯洪等[2]研究表明，不同的化学纤维，其应力、应变性能随拉伸速率的不同而呈上下波动的特点，而非呈通常认为的单调递增或单调递减趋势；董红明等[3]研究发现，随着捻系数的增加，较大线密度的芳纶纱线的断裂伸长率呈先快速增长后趋于缓和增长的趋势，而较小线密度的芳纶纱线其断裂伸长率呈先快速增长后缓慢下降的趋势；朱晓娜等[4]研究表明，当纱线的捻度处于最佳捻度附近时，捻度对纱线强力的影响不显著；张亚如等[5]研究发现，随着回潮率的增大，芳纶1313的断裂强力和初始模量降低。因此，国际通用的芳纶长丝拉伸性能测试标准ASTM D7269/D7269M - 17[6]对拉伸速率、纱线捻度、测试环境温湿度等测试参数做了规定，其要求拉伸速率数值(单位为mm/min)应设置为隔距数值(单位为mm)的一半；拉伸测试应使用加捻纱，所加捻度按照ASTM D7269/D7269M - 17执行；测试环境温湿度应控制在(20±1) ℃和(65±3) %。此外，标准还对测试夹具的包覆角及隔距做了规定，要求不大于3 500 dtex的纱线，推荐使用包覆角为180°的夹具，隔距为500 mm；大于3 500 dtex的纱线，推荐采用包覆角为270°的夹具，隔距为635 mm。但现有的有关夹具类型及隔距对芳纶拉伸性能测试结果影响的研究很少。

本文将就不同夹具类型及不同隔距对对位芳纶拉伸性能测试结果的影响展开探讨，以期为对位芳纶产品的设计与应用提供参考。

1 试验材料

试验选用帝人集团生产的两种规格的对位芳纶长丝——Twaron 1 680 dtex/1 000 f和Twaron 3 220 dtex/2 000 f进行拉伸性能测试研究。

2 试验仪器及测试条件

先使用TWISTEC设备对芳纶长丝进行加捻。其中，Twaron 1 680 dtex/1 000 f预设捻度(T预)为80 T/m，实测捻度(T实)为79 T/m；Twaron 3 220 dtex/2 000 f预设捻度为60 T/m，实测捻度为62 T/m。实测捻度均在允许误差范围内，即T实=T预±5 T/m。

接着，被测长丝置于45 ℃烘箱内预烘3 h，然后放入温度为(20±1) ℃、相对湿度为(65±3)%的恒温恒湿箱中平衡至少16 h，再进行拉伸性能测试。

利用Instron 5966等速伸长拉力测试仪，选择两种气动芳纶夹具——Instron 2714-032(简称夹具A，其允许的最高测量值不得超过2 kN，图1)和Instron CP10730(简称夹具B，其允许的最高测量值不得超过10 kN，图2)，并采用松式夹持的方式进行拉伸性能测试。设置夹头的气动气压为0.6～0.8 MPa；夹具A采取250、500和750 mm的隔距，夹具B采用800、1 000和1 200 mm的隔距；拉伸速率根据ASTM D7269/D7269M - 17中的规定，数值设置为隔距的一半，即夹具A的3种隔距对应的拉伸速率分别为125、250、375 mm/min，夹具B的3种隔距对应的拉伸速率分别为400、500、600 mm/min；预加张力为20 mN/tex。

图1 Instron 2714-032夹具(夹具A)

图2 Instron CP10730夹具(夹具B)

3 测试结果与讨论

3.1 断裂强力

图3和图4分别为两种对位芳纶长丝在不同夹具和不同隔距下测得的断裂强力。从图3和图4可以看出：不同夹具类型测得断裂强力值差异不大，说明夹具类型对断裂强力测试的影响不明显；随着隔距的增加，夹具A测得的两种对位芳纶长丝的断裂强力略有下降，夹具B测得的两种对位芳纶长丝的断裂强力呈先略有下降后略微上升的趋势。

图3 测得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的断裂强力

图4 测得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的断裂强力

3.2 断裂伸长率

使用夹具测得的断裂伸长率值包含两部分：一部分为夹具部分的伸长，伸长率用Ec表示，其不能准确反映纱线的伸长，原因与夹持导致的纱线滑移(简称滑移效应)和夹具曲面导致的伸长(简称曲面效应)有关，滑移效应使得断裂伸长率的测试值较实际值大，曲面效应使得测试值较实际值小；另一部分为不接触夹持面的自由段的伸长，伸长率用Ereal表示，其反映了最真实的断裂伸长率。

图5和图6分别为两种对位芳纶长丝在不同夹具和不同隔距下测得的断裂伸长率。从图5和图6可以看出：夹具类型对断裂伸长率的影响显著，使用夹具A测得的断裂伸长率明显高于使用夹具B测得的，原因与夹具B的曲面效应大于滑移效应，而夹具A的滑移效应占上风有关；随着隔距的增加，夹具A测得的两种对位芳纶长丝的断裂伸长率呈下降趋势，夹具B测得的两种对位芳纶长丝的断裂伸长率规律不明显。此外，随着隔距的增加，自由段伸长所占比例有所上升，断裂伸长率更接近真实断裂伸长率，且断裂伸长率的真实值是介于使用夹具A和夹具B测试结果之间的一个数值。

图5 测得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的断裂伸长率

图6 测得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的断裂伸长率

3.3 弦线模量

模量的种类有多种，常见的模量有初始模量、杨氏模量、弦线模量等。其中，弦线模量是指在弹性范围内轴向应力-应变曲线上规定两点之间弦线的斜率，即应力差值与应变差值之比。弦线模量与规定两点之间的应力差呈正相关，与规定两点之间的应变差呈负相关。ASTM D7269/D7269M - 17中采用的是弦线模量，其规定两点对应的应力值分别为300 mN/tex和400 mN/tex。

图7和图8为两种对位芳纶长丝在不同夹具和不同隔距下测得的弦线模量。从图7和图8可以看出：夹具类型对弦线模量测试结果的影响较大，使用夹具B测得的弦线模量明显高于使用夹具A测得的弦线模量；随着隔距的增加，夹具A测得的两种对位芳纶长丝的弦线模量随之增大，夹具B测得的两种对位芳纶长丝的弦线模量随之降低。与断裂伸长率相同，夹具产生的滑移效应和曲面效应使得测试所得弦线模量并非真实值，且随着隔距的增加，两种夹具测得的弦线模量会逐渐趋近真实值。

图7 测得Twaron 1 680 dtex/1 000 f的弦线模量

图8 测得Twaron 3 220 dtex/2 000 f的弦线模量

4 结论

选取两种规格的Twaron纱线——1 680 dtex/1 000 f和3 220 dtex/2 000 f，研究测试用夹具类型和隔距对两种规格对位芳纶长丝的断裂强力、断裂伸长率和弦线模量的影响：

(1)夹具类型对断裂强力的测试影响并不明显；随着隔距的增加，夹具A测得的断裂强力呈下降趋势；夹具B测得的断裂强力呈先下降后上升的趋势。

(2)夹具类型对断裂伸长率的测试影响明显，夹具A测得的断裂伸长率显著高于夹具B测得的断裂伸长率；随着隔距的增加，夹具A测得的断裂伸长率呈下降趋势，夹具B测得的断裂伸长率规律不明显。

(3)夹具类型对弦线模量的测试影响明显，夹具A测得的弦线模量显著低于夹具B测的弦线模量；随着隔距的增加，夹具A测得的弦线模量呈上升趋势，夹具B测得的弦线模量呈下降趋势，且随着隔距的增加，两种夹具测得的弦线模量都会逐渐接近真实值。

综上可见，不能孤立地看待测试结果，更不能直接将测试结果进行比较，需结合测试条件综合分析,以为后续终端产品的设计提供可靠的数据依据。