Vectran纤维系留缆绳强度失效分析_孔磊.pdf

分析与测试合成纤维工业，2023，46(2):84CHINASYNTHETICFIBEINDUSTY收稿日期:2022-09-13;修改稿收到日期:2023-02-15。作者简介:孔磊(1997)，男，在读硕士研究生，主要从事功能材料与复合材料研究。E-mail:2020170338 mailhfuteducn。*通信联系人。E-mail:hfutwlc 163com。Vectran 纤维系留缆绳强度失效分析孔磊，王连超*(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)摘要:针对国内 B 研究所制造的浮空器用某型号系留缆绳在使用一段时间后，整体强度下降超过 30%，不再满足升空条件的现象，对不同单位制造的系留缆绳抗拉层 Vectran 纤维的结构与性能进行了对比研究，并分析了缆绳在使用过程中强度下降的机理。结果表明:缆绳 Vectran 纤维在使用过程中结构和组成不变，结晶度略增大，热性能略下降;缆绳包裹薄膜中各层 Vectran 纤维之间相互作用引起 Vectran 纤维起毛，造成纤维抗拉强力下降约 8%;缆绳 Vectran 纤维形成褶皱造成纤维抗拉强力下降约 40%;建议国内 B 研究所通过改进成缆工艺，消除薄膜包裹层之间不同螺旋方向的纤维层之间形成的皱褶，防止缆绳纤维在使用过程中因抗拉强力下降而过早失效。关键词:聚芳酯纤维系留缆绳抗拉强力性能中图分类号:TQ342+29文献标识码:A文章编号:1001-0041(2023)02-0084-05浮空器具有滞空时间长、视野广、机动性强的特点，以其独有的优势在军事和民用领域中发挥着越来越重要的作用13。系留缆绳作为浮空器与地面站点设施通讯连接、电力供应的唯一部件，主要是由抗拉层、信号传输电缆、电力供应电缆等构成，在保证浮空器滞空时和多次重复收放时的系留安全方面起着关键作用45。因此，在一定使用周期内能保持高抗拉强度是系留缆绳的首要条件，也是在制造系留缆绳时非常关注的重要指标。作者针对国内 B 研究所制造的某型号的浮空器用系留缆绳使用一段时间后其强度下降超过30%，不再满足升空条件，远低于缆绳的设计使用寿命的问题，选用国内 A 研究所与 B 研究所系留缆绳及进口系留缆绳进行对比研究，对缆绳用聚芳酯纤维(Vectran 纤维)的结构及性能进行分析，以确定缆绳在使用过程中强度下降的原因。1实验11原料系留缆绳:抗拉层为 Vectran 纤维，分别由国内 A 研究所、B 研究所，以及国外 C 公司产，分别标记为 1#、2#、3#缆绳。12设备与仪器STA449F5 型同步热分析仪:德国耐驰公司制;IFS66V/S 型傅里叶红外光谱仪:德国布鲁克公司制;XPert PO MPD 型 X 射线衍射仪:荷兰帕纳科公司制;JSM-6490LV 型场发射扫描电镜:日本电子公司制;PS881-8 型烘箱:苏州普瑞斯电热设备有限公司制;DCS-5000 型万能材料实验机:日本岛津公司制;摩擦实验设备:自制。13实验方法考虑到系留缆绳的重复收放过程和缆绳纤维的缠绕方式最有可能引起系留缆绳的磨擦损伤，并最终造成抗拉强力的降低67。因此，实验采用机械剥离法对 3 种未使用(原始态)和使用一定时间后(使用态)缆绳的抗拉层 Vectran 纤维进行剥离，然后分析纤维使用前后的性能变化。1#、2#、3#原始态缆绳剥离的 Vectran 纤维分别标记为N1、N2、N3 纤维，1#、2#、3#使用态缆绳剥离的 Vec-tran 纤维分别标记 U1、U2、U3 纤维。14分析与测试红外光谱分析:利用 IFS66V/S 型傅里叶红外光谱仪对缆绳纤维的分子结构进行分析，扫描波数为 5004 000 cm1，扫描次数为 32，分辨率为 009 cm1。X 射线衍射(XD)分析:采用 XPert POMPD 型 X 射线衍射仪获得缆绳纤维的 XD 图谱，测试光源为 Cu Ka，电压为 40 kV，电流为 40mA，扫描角(2)为 560。热重(TG)分 析:利 用 STA449F5 型 同 步热分析仪对缆绳纤维的热稳定性进行分析，测试气氛为氮气，流量为 20 mL/min，温度为 30 800。耐老化性能:采用烘箱对缆绳纤维进行老化实验，并测量老化后各层纤维的抗拉强力，老化温度为 85，老化时间为 1 488 h。耐摩擦性能:采用自制设备模拟实际工况，观察摩擦过程中缆绳纤维的状态变化，载荷分别设置为 500，1 000 g。力学性能:采用 DCS-5000 型万能材料实验机测量缆绳纤维的抗拉强力变化。试样采用每种状态的纤维各 5 小股预捻成一个纤维束。微观形貌:采用 JSM-6490LV 型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察缆绳纤维的微观形貌。2结果与讨论21红外光谱分析从图 1 可以看出:原始态和使用态缆绳 Vect-ran 纤维的红外光谱的特征吸收峰、指纹区位置基本重合，并且特征峰值在误差范围内也是一致的，说明缆绳使用后并未造成纤维本身的结构、组成发生明显变化;使用态缆绳纤维的红外光谱中吸收峰出现微弱降低，可能是摩擦产生的热使 Vect-ran 纤维大分子链的侧基 C帯O 键及芳环 CH 键的振动发生变化，主链中 CO 有可能发生断裂，使分子链进一步固相紧缩所致8;使用态缆绳纤维在起毛处和褶皱处均未出现峰形变化，说明磨损起毛或者褶皱损伤并未造成聚合物本身的结构、组成发生变化。图 1缆绳 Vectran 纤维的红外光谱Fig1Infrared spectra of Vectran fiber of mooring cable1N1 纤维;2U1 纤维;3N2 纤维;4U2 纤维;5N3 纤维;6U3 纤维22XD 分析Vectran 纤维是一种高强度聚芳酯纤维，具有一定的结晶度，使用过程中有可能引起高分子材料性能的变化910。从图 2 可以看出，2#使用态缆绳纤维的 XD 图谱峰面积和峰值略大于原始态缆绳纤维，说明使用一定时间后缆绳纤维的结晶度增大，这是因为拉伸有利于提高结晶度11。图 2缆绳 Vectran 纤维的 XD 图谱Fig2XD patterns of Vectran fiber of mooring cable1N2 纤维;2U2 纤维23TG 分析从图 3 可以看出:2#原始态和使用态缆绳纤维在 100120 时纤维失去其吸附的水分，260左右失重曲线开始缓慢下降，在低于 450 时质量损失很少，到 510 左右降解速度加快，620时基本分解完成，说明 Vectran 纤维比较稳定，耐热性能较好;原始态缆绳纤维的质量转变开始温度在 490，而使用态缆绳纤维的质量转变开始温度在 460 左右，说明缆绳经过一段时间的使用后，Vectran 纤维的热性能发生了微小的变化。图 3缆绳 Vectran 纤维的 TG 曲线Fig3TG curves of Vectran fiber of mooring cable1N2 纤维;2U2 纤维58第 2 期孔磊等Vectran 纤维系留缆绳强度失效分析24耐老化性能分析图 4 为使用态 2#缆绳 Vectran 纤维老化前后的表面 SEM 照片。表 1 为 2#原始态和使用态缆绳 Vectran 纤维老化前后的抗拉强力，其中第 1 层为最外层，第 8 层为最内层。从表 1 和图 2 可以看出:原始态缆绳纤维经过长时间的热老化后表面变得粗糙，产生细小的纤维纵条;原始态缆绳纤维老化后强力下降 1604%，使用态缆绳纤维老化后强力下降 2735%，说明使用后缆绳纤维的抗拉强力下降速度要快于未使用缆绳纤维。图 42#原始态缆绳 Vectran 纤维老化前后的表面 SEM 照片Fig4Surface SEM images of Vectran fiber of originalmooring cable 2#before and after aging表 12#缆绳 Vectran 纤维老化前后的抗拉强力Tab1Tensile strength of Vectran fiber of mooring cable 2#before and after aging试样抗拉强力/N12345678平均值N2 纤维老化前1 02491 22121 16731 26861 16781 15361 14001 25671 1750N2 纤维老化后8538860694201 08931 00801 112493661 08929865U2 纤维老化前821488488831822793348963900384868738U2 纤维老化后56815831617462756658629565977273634825耐摩擦性能分析通过对 3 种使用态缆绳抗拉层进行剥离，发现 3 种缆绳抗拉层结构不同，在两层包裹薄膜之间，3#缆绳只有一层经过预捻的纤维束，其螺旋走向一致，而 1#与 2#缆绳在两层薄膜间均有 2 或 3层螺旋走向相反的纤维层，所有缆绳纤维与包裹薄膜之间均未发生磨损。1#缆绳纤维未见褶皱，但纤维层与层之间磨损起毛较严重;2#缆绳纤维出现严重褶皱，且受力端纤维层与层之间磨损最严重;3#缆绳纤维未起褶皱，仅撕裂出微细短纤维。为了研究纤维层之间的磨损情况，通过自制的摩擦实验机对纤维进行模拟摩擦实验，实验装置结构如图 5 所示，车床电机通过偏心盘带动纤维束进行往复运动，通过调节配重来调节交叉纤维束间摩擦力，考察了原始态缆绳 Vectran 纤维摩擦过程中的纤维状态变化，见表 2。图 5纤维摩擦实验装置示意Fig5Fiber friction experimental device schematic表 2原始态缆绳 Vectran 纤维摩擦过程中的纤维状态变化Tab2Change of Vectran fiber state during frictionprocess of original mooring cable试样纤维状况载荷 500 g载荷 1 000 gN1 纤维自身对磨20 min 后纤维开始变白，3 h 开始出现明显磨损、起毛11 min 后纤维开始变白，15 h 开始出现明显磨损、起毛，出现振动N2 纤维自身对磨15 min 后纤维开始变白，2 h 开始出现明显磨损、起毛8 min 后纤维开始变白，1 h 开始出现明显磨损、起毛，出现振动N3 纤维自身对磨25 min 后纤维开始变白，4 h 开始出现明显磨损、起毛15 min 后纤维开始变白，2 h 开始出现明显磨损、起毛，未出现振动N2 与 N3纤维对磨20 min 后 B 所纤维开始变白，1 5 h开始出现明显磨损、起毛15 min 后 B 所纤维开始变白，1 h 开始出现明显磨损、起毛，出现振动从表 2 可以看出，只要摩擦的时间足够长，3种缆绳纤维均会产生磨损起毛现象，并且 2#缆绳纤维比 3#缆绳纤维更容易磨损起毛，初步判定缆绳使用后受力端出现起毛现象是由于纤维间相互摩擦引起的，纤维表面变白即代表纤维表面出现轻微的磨损撕裂，发生振动则是由于纤维撕裂相互缠绕而使摩擦阻力增大造成的12。原始态缆绳 Vectran 纤维摩擦前后的 SEM 照片见图 6。从图 6 可以看出，摩擦前，3#原始态缆绳纤维最为光滑，且与 1#原始态缆绳纤维一样，68合成纤维工业2023 年第 46 卷表面均未见明显微细短纤维，而 2#原始态缆绳纤维表面存在少量微细短纤维;摩擦后，1#与 2#原始态缆绳纤维表面出现明显纤维相互绞合团聚现象，而 3#原始态缆绳纤维只有少量的纤维丝撕裂，未见大量的磨损纤维团聚。这表明使用一段时间后，在不同纤维层交界面出现起毛现象，实质是从纤维上撕裂的卷曲的微细短纤维不断团聚缠结在一起形成的。图 6原始态缆绳 Vectran 纤维摩擦前后的 SEM 照片Fig6SEM images of mooring cable Vectranfiber in original state and wear state26抗拉强力分析表 3 为使用态缆绳不同层 Vectran 纤维的抗拉强力，其中 1#缆绳有 3 层，2#缆绳有 8 层，3#缆绳有 6 层，第 1 层均为最外层。从表 3 可以看出，3 种缆绳纤维的抗拉强力下降幅度由外向内越来越大，其中 1#缆绳纤维出现起毛现象，最内层(第3 层)相对于最外层(第 2 层)强力下降了 796%，2#缆绳纤维产生褶皱，最内层(第 8 层)相对于最外层(第 1 层)强力下降了 3989%，说明褶皱引起的损伤所造成的抗拉强力下降要高于摩擦引起的损伤。表 3使用态缆绳不同层 Vectran 纤维的抗拉强力Tab3Tensile strength of different layers of Vectran fibersof mooring cable in use state试样抗拉强力/N12345678U1 纤维1 105 1 043 1 017U2 纤维870834708682675558543523U3 纤维1 208 1 214 1 203 1 195 1 189 1 198图 7 为 2#使用态缆绳 Vectran 纤维褶皱处的SEM 照片。从图 7 可以看出，纤维在褶皱处已明显发生破坏，相当于整根纤维分离成许多股原纤13，而磨损起毛时仅在纤维丝表面有小部分微细短纤维被撕裂下来(对比图 6 可以发现)。因此认为纤维的磨损只是发生在纤维的表面部分，对整体的强力影响并不大，但是一旦缆绳纤维产生褶皱，则其强力将会大大降低，这是因为摩擦损伤只是发生在纤维表面一层，而褶皱造成的则是整根纤维的损伤。图 72#使用态缆绳 Vectran 纤维褶皱处的 SEM 照片Fig7SEM images of Vectran fiber wrinkles of mooringcable 2#in use state选取出现褶皱的 2#使用态缆绳纤维进行抗拉强力实验，实验将 5 束纤维预捻成一个试样，并在出现褶皱处做记号标识，实验结果见图 8。从图 8 可以看出，在纤维束被拉断后，其断口均出现在标记处，这说明缆绳使用后，纤维在发生褶皱处的强度一定低于未褶皱处，褶皱的出现造成整根纤维束的损伤才是缆绳强度下降最主要的原因。图 82#使用态缆绳 Vectran 纤维褶皱处拉断后的照片Fig8Photos of broken Vectran fiber wrinkles of mooringcable 2#in use state27纤维强度下降机理分析综上所述，系留缆绳纤维强度下降的机理可以解释为:第一，缆绳在使用过程中反复收放卷绕，缆绳纤维在压力作用下，由于同一薄膜包裹层中纤维螺旋方向不同，不同纤维之间伸长与收缩产生相对运动，使纤维表面因磨损形成的微细短纤维发生缠绕，而缠绕在一起的短纤维继续受力则会被慢慢拉断脱落使得纤维表面受损，降低纤维的承载能力;第二，由于包裹薄膜卷绕较紧，当纤维在缆绳收放弯曲时，纤维束在受力端边界形成应力集中使纤维的受力超过其强度而产生应力屈服，形成剪切带，纤维开始形成裂纹而分离成许多原纤，但薄膜包裹得太紧限制了纤维的弹性变78第 2 期孔磊等Vectran 纤维系留缆绳强度失效分析形，纤维隆起产生褶皱，使得在缆绳受力时存在一部分纤维因褶皱的存在未能拉直而不能参与整体受力从而使缆绳强度明显下降。3结论a 缆绳 Vectran 纤维在使用过程中结构组成不变，结晶度略增大，热性能略下降。b 缆绳 Vectran 纤维起毛现象是由于使用过程中纤维间相互摩擦引起的，磨损发生于纤维的表面，会造成纤维抗拉强力下降约 8%。c 缆绳 Vectran 纤维一旦形成褶皱，会导致纤维的抗拉强力明显下降，降幅达 40%。d 建议国内 B 研究所通过改进成缆工艺，消除薄膜包裹层之间不同螺旋方向的纤维层之间形成的皱褶，防止缆绳纤维在使用过程中因抗拉强力下降而过早失效。参考文献 1邓小龙，麻震宇，罗晓英 国外系留气球装备发展与应用启示J 飞航导弹，2020(6):7682 2李春友，李雪 高空浮空器发展现状及趋势J 硅谷，2011(5):3，21 3张永刚 浮空器的结构组成与发展现状J 科技创新与应用，2021(1):6264 4蔺晨，赵铭 无人机用轻型反复收放系留缆绳的研制J 光纤与电缆及其应用技术，2020(6):1823 5周杰，李鹏，陶景升 系留缆绳的设计概述J 光纤与电缆及其应用技术，2013(6):1215 6冯大毛 系留气球缆绳绞盘摩擦传动设计探讨J 机械传动，2014，38(7):9699 7匡载平，戴棣，王文贵，等 纤维稳定缠绕研究J 航空制造技术，2009(增刊 1):6466，69 8杜以军，蒋金华，陈南梁 Vectran 纤维的耐热稳定性研究 J 玻璃钢/复合材料，2014(4):2326 9刘景宏，谢拥群，魏起华 用 XD 法研究 ULDM 纤维素结晶区的热稳定性 J 福建林学院学报，2013，33(4):363366 10 王灿耀，郑玉婴 光谱法研究 MC 尼龙 6/芳纶复合材料的结构J 光谱学与光谱分析，2008(1):9497 11 LIU Y X，LIU Y Y，TAN H F，et al Structural evolution anddegradation mechanism of Vectran fibers upon exposure to UV-radiationJ Polymer Degradation and Stability，2013，98(9):17441753 12 张晨曙，李敏洁，邵光伟，等 Vectran 长丝的耐磨性能及其影响因素的试验研究J 上海纺织科技，2017，45(9):5255 13 MOWE T M Sheave-bending and tensile fatigue of aramid-fi-ber strength members for communications cablesJ Interna-tional Journal of Fatigue，2000，22(2):121135Strength failure analysis of Vectran fiber of mooring cableKONG Lei，WANG Lianchao(School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009)Abstract:In view of the phenomenon that the overall strength of a certain type of mooring cable for aerostat manufactured byInstitute B in China decreased by more than 30%after a period of use and it no longer met the lifting conditions，the structureand performance of Vectran fiber for the tensile layer of mooring cable manufactured by different producers were compared andstudied，and the mechanism of the strength decline of the mooring cable was analyzed in use The results showed that the struc-ture and composition of Vectran fiber of mooring cable remained unchanged in use，the crystallinity increased slightly，and thethermal properties decreased slightly;Vectran fiber became fluffy due to the interaction between the Vectran fiber layers of moor-ing cable wrapped with films resulting in a decrease in the tensile strength of the fibers by about 8%;and the formation of wrin-kles in the Vectran fiber caused the tensile strength of the fiber to decrease by about 40%It was suggested that the wrinkles be-tween the fiber layers in different spiral directions should be eliminated between the wrapped film layers by improving the cableforming process in order to prevent the premature failure of the cable fiber due to the decrease of tensile strength in useKey words:polyaryl ester fiber;mooring cable;tensile strength;properties国内外动态重庆华峰 300 kt/a 差别化氨纶扩建项目竣工2023 年2 月18 日，重庆市涪陵区举行 2023 年一季度重点项目集中开竣工仪式，其中华峰集团 300 kt/a 差别化氨纶扩建项目(五期及其配套工程)竣工。华峰重庆氨纶有限公司 300 kt/a 差别化氨纶扩建项目位于重庆白涛工业园区，包括建设 50 kt/a 高品质高性能差别化氨纶生产车间、250 kt/a 高端经纬编专用差别化氨纶生产车间。(通讯员钱伯章)88合成纤维工业2023 年第 46 卷