UHMWPE纤维绳索的纺织工艺和力学性能研究 .doc

1、UHMWPE纤维绳索的纺织工艺和力学性能研究 (1) 摘要 超高分子量聚乙烯（）纤维是继芳纶、碳纤维之后的第三大高性能纤维，具有高强度、高模量、抗冲击、耐酸碱腐蚀、耐磨损、低密度等优点，在军事工业、航空领域、民用领域均有不可替代的作用，绳索是纤维的最大应用领域之一。目前国内对纤维绳索的相关研究还较少，主要对纤维拧绞绳的力学性能进行了研究，对编织绳的研究很少，并且缺乏深入和系统的研究，为此本文对编织绳进行了系统的研究和分析。 首先，对绳索、纤维以及纤维绳索的特点、发展应用情况进行了介绍，然后对不同细度的纤维复丝材料拉伸性能、蠕变性能进行实验测试和数学模型的理论分析。表明纤维是目前用于绳索编织的最

2、优材料，具有质量轻、高强度、高模量、低伸长的特性。 其次，对绳索结构进行设计并简单介绍了编织工艺过程。发现加捻捻度越低，绳索的强度越高，所以应尽可能的采用低捻度或无捻度纤维减少纤维用量及拉伸强度的损失，捻度在捻为宜。通过对原料复丝和绳索结构参数的关系进行理论研究，得到每股的复丝根数与绳索直径的关系方程：?（，（?么），这为绳索的实际生产提供了理论公式，大大减少了绳索设计过程中的人力和时间，具有重要的实际意义。 最后，探讨绳索工艺参数对绳索力学性能的影响，经实验测试及理论分析表明绳索的断裂强力随节距的增大而增大，但当节距增大到一定数值后，绳索的强力逐渐趋向与某一定值；绳索的强力与绳索的结构和直径

3、有关，通过对节距和直径比值与强力关系研究，发现绳索的节距与直径的比值大于时，绳索强力最佳，这对于实际生产中绳索的结构优化具有重要的意义和作用，可以很好的指导实践；绳索经过次的疲劳拉伸后的强力都高于疲劳前的强力，绳索断裂强力的提高率甚至达到。关键词：纤维；绳索；编织工艺；结构参数；力学性能 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：?（?小 ， 。 。 ：， ， ， ， ： ； 目录 第一章绪论 绳索 绳索发展绳索种类及结构纤维 聚乙烯纤维简介纤维的结构及性能纤维的制备纤维的应用绳索的研究现状研究目的及意义研究内容及解决的主要问题 研究内容主要解决的问题 第二章复丝性能研

4、究 实验仪器与材料复丝的断裂强力 断裂强力测试实验条件复丝强力测试结果及分析复丝蠕变性能 蠕变性能测试实验条件模型选取复丝蠕变性能小结 第三章绳索设计制造与结构分析 实验材料及绳索设计 实验材料实验设备绳索设计绳索编织工艺： 绳索编织工艺流程复丝合股加捻 倒纱编织机的机构及工作原理实验成品绳索的基本参数及参数间的关系绳索的基本性能参数原料复丝和绳索结构参数的关系软件基本介绍节距同直径的关系节距同捻角的关系节距同线密度的关系小结实验仪器及实验条件步骤实验仪器及标准断裂强力测试条件及步骤伸长率测试实验条件及实验步骤蠕变性能实验条件及实验步骤一疲劳性能实验条件及实验步骤绳索强力的结果与分析实验结果与

5、分析不同节距绳索的纤维的强度利用系数节距和直径比值与强力的关系伸长率实验结果及分析蠕变性能测试结果及分析疲劳性能测试的结果及分析小结结论展望学位论文独创性声明学位论文知识产权权属声明第四章绳索的性能研究第五章结论与展望参考文献攻读学位期间的研究成果致谢 第一章绪论 第一章绪论 绳索 绳索发展 绳索属于特种纺织品中的一种，它是指用纤维（天然纤维、化学纤维）或金属丝通过扭或编等方式加强后制成的柔软而且细长的物体，并具有一定的拉伸强度，可用来做连接、牵引的工具【。 绳在我们日常生活中随处可见，在很早以前人类就开始使用绳子。古书有记载“上古无文字，结绳以记事”，说明绳的历史至少在年以上，比文字出现的更

6、早，人类最早是使用细小的树枝、柳枝、蔓草等来制绳的。同时制绳工艺的发展与纺纱工艺的发展有着密切的联系【，考古学家在埃及古墓中发现了用驼、牛和马的毛制成的绳索。中国在多年前开始用树皮制成线使用，到公元前年，开始用大麻纤维制绳。到公元纪元开始时，世界上大多数地区制绳的主要材料均为大麻纤维，此时人们还是用手工来制绳。年，制绳机的发明，标志着人类手工制绳时代的结束，制绳业得到迅速发展及应用。二十世纪五十年代人造纤维、合成纤维实现工业化生产，也被运用于绳索的制造取得了很好的效果。 现在用于制作绳索的材料很多，我们将制绳用的原材料大致可分为三类：植物纤维、合成纤维、金属丝。）植物纤维材料包括：棉、蕉麻、亚

7、麻、黄麻、剑麻、马尼拉麻、椰棕、稻草等。）合成纤维材料包括：聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇等。）金属丝：钢丝。我们日常生活中常用的绳索有麻绳、尼龙绳、涤纶绳、丙纶绳、芳纶绳、高密度聚乙烯绳、高模聚乙烯绳等【】。 绳在市场上的需求量很大，并广泛应用于在国防、民用、体育等多个领域，起着不可或缺的作用。如：“神州号”上的高性能伞绳，为我国载人航天飞行器“神州号”的安全飞行降落起了重要作用，。随着社会的发展人们对绳索的制备、种类、性能等要求也逐渐提高，如在一些特殊场合，不仅要求对绳索生产质量的提高，强度增大，还要求其有耐磨、阻燃、耐酸碱腐蚀等特点。随着化学纤维的发展尤其是高性能纤维的发展，如芳

8、纶纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维的出现，在绳索应用方面发展迅速，受到人们的广泛欢迎，加之高性能纤维能满足渔业、港口船舶、石油勘探、体育用品、航空航天、国防科研等诸多领域对绳索的性能要求，因此的天然纤维绳和钢丝绳将会被逐渐替代，并且不断向高工，月匕匕方向发展【，】。 青岛大学获硕士学位论文 绳索种类及结构 绳索种类按绳索的原材料可分；，：植物纤维绳、合成纤维绳、钢丝绳、混合绳；按绳索的粗细可分为绳（直径为）、索（直径）、缆（）；按截面来分主要有三股、四股、六股、花式股等绳索，具体如图。按结构可分为：拧绞绳、编织绳、编绞绳，如图； 三三嚣蹙磐鞠摄蹙邕菇蠢爱塞、穗跫矧黢 管 圆国 三篓黢网黢氏黢

9、杰黢 图从横截面看绳索结构 三股捻绳管型编绳实心编绳有芯编绳八股编绞绳 图绳索种类 捻绳、编绳、平行纤维绳是绳索的最基本的结构形式，组成绳索的最基本的单元是绳纱，而绳纱可以是单纱、复捻纱或复合捻纱。 捻绳是由三股或更多股绳捻制而成的。捻绳的制造过程：纤维或单丝初捻 第一章绪论 制成绳纱两根或多根绳纱捻成绳股（绳股捻向与绳纱捻向相反）一多根绳股即可捻制后加工为绳索。捻绳按捻合的股数可分为三股绳、四股绳、六股绳等，其中三股绳最为普遍。按捻合的方式可以分为单捻绳、复捻绳、复合捻绳。捻绳的捻向有捻和捻，但通常采用捻，且股捻向同绳捻向相反，绳索的捻度视捻距而定。捻距是绳中的一股沿轴完整的盘绕一圈的起止点

10、间的直线距离【】 编绳是由若干根绳股采用编织或编绞的方式制成的有芯或无芯绳索。其绳股不是以加捻的方式绞合在一起的，而是以一种穿插形式相互交叉在一起的，而绳股本身根据产品需要可以加捻或不捻。编织绳按结构分为：管型编绳和实心编绳和八股编绞绳， ）管形编绳又称圆形编绳，其特点是加捻的绳股在一个方向上是捻，另一方向上则为捻，目的是为使绳索的各绳股间受力均匀。绳中间的空隙随股的数量和细度的增加而增大。同时编绳的股数、股纱根数、股纱细度及绞拉速度影响编绳的紧密程度，如图中的。 ）实芯编绳又称美式编绳，特点是所有绳股的走向相同，或向左或向右，花节行走向呈螺旋状，编织时股与股不仅交叉，而且还加捻。这种结构的绳

11、细绳中央没有空隙，粗绳会有，所以实芯编绳一般仅用于制造细的或中等粗细的绳索，如图中的。 ）编绞绳是由根拧绞的绳股分成组，每组两股平行，其中两组为右搓绳，两组为左搓绳，以字形轨道相对交叉编织制成，如图中的。 编织绳、拧绞绳、编绞绳的各自特点是： ）编织绳：不扭结、不回转、缩水性小。但因绳索内外受力后互不牵扯，拉力不易平衡，故强度不高，且操作多集中在外层，容易被拉断。降落伞绳、救生索、攀登绳、旗杆绳、拉灯绳、包扎绳等都属于编织绳。 ）拧绞绳，加工方便，但在使用时易扭结，延伸率较大，一般用于船舶拖带、起重、装卸和民用等方面。 ）编绞绳，强度高，耐磨性好，延伸率小，不易回转扭结，手感柔软，主要用于高吨

12、位船舶带绳。 纤维 聚乙烯 超高分子量聚乙烯属于聚乙烯的一种。聚乙烯（）是一种典型的结晶型高聚物，由乙烯单体聚合而成。无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能，除有氧化 青岛大学获硕士学位论文 性质的酸外能耐大多数酸碱的侵蚀，化学稳定性好，吸水性小，电绝缘性能优良，但耐热老化性差。聚乙烯的性质因品种而异，主要取决于分子结构和密度。聚乙烯品种多达几百个，按聚乙烯的结构性能可将其分为超低密度聚乙烯、低密度聚乙烯（高压法）、线型低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯（低压法）、低相对分子质量聚乙烯、高相对分子质量高密度聚乙烯、超高相对分子质量聚乙烯，除此之外还有改性聚乙烯（、交联聚乙烯）以及一些

13、乙烯共聚物，常用的有、四大类，。 又称高压聚乙烯，俗称软胶，分子链中含有较多的长短支链，所以结晶度较低（），密度较小（）、质轻、柔性，多数用于吹塑制成薄膜，这种薄膜有良好的透明性和一定的抗拉强度，广泛用作各种食品、衣物、医药、化肥、工业品的包装材料以及农用薄膜等。 结晶度为，密度为分子链具有短支链的结构，其分子结构规整性介于和之间，因此密度和结晶度也介于两者之间，而更接近与。其力学性能优于普通的低密度聚乙烯，主要用于制作薄膜、模塑、管材和电线电缆等，耐刺穿性和刚性较好，且其强度、韧性均优于低密度聚乙烯，透明性较差，但仍稍优于高密度聚乙烯【。 高密度聚乙烯又称低压聚乙烯，俗称硬性软胶，分子中支链

14、少，结晶度高（），密度高（），它比硬，是半结晶材料，成型后收缩率较高，具有较高的使用温度，硬度、力学强度和耐化学药品性较好，适宜作中空制品。如牛奶瓶、电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等【引。 超高分子量聚乙烯（）结晶度（）和密度（），主键很长且互相缠结，结晶度较高，属于线性聚合物，其除具有一般的性能外，还具有突出的耐磨性、低摩擦系数和自润滑性，优良的拉伸强度和极高的冲击强度，化学稳定性和耐疲劳性能优良，同时耐腐蚀和耐环境开裂性能很好【。是继芳纶纤维和碳纤维之后的第三大高性能纤维，的诸多优异性能使得其可应用在多种领域，如可以用来做防弹衣、特种绳索、体育用品、建筑材料和医用高分子材料等【，。

15、 纤维简介 超高分子量聚乙烯纤维（，简称 纤维）又称直链聚乙烯纤维、高强高模聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维，纤维是由平均相对分子质量在万以上的聚乙烯纺制而成【，。 第一章绪论 超高强度聚乙烯纤维是继碳纤维和芳纶之后出现的又一种高强度、高模量的高性能纤维。纤维具有高相对分子质量、高度取向度、高的结晶度以及高度缠结的分子链结构，同时具有密度比水低、化学稳定性好，且耐磨耐弯曲性能好、张力疲劳性能和抗切割性能强等优异的性能，其使得纤维材料具有极优的综合性能，并成为航空航天、防弹防刺等国防领域和汽车制造、运动器材、劳动防护用品等民用领域的理想材料【，】。 纤维是当今拉伸强度最高的纤维，用其制成的绳索具有超高的断裂强力、质量轻能漂浮于水面上、低伸长、高安全和疲劳强度极高等特性。因此纤维在绳索中的应用比较广泛，从航运业的大型船舶和石油业的海上钻井平台等所需的超高强力的系缆和拖缆，到航天、航空、军工和海洋工程等所需的超高载荷但直径细、质量轻的绳索，从渔业的大中型拖网所