芳纶紫外线辐照老化失效的无损检测评估

作者:吴忠烨;张荣;张一鸣;李正刚;杨兵; 刊名:棉纺织技术 上传者:李尚东

【摘要】探讨抗荷服和抗浸服(芳纶材料)老化程度的无损检测方法。采用紫外线辐照模拟自然紫外线损伤过程,系统研究了常用的抗荷服和抗浸服在紫外线辐照下的微观形貌、微结构、色度以及断裂强力变化,分析了此类芳纶材料色度特征变化与断裂强力之间的对应关系。结果表明:紫外线辐照会破坏材料纤维微结构,导致其出现老化现象;抗浸服和抗荷服在不同紫外线辐照时间下色度特征值与断裂强力均呈现出明显规律。认为:建立起基于色度检测的材料老化损伤无损检测和评估技术,可以实现此类特种纺织材料剩余寿命的预测。

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1 研究背景 芳纶具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀和耐磨损等优异性能,是航空航天个体防护装备和降落伞中广泛应用的特种纺织纤维[1-5]。随着贮存年限的增加或保管和使用条件的变化,芳纶纺织材料会出现明显的老化现象,物理和机械性能明显下降,严重影响防护装备的安全使用。影响芳纶纺织材料老化的因素很多,其中促使纺织材料快速老化的一个重要因素就是紫外线辐照损伤[6-8]。芳纶材料的紫外线辐照老化主要体现在两个方面。一是外观变化,表面颜色加深变暗,颜色出现色差;二是性能改变,主要表现为材料断裂强力的变化以及层间结合力的变化等。性能改变是由于聚合物材料在吸收紫外线发生光化学效应,特别是波长300 nm~400 nm紫外线能被含有羰基及双键的聚合物吸收而使大分子链断裂和化学结构改变,最终导致材料性能迅速劣化[9-13]。紫外线辐照一般会导致聚合物纤维表面缺陷增多,明显影响纤维的力学性能,导致其弹性模量减小,拉伸断裂形式过渡到脆性断裂[14-15]。同时化学结构和键的断裂会使得特种纺织材料外观颜色发生变化,在紫外线的作用下,染料中的化学键发生改变甚至断裂,使得染料发色体的结构遭到破坏,表现出色变;另一方面,染料分子中发色体吸收紫外线(λ<400 nm)能量,共轭双键中的成键电子向较高能量的反键轨道跃迁,当成键电子回到原来轨道时,将放出能量,从而表现出与原来不同的颜色,导致织物不同的色度变化[16]。 对于聚合物老化方面已经进行了大量的研究,但目前针对芳纶材料相关的老化检测方面研究很少,主要是采用剪裁破坏样品来进行强度检测,仍然集中在离线破坏检测上,测试和分析所花时间较长,难以满足现场使用需要,不利于现场产品故障分析和外来物品的实施检测,尤其是在特殊的使用环境中,安全性要求高,常规定性破坏性老化检测方法不能满足其安全评定的需要。为此需要将芳纶材料老化方面的定性研究拓展到定量的无损检测评估技术中,这对预测特种纺织材料的使用寿命以及使用性能具有极其重要的研究价值[17-18]。 本文通过紫外线照射航空航天常用的抗荷服与抗浸服样品进行辐照老化试验,以期构建特种纺织材料无损检测和紫外老化评估方法。 2 试验方法 试样:抗荷服(BWKH-387芳纶面料),抗浸服(D-TEX-3L芳纶面料),均由襄阳航宇救生装备有限公司提供,均裁剪为15 cm×5 cm的长方形。紫外线辐照选用紫外线辐照试验箱,参考GB/T 2423.24—2013《环境试验 第2部分:试验方法 试验Sa:模拟地面上的太阳辐射及其试验导则》,温度26 ℃,相对湿度45%,紫外线波长340 nm,紫外线辐照度90 W/m2,模拟加速自然环境下紫外线的连续光照。为了提高所获结果的可靠性,每组试验参数各放置5个样品。将样品裁剪成10 mm×10 mm,干燥处理后进行喷金处理,选用Zeiss SIGMA型场发射扫描电子显微镜观察不同紫外线辐照条件下样品纤维的表面形貌变化。采用FTIR5700型傅立叶红外光谱分析仪进行样品的全反射红外光谱测定,测试不同紫外线辐照条件下样品微观结构的变化。选用专用应力应变特性试验系统MB029D测试不同紫外线辐照条件下样品的断裂强力,测试结果取5组样品平均值。采用KonicaMinota公司CR-10型色度仪进行色度测试,选用Lab色彩模型来表示航空特种纺织材料色度的变化。用ΔE表示总色差大小,其计算公式见式(1)。 3 结果与讨论 3.1 形貌 图1为样品紫外线辐照前后的电镜图。从图1中可以看出原始抗荷服样品纤维的表面光滑整洁,表面几乎没有裂纹,随着紫外线辐照时间增长到500 h后,

参考文献

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