Две одинаковые на первый взгляд верёвки могут оказаться обладателями разных свойств, которые сложно определить на глаз и на ощупь. Так, одна верёвка диаметром 10 мм может рваться при нагрузке в 20 кН, а другая — выдерживать все 50, будучи при этом в два раза легче. Казалось бы, из этих двух вариантов более лёгкая и прочная модель — однозначный фаворит для скалолазов и альпинистов. Увы, не всё так просто.
Обе верёвки способны выдержать падение человеческого тела, но не факт, что создаваемый при этом рывок выдержит само тело. И тут на первый план для скалолаза выходит уже не прочность верёвки, а её способность растягиваться и тем самым гасить энергию рывка. А ещё желательно, чтобы скалолазная верёвка не перетиралась о скалы, не впитывала воду, не старела, была мягкой и удобной в использовании и пр.
Предъявляемых к верёвкам требований существует бесконечное множество. И в зависимости от сферы применения эти требования могут существенно отличаться и даже быть диаметрально противоположными. В скалолазании, как мы выяснили, нужны эластичные верёвки, а вот в парусном спорте, наоборот, суперстатичные. В альпинизме необходим баланс прочности и низкого веса, а в строительных работах и арбористике массой часто пренебрегают, но вот прочностью — никогда. А что является важнейшим параметром для пожарных? Правильно — термостойкость.
Вот потому-то канаты, тросы, шнуры и прочие верёвки и бывают столь разными.
Зависят все эти многочисленные различия от двух глобальных параметров: конструкции верёвки и применяемых для её производства материалов. Оценить влияние первого параметра вы могли из статьи о том,
как производятся верёвки для альпинизма и скалолазания, где мы «кратко» пробежались по отличиям верёвок, созданных по одной из наиболее применяемых конструкций — kernmantle.
В этой же статье мы разбираем типы и характеристики основных синтетических материалов, которые используют при производстве современных верёвок. То есть тех материалов, что не встречаются в природе, а создаются человеком в рамках нефтехимических процессов.
Слева направо: материалы, применяемые для производства верёвок по мере увеличения их прочности. Зелёным выделены натуральные материалы, синим — синтетические. Источник: rope.com
Напомним, что верёвка — это текстильное изделие, и применяемые в лёгкой промышленности материалы обладают очень высокой универсальностью. Вот и полиамид, полиэфир, высокомолекулярный полиэтилен, арамид и другие упомянутые в этой статье материалы активно применяются не только для производства верёвок, но и для множества иных типов снаряжения — от одежды, рюкзаков и палаток до обвязок, строп и парашютных крыльев.
Чтобы обосновать столь широкий круг применения, а также получить возможность сопоставлять различные материалы между собой, эта статья начнётся с главы о классификации текстильных материалов и их характеристиках, продолжится детальным разбором этих самых материалов и вычленением свойств конкретных представителей, а закончится большой сводной таблицей, ёмко аккумулирующей полученные знания. Что, надеюсь, будет полезно не только фанатам верёвок.
Классификация и структура полимеров, применяемых для производства верёвок
Итак, мы уже знаем, что текстильные волокна по своему происхождению делятся на
натуральные
и
химические
. При этом и те и другие с молекулярной точки зрения являются полимерами — то есть веществами, состоящими из множества повторяющихся структурных звеньев (мономеров), соединённых в длинную цепь. Кожа, шерсть, хлопок, различные белки и даже ДНК — всё это примеры природных полимеров. Полиамид, полиэфир, полиэтилен, полипропилен — синтетические полимеры, из которых и производится большинство современных верёвок.
Молекулярная модель полиэтилентерефталата (PET) — полимера из класса полиэфиров (англ. polyester, PES), из которого производятся полиэфирные (полиэстеровые) волокна и соответствующие верёвки.
Химическая формула — (C10H8O4)n. Источник: wikipedia.org
Химическая формула — (C10H8O4)n. Источник: wikipedia.org
Важно понимать, что и полиамид, и полиэфир, и многие другие наименования представляют собой не конкретные материалы, а целые классы материалов, среди которых существуют свои типы, подтипы, марки и фирменные наименования. Например, если брать полиамиды, то в контексте верёвок речь обычно идёт о марках «Нейлон 6» и «Нейлон 6.6». Они хоть и не радикально отличаются, но всё же обладают различными физическими и химическими свойствами. К сожалению, подобные нюансы в большинстве неспециализированных материалов и в каталогах производителей опускаются, что усложняет сопоставление верёвок и затрудняет выявление подлинных причин различий между ними.
Основные полимеры и их торговые марки, применяемые для производства верёвок
| Класс | Тип | Представители | Краткое наименование | Торговые марки |
|---|---|---|---|---|
| Полиамиды | Алифатические полиамиды | Полиамид 6, он же Нейлон 6 | PA | Капрон®, Perlon® Caprolan®, Amilan™, Akulon®, Grilon® и др. |
| Полиамид 66, он же Нейлон 66 / Нейлон 6.6 | https://www.celanese.com/products/nylon-compounds-ecomid-frianyl-celanyl/zytel-paZytel®, Torzen®, Radilon®, Vydyne®, Ertalon™ и др. | |||
| Ароматические полиамиды | Пара-арамиды | Aramid / PPTA | Kevlar®, Technora®, Twaron® | |
| Полиэфиры | Алифатические-ароматические полиэфиры | Полиэтилентерефталат | PET / PES | Лавсан®, Terylene®, Dacron®, Diolen®, Rynite® и др. |
| Ароматические полиэфиры | Полиариаты или жидкокристаллические полимеры | PAR / LCP | Vectran® | |
| Полиолефины | Алифатические полиолефины | Полипропилен | PP | Moplen®, Hostalen PP®, Adstif®, Repol®, ExxonMobil™ PP и др. |
| Полиэтилен | PE | Lupolen®, Hostalen®, ExxonMobil™ PE, Sabic® PE и др. | ||
| Сверхвысокомолекулярный или высокомодульный полиэтилен | UHMWPE / HMPE / HPPE | Dyneema®, Spectra®, Stealth Fibre® | ||
| Жесткоцепные ароматические гетероциклические полимеры | Полибензоксазолы | PBO | Zylon® | |
Структура полимерных волокон
Чтобы изготовить верёвку из какого-либо из перечисленных полимеров, тот необходимо сначала синтезировать, а затем из полученного вещества сформировать волокно, то есть тонкую непрядёную нить.
Слева-направо: химическая, молекулярная и фибриллярная структуры пара-арамидного волокна. Источник: Development in Additive Methods in Aramid Fiber Surface Modification to Increase Fiber-Matrix Adhesion: A Review, 2020
Структуру получаемого полимерного волокна характеризуют три параметра:
- Степень полимеризации (англ. degree of polymerization). Длина молекулярной цепи, выраженная числом мономеров в молекуле полимера.
- Степень упорядоченности (degree of order). Соотношение между кристаллическими (упорядоченно расположенными) и аморфными (хаотично расположенными) областями в структуре полимера.
- Степень ориентации (degree of orientation). Уровень выравнивания молекулярных цепей полимера вдоль определённого направления.
Источник: Engineering Textiles: Integrating the Design and Manufacture of Textile Products, 2009
Эти же параметры определяют и качественные характеристики рассматриваемых материалов. Например, высокая степень упорядоченности и ориентации полимерного волокна способствует увеличению его прочности, модуля упругости, а также повышает химическую и термическую стойкость.
При необходимости улучшения характеристик базового полимерного материала или получаемых из него волокон их модифицируют с помощью термической обработки, механической обработки, введения различных добавок и иными способами.
Сравнение молекулярной структуры обычного (PE) и высокомодульного (HMPE) полиэтилена, полученного методом гель-формирования. Уровень параллельности в ориентации линейных молекул HMPE может превышать 95%, а степень кристалличности доходить до 85%, что и обуславливает его высокие прочностные характеристики. Источник: Engineering Textiles: Integrating the Design and Manufacture of Textile Products, 2009
В зависимости от качества сырья, методов производства, способов обработки и ряда других условий, из одной марки полимера может производиться большое количество разнообразных материалов. Исходя из характерных свойств последних, их делят по группам, добавляя к наименованию полимера ту или иную приставку, например HT (high tenacity — высокопрочный), HM (high modulus — высокомодульный), HD (high density — высокой плотности), LD (low density — низкой плотности), и т.д. Так из просто полиэтилена (PE) получаются LDPE, HDPE, HMPE и пр.
Но на этом различия не заканчиваются. Ведь волокна и нити, получаемые от каждой из этих групп полимеров, могут, в свою очередь, различаться по толщине, состоять из различного количества микроволокон и иметь другие особенности. Это, разумеется, будет оказывать влияние на характеристики готовых шнуров и верёвок.
Поэтому когда речь заходит о свойствах текстильных материалов, есть два пути. Или говорить о каждой категории материалов в широком смысле, учитывая, что их свойства и характеристики будут колебаться в весьма широких диапазонах... Или переходить к конкретике, указывая тип полимера, торговую марку производителя и линейную плотность каждого отдельно взятого волокна или нити. Например, так: материал — HMPE, торговая марка — Dyneema®, фирменное наименование — SK 75, линейная плотность — 1500 дтекс.
Многообразие фирменных наименований и свойств высокомодульного полиэтилена бренда Dyneema®, где type — тип (марка), titer — линейная плотность, filaments — количество микроволокон в единице волокна, tenacity — удельная прочность (cN/dtex, g/den) / предел прочности (GPa), modulus — модуль упругости, elongation at break (%) — растяжение при разрыве. Источник: eurofibers.com
Разнообразие фирменных наименований текстильных волокон и их характеристик может быть велико даже в рамках одного бренда. А учитывая количество существующих брендов, не стоит удивляться тому, как в различных источниках, казалось бы, одному и тому же материалу приписываются различные параметры. Эту путаницу усугубляет ещё и появление новых, более совершенных марок волокна, в то время как старые снимаются с производства. А вот потерявшая актуальность информация не корректируется.
Именно по причине крайней трудоёмкости поиска точных и актуальных данных для каждой марки материала в данной статье будут приведены преимущественно усредненные либо наиболее часто встречающиеся в открытых источниках значения тех или иных параметров. И если не указано иное, приведённые здесь значения актуальны только для новых волокон, протестированных при температуре +23 °С, относительной влажности воздуха ~ 65% и т.д.
Если вам стало интересно, как текстильные волокна превращаются в прекрасную верёвку, прочитайте статью
«Как производят верёвку для альпинизма и скалолазания».
Гранулы полиамида → катушка с волокном/нитями → готовая верёвка. Источник фото: mountainequipment.com
Характеристики текстильных материалов
Каждый текстильный материал обладает определёнными физико-механическими и химическими характеристиками, что определяет свойства и область применения получаемых из этого материала продуктов в целом и верёвок в частности. К ним относятся: плотность, удельная плотность, линейная плотность, предел прочности, удельная прочность, усталостная прочность и удлинение.
Плотность
Рассматриваемые далее плотность, удельная плотность и линейная плотность, несмотря на объединяющий их корень, характеризуют совершенно разные свойства материалов. Чёткое разделение этих понятий необходимо для ясного понимания различий как между самими материалами, так и верёвками, из них получаемыми.
Плотность
Плотность (англ. density) — это отношение массы вещества к занимаемому им объёму. Измеряется в кг/м³ или г/см³. Чем больше плотность, тем тяжелее материал при том же объёме. Как следствие, чем больше плотность материала, тем тяжелее получается верёвка при том же диаметре, длине и конструкции.
Удельная плотность
Удельная плотность (англ. specific gravity) или относительная плотность (англ. Relative density) — это безразмерная величина, вычисляемая как отношение плотности конкретного материала к плотности пресной воды при температуре 4 °C (1 г/см³) и показывающая, будет ли материал плавать или тонуть в воде. Если удельная плотность материала меньше 1, то он будет держаться на поверхности воды, а если больше 1 — тонуть.
Зачастую удельную плотность (безразмерную величину) или плотность (измеряемую в кг/м³) путают с удельным весом (H/м³ или кгс/м³). Последний равен произведению плотности вещества на ускорение свободного падения и для характеристики текстильных материалов не применяется. Путаница возникает из-за того, что удельный вес, выраженный в кгс/м³, численно совпадает и с плотностью, и с удельной плотностью.
| Материал | PA (66) | PES (PET) | PP | PE | HMPE | Aramid | LCP | PBO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Плотность* (г/см³) | 1,14 | 1,38 | 0,91 | 0,94 | 0,97 | 1,45 | 1,41 | 1,56 |
| Удельная плотность | 1,14 (тонет) | 1,38 (тонет) | 0,91 (плавает) | 0,94 (плавает) | 0,97 (плавает) | 1,45 (тонет) | 1,41 (тонет) | 1,56 (тонет) |
*Плотность разных марок одного материала может варьироваться в пределах нескольких десятых долей. Например, плотность материала PBO марки ZYLON® AS составляет 1,54 г/см³, а марки ZYLON® HM — 1,56 г/см³.
Удельная плотность у полипропилена — 0,91, а у полиэтилена — 0,94, что позволяет вёревкам из этих материалов держаться на поверхности воды. Это делает их незаменимыми в качестве спасконцов на бурной воде и буксировочных верёвок для водных видов спорта. Источник: voyageurtripper.com
Линейная плотность
1 ден = 1/9 текс ~ 0,00000011 кг/м.
Линейная плотность различных марок высокомодульного полиэтилена (HMPE) бренда Dyneema®, измеренная в децитексах и денье. От линейной плотности материала зависит и сфера его применения. Марки с малым показателем линейной плотности (fine) чаще используются для производства нитей и лесок, дайнима средней толщины (medium) лучше подходит для плетёных и вязаных изделий, а самые толстые нити (coarse) — для производства верёвок и сеток. Источник: dyneema.com
Прочность
Прочность — это свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок.
В качестве основных характеристик прочности рассматриваемых нами текстильных материалов выступают:
- предел прочности при растяжении,
- удельная прочность или относительная разрывная нагрузка,
- усталостная прочность.
Привычная же для многих пользователей верёвок
минимальная разрывная нагрузка
, будучи
экстенсивной величиной
, в рассматриваемом контексте не используется.
Предел прочности
Если коротко, предел прочности (ultimate tensile strength) — это механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала.
А механическое напряжение (stress) — это физическая величина, характеризующая внутренние (межмолекулярные) силы, возникающие в материале под действием внешней нагрузки. Определяется как отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения материала. Единицей измерения напряжения в Международной системе единиц (СИ) выступает паскаль (Па), где 1 Па = 1 H/м², а в английской системе — фунт-силы на квадратный дюйм (psi, pounds per square inch). Основным же типом напряжения (в нашем случае) выступает «напряжение при растяжении».
Различные аппараты для испытаний прочности волокон и нитей на растяжение. Источник: zwickroell.com
Таким образом, в рассматриваемом нами контексте предел прочности — это характеристика материала, указывающая на предельное значение механического напряжения, при превышении которого материал начинает разрушаться при испытаниях на растяжение. На практике это означает, что:
Чем выше предел прочности материала, тем большую нагрузку выдержит верёвка при прочих равных условиях.
То есть если взять две верёвки одинаковой конструкции и одного диаметра, но выполненные из разных материалов, а затем протестировать их в одинаковых условиях, то большую нагрузку выдержит та верёвка, материал которой обладает большим пределом прочности. Отсюда и другой вывод: из двух верёвок одинаковой конструкции и выдерживающих одинаковую нагрузку, тоньше будет та верёвка, материал которой обладает большим пределом прочности.
Поскольку предел прочности рассматриваемых материалов может легко превышать миллион паскалей, то наиболее частыми единицами измерения на деле будут выступать мегапаскали (МПа = 10⁶ Па), гигапаскали (ГПа = 109 Па), а также деканьютоны на квадратный миллиметр (даН/мм² = 10⁷ Па).
Кривая зависимости «напряжение (вертикальная ось) — деформация (горизонтальная ось)» для некоторых марок полипропиленовых волокон (PP). Верхняя точка, после которой кривая обрывается, и есть предел прочности. Источник: Dynamic Single-Fiber Pull-Out of Polypropylene Fibers Produced with Different Mechanical and Surface Properties for Concrete Reinforcement, 2021
Для тех, кто запутался: нагрузка — это сила, прикладываемая к нити во время её растяжения; измеряется в ньютонах (Н). Напряжение — это то, как эта сила воспринимается материалом, из которого сделана нить; измеряется в паскалях (Па). Предел прочности — это универсальный показатель, позволяющий сравнивать максимальную прочность материалов независимо от их толщины. Если мы возьмём две нити одного материала, но разного диаметра и нагрузим, то есть растянем их с одинаковой силой, то более тонкая нить с меньшей площадью сечения испытает пропорционально большее напряжение, чем более толстая нить. Однако предел прочности для обеих нитей является одинаковым, так как он не зависит от их толщины, а определяется особенностями материала. Поэтому, чтобы порвать каждую из нитей, потребуется разная нагрузка, но одинаковое напряжение.
Удельная прочность и относительная разрывная нагрузка
Удельная прочность (англ. specific strength) — это отношение предела прочности материала к его плотности.
Смысл данного показателя заключается в том, что он даёт возможность сравнивать прочность волокон и нитей из разных материалов относительно их массы, то есть оценивать их «весовую выгодность». Таким образом,
Чем выше удельная прочность материала, тем большую нагрузку сможет выдержать верёвка при той же массе.
То есть из двух верёвок одинаковой конструкции и выдерживающих одинаковую нагрузку, легче будет та верёвка, материал которой обладает большей удельной прочностью.
Но есть нюанс. Из-за возможных неоднородностей в структуре и поперечном сечении некоторых текстильных волокон такие параметры как предельная прочность и удельная прочность могут быть не до конца точны. Поэтому в рассматриваемом контексте вместо них часто используется показатель относительной разрывной нагрузки (англ. tenacity), который представляет собой отношение разрывной нагрузки конкретного волокна к его линейной плотности. Единицами измерения в этом случае выступают ньютоны на текс (Н/текс), сантиньютоны на децитекс (сН/дтекс), грамм-силы на денье (гс/ден) и другие производные единицы.
| Материал | Предел прочности | Относительная разрывная нагрузка | |||
| ГПа | даН/мм² | Н/текс | сН/дтекс | гс/ден | |
| PA (6/66)* | 0,7–1 | 70–100 | 0,6–0,9 | 6–9 | 7–10 |
| PES (PET) | 0,9–1,1 | 90–110 | 0,6–0,8 | 6–8,5 | 7–9,5 |
| PP | 0,2–0,5 | 22–55 | 0,2–0,6 | 2–6 | 3–7 -9 |
| PE (HDPE) | 0,3–0,6 | 30–65 | 0,3–0,7 | 3–7 -5 |
4–8 |
| HMPE | 1,6–4,1 | 160–410 | 1,7–4,3 | 17–43 | 19–48 |
| Aramid* | 2,7–3,6 | 270–360 | 1,9–2,5 | 20–25 | 22–28 |
| LCP | 3–3,2 | 300–320 | 2,2–2,3 | 22–23 | 25–27 |
| PBO* | 5,8 | 580 | 3,7 | 37 | 42 |
Предел прочности и относительная разрывная нагрузка волокон основных материалов, применяемых для изготовления синтетических верёвок
1 ГПа = 1000 МПа = 1000 Н/мм² = 100 даН/мм²;
1 Н/текс эквивалентен 1 ГПa / плотность материала (г/см³).
1 Н/текс = 100 сН/текс = 10 сН/дтекс ≈ 11.33 гс/ден;
1 Н/текс эквивалентен 1 ГПa / плотность материала (г/см³).
1 Н/текс = 100 сН/текс = 10 сН/дтекс ≈ 11.33 гс/ден;
В этой и последующих таблицах приведены наиболее распространённые, но далеко не предельные значения характеристик для классических полимерных материалов: PA, PET, PP и PE. Дело в том, что как существует обычный полиэтилен (PE) и радикально отличающийся от него по свойствам высокомодульный полиэтилен (HMPE), так и у полиамидных, полиэфирных и полипропиленовых волокон существуют разновидности и модификации с куда более выдающимися эксплуатационными характеристиками: высокопрочные, высокомодульные, высокомолекулярные, гибридные и т.д.
Для рядовых пользователей, изучающих свойства текстильных материалов, важны не столько абсолютные значения тех или иных характеристик, сколько то, как по этим характеристикам рассматриваемые материалы соотносятся друг с другом.
Так, например, глядя на предыдущую таблицу, несложно заметить, что полиамид (PA) лишь незначительно уступает по пределу прочности полиэфиру (PES). Но при этом оба они в 3-4 раза проигрывают по этому же параметру арамиду и высокомодульному полиэтилену (HMPE) и до 6 раз PBO. И если я, условный пользователь, хочу выбрать себе верёвку с максимальной прочностью при минимальном диаметре, то выбор очевиден. Однако если ключевым критерием является не прочность, а, например, масса конечного изделия, то тут уже есть о чём подумать. Ведь по показателю относительной разрывной нагрузки PBO уступает некоторым маркам HMPE, не говоря уже о том, что последние ещё и куда дешевле... Хорошо, что для подобных сравнений существуют наглядные графики!
Соотношение удельной прочности (вертикальная ось, Н/текс) и предела прочности (горизонтальная ось, ГПа) различных материалов. Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Усталостная прочность
Усталостная прочность (fatigue strength) — это способность материала выдерживать изменяющиеся и циклические нагрузки, противостоя появлению и накоплению микроповреждений, способных приводить к его усталостному разрушению. Опасность усталостного разрушения заключается в том, что материал может разрушаться значительно ниже его предела прочности, а верёвка — рваться при нагрузках значительно ниже разрывных. Особенно актуален параметр усталостной прочности, например, в слэклайне и судовом такелаже, где верёвки и стропы могут находиться под высоким переменным напряжением в течение часов, месяцев и даже лет.
Усталостная прочность текстильных материалов зависит не только от свойств самих материалов и условий внешней среды, но и от характера нагрузки, а именно величины напряжения, её амплитуды, скорости изменения и частоты колебаний.
Источник: clipperroundtheworld.com
Что примечательно, в отличие от ряда металлов и сплавов, текстильные материалы не имеют чёткого уровня напряжения, ниже которого материал теоретически может выдерживать бесконечное число циклов нагрузки без разрушения. Таким образом, все текстильные материалы и получаемые из них верёвки неизбежно «устают» по мере использования, даже если прикладываемые к ним нагрузки кажутся несущественными. Вследствие этого главной характеристикой усталостной прочности волокон и нитей является усталостная долговечность, то есть количество циклов, которое материал может выдержать при заданной нагрузке на растяжение (tension / tensile fatigue life), изгиб (flexural / bending fatigue life), кручение (torsional fatigue life) и т.д.
Сравнение усталостной долговечности некоторых материалов при циклических нагрузках на изгиб. Измерения проводили на аппарате типа Folding Endurance Tester при относительной нагрузке 0,4 гс/ден и изгибе в 270°. Число циклов до разрушения материала указано на вертикальной оси (вплоть до 10⁷). Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Усталостная прочность отдельных волокон может кардинально отличаться от усталостной прочности готовых верёвок из того же материала. Любая верёвка представляет собой совокупность прядей, нитей и волокон, переплетённых и перекрученных между собой. Все элементы этой конструкции во время циклических нагрузок испытывают повышенное трение друг о друга, которое со временем становится причиной их износа, а в конечном итоге и усталостного разрушения всей верёвки.
Степень и скорость такого внутреннего износа зависит от типа нагрузки, испытываемой верёвкой и свойств самого материала. Например, материалы с жёсткими полимерными цепями и высоким коэффициентом трения, к числу которых относятся в первую очередь арамиды, а также LCP и PBO, более подвержены механическим повреждениям вследствие трения, чем гибкоцепные полиамиды (PA), полиэфиры (PES) и высокомодульные полиэтилены (HMPE). Зато последние ввиду низкой термостойкости в значительной степени страдают от нагрева и оплавления, идущего рука об руку с трением. При испытаниях усталостной прочности отдельно взятых волокон, их внутреннее трение может быть несопоставимо с тем, что происходит в рамках конструкции верёвок. А значит, некоторые материалы в лабораторных тестах могут показывать себя существенно лучше, чем готовые изделия из тех же материалов на практике.
Кривая усталости (кривая Веллера) для мокрых верёвок, выполненных из различных материалов. На вертикальной оси указывается диапазон нагрузок на растяжение в процентах от минимальной разрывной (MBL), на горизонтальной — число циклов до разрушения, вплоть до 10⁸. Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Упругость
Упругость или эластичность (elasticity) — это свойство материала испытывать упругие (обратимые) деформации. Иначе говоря, это способность материала возвращаться к своей изначальной форме и размерам после снятия нагрузки.
Основными параметрами, характеризующими упругость текстильных материалов, являются:
- Модуль упругости (Юнга);
- Удельный модуль упругости.
Не стоит путать упругость и жёсткость! Упругость — это свойство самого материала, характеризуемое модулем упругости — интенсивной величиной. А вот жёсткость — это свойство конкретного изделия, зависящее не только от упругости материала, но и от размеров и формы самой конструкции. Она выражается экстенсивной величиной, называемой коэффициентом жёсткости.
Модуль упругости (Юнга)
Модуль упругости (elastic modulus или просто modulus) — это физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться
упругой деформации
при приложении к нему нагрузки.
Модули упругости бывают разные, но нас интересует в первую очередь модуль Юнга (Young's modulus), он же модуль продольной упругости (tensile modulus), что характеризует сопротивление волокон и нитей конкретно растяжению/сжатию. Определяется модуль Юнга как отношение напряжения к деформации (удлинению), а измеряется чаще всего в мегапаскалях (МПа) и гигапаскалях (ГПа).
Как и предел прочности, модуль Юнга является интенсивной характеристикой, определяемой свойствами самого материала. Следовательно, для нитей и волокон, сделанных из одного и того же материала, при одинаковом напряжении (не путать с нагрузкой!) степень деформации будет идентичной независимо от их диаметра.
Чем выше модуль Юнга материала, тем меньше будет растягиваться верёвка при той же нагрузке.
Другими словами, из двух верёвок одинаковой конструкции, находящихся под одинаковой нагрузкой, меньше растягиваться и при этом легче будет та, чей материал обладает большим удельным модулем упругости.
Удельный модуль упругости
Удельный модуль упругости (specific modulus) — это отношение модуля упругости (Юнга) материала к его плотности или, в случае текстильных материалов, его линейной плотности (specific tensile modulus). Измеряется в Н/текс или гс/ден. Данный показатель отражает степень упругой деформации текстильных волокон относительно их массы. А значит,
Чем выше удельный модуль упругости материала, тем меньше будет растягиваться верёвка при той же массе
Другими словами, из двух верёвок одинаковой конструкции, находящихся под одинаковой нагрузкой, меньше растягиваться и при этом легче будет та, чей материал обладает большим удельным модулем упругости.
Соотношение удельной прочности (вертикальная ось) и удельного модуля упругости (горизонтальная ось) различных материалов. Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Удлинение
Удлинение (elongation) в контексте текстильных материалов — это параметр, характеризующий степень растяжения волокон или нитей под нагрузкой, а также являющийся мерой их способности поглощать энергию. Верёвки, выполненные из материалов с высоким показателем удлинения, способны растягиваться сильнее и поглощать больше энергии при динамических нагрузках, тогда как модели с низким показателем удлинения будут лучше держать форму и резче реагировать на создаваемые нагрузки.
Удлинение бывает абсолютным и относительным. Абсолютное удлинение отражает изменение длины в единицах длины, тогда как относительное удлинение определяет, насколько растянулся материал относительно своей первоначальной длины в процентах (%).
Степень удлинения текстильных материалов зависит от:
- Структуры полимерного волокна и присущих ему свойств, в частности соотношения предела прочности, модуля упругости и пластичности — способности материала получать большие остаточные деформации без разрушения;
- Степени нагрузки и скорости её приложения;
- Условий внешней среды: влажности, температуры и т.д.
Кривая зависимости между удельной прочностью (вертикальная ось, Н/текс) и относительным удлинением (горизонтальная ось, %) различных материалов. Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Частным случаем удлинения, активно применяемым для сравнения различных текстильных материалов между собой, выступает удлинение при разрыве.
Удлинение при разрыве
Удлинение при разрыве (англ. elongation at break) отражает степень относительного удлинения текстильного материала при достижении предельной (разрывной) нагрузки. Говоря проще, этот показатель демонстрирует, насколько может растянуться волокно, нить или верёвка перед разрывом.
Чем выше показатель удлинения под нагрузкой, тем эффективнее материал поглощает энергию, снижая воздействие нагрузок и предотвращая разрушение верёвки при резких рывках.
Удлинение при разрыве волокон некоторых синтетических материалов, применяемых для изготовления верёвок. Источник: samsonrope.com
Для детального анализа удлинения, упругости и прочности текстильных материалов, а также сопоставления их между собой используется диаграмма деформирования — графическое изображение зависимости между напряжениями (нагрузками) и деформациями (удлинением/сжатием) материала.
Пример диаграммы деформирования текстильных волокон. Вертикальная ось отвечает за нагрузку (англ. load), горизонтальная — за удлинение (elongation). Удлинению при разрыве (breaking elongation) закономерно соответствует крайняя правая точка на горизонтали. Точка на кривой под названием «предел упругости» (yield point) обозначает нагрузку, при превышении которой материал начинает испытывать уже пластические, то есть необратимые деформации. Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Важно понимать, что высокий модуль упругости и низкая степень удлинения при разрыве не всегда являются целью и показателями качества материалов, применяемых для изготовления верёвок. Так, например, в скалолазании, альпинизме, слэклайне и роупджампинге, наоборот, часто требуются именно эластичные верёвки и стропы, способные за счет своего растяжения эффективно гасить энергию возникающих там рывков. Именно поэтому нейлон, будучи одним из самых эластичных материалов, настолько востребован в этих дисциплинах.
Удлинение верёвок зависит не только от способности к удлинению материала, из которого они изготовлены, но и от их конструкции. Например, 3-прядная кручёная верёвка будет демонстрировать большее удлинение по сравнению с 12-прядной плетёной верёвкой из того же материала. Из двух верёвок кручёной конструкции сильнее растягиваться будет та, у которой на единицу длины приходится большее количество витков. Чем лучше волокна верёвки выровнены по отношению к прилагаемой нагрузке (менее закручены), тем меньше её «конструктивное» удлинение.
Благодаря эластичности нейлона и особой конструкции сделанных из него динамических альпинистских верёвок, подобный срыв не сказывается ни на здоровье человека, ни на целостности верёвки. Источник: HardIsEasy
Международные стандарты, применяемые для оценки прочности, модуля упругости и удлинения волокон и нитей синтетических полимерных материалов.
Стандарты Международной организации по стандартизации:
- ISO 5079 Textile fibres — Determination of breaking force and elongation at break of individual fibres,
- ISO 2062 Textiles — Yarns from packages — Determination of single-end breaking force and elongation at break using constant rate of extension (CRE) tester и его российская адаптация — ГОСТ ISO 2062-2014.
Стандарты Американского общества по испытаниям и материалам:
- ASTM D3822 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers,
- ASTM D2256 Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method,
- ASTM D7269 Standard Test Methods for Tensile Testing of Aramid Yarns,
- ASTM D3217 Standard Test Methods for Breaking Tenacity of Manufactured Textile Fibers in Loop or Knot Configurations,
- ASTM C1557 Standard Test Method for Tensile Strength and Young’s Modulus of Fibers.
Европейские стандарты:
- EN 13895 Textiles — Monofilaments — Determination of tensile properties,
- EN 14621 Textiles — Multifilament yarns — Methods of test for textured or non-textured filament yarns,
- EN 13003 Para-aramid fibre filament yarns, равно ГОСТ 33842-2016,
- EN 12562 Para-aramid multifilament yarns — Test methods.
Ползучесть
Ползучесть (creep) — это медленное и необратимое удлинение материала, происходящее с течением времени под действием постоянной нагрузки. В том числе относительно небольшой нагрузки, находящейся в пределах упругости материала.
Феномен ползучести обусловлен постепенной перестройкой молекулярных цепей и межмолекулярных связей материала под действием постоянной нагрузки. Скорость протекания данного процесса зависит как от свойств самого материала, так и от степени нагрузки, времени её воздействия, а также температуры.
Низкий уровень ползучести или, по-другому, высокая степень сопротивления ползучести особенно важны в судовом такелаже и системах швартовки плавучих нефтяных платформ и ветряных турбин, а также в других областях, где верёвки, канаты и тросы должны сохранять стабильную длину при длительных — вплоть до десятков лет — статических нагрузках.
Полиэстеровая верёвка солидного диаметра для глубоководных швартовых систем. Источник: maritimedevelopments.com
Ползучесть описывается кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Её условно делят на три участка, обозначающие три стадии ползучести:
- Стадия I — неустановившаяся ползучесть (англ. primary creep): характеризуется изначально высокой, но быстро уменьшающейся скоростью деформации.
- Стадия II — установившаяся ползучесть (secondary creep): наиболее продолжительная стадия, в течение которой скорость деформации остаётся постоянной.
- Стадия III — ускоренная ползучесть (tertiary creep): скорость деформации быстро увеличивается, что в конечном итоге приводит к разрушению материала.
Кривая ползучести арамидной нити марки Kevlar® 29. Испытание проходило под напряжением 2.1 ГПа, что составило 85% от предела прочности нити (2,48 ГПа). Источник: Fatigue and creep of high-performance fibers — Deformation mechanics and failure criteria, 2008.
Как правило, ползучесть начинает оказывать значительное влияние на состояние большинства верёвок только через годы их непрерывного использования. Например, верёвка из волокна Dyneema® марки SK 78, использовавшаяся для швартовки мобильной буровой установки в течение 5 лет при постоянной нагрузке в 20% от разрывной (MBL) и температуре 16 °C, удлинилась вследствие ползучести на 1,7%. При этом её прогнозируемый срок службы в таких условиях составляет 17 лет.
Этот пример показывает, что для проведения реальных испытаний ползучести даже небольшой части существующих материалов, с учетом множества всевозможных факторов, потребовались бы огромные финансовые и временные ресурсы. Поэтому тесты на ползучесть обычно проводятся в ускоренном режиме — при повышенных нагрузках и температурах, после чего полученные данные экстраполируются с помощью специальных математических моделей на стандартные условия эксплуатации.
Сравнение ползучести различных марок волокон высокомодульного полиэтилена (HMPE) брендов Spectra® и Dyneema® после ускоренных испытаний с напряжением 300 МПа при температуре 70 °C. По вертикальной оси — степень относительного удлинения, по горизонтальной — количество дней до полного разрушения. Источник: Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres, Second Edition by A.R. Bunsell, 2018.
Характеристики деформируемости полимерных материалов, применяемых для изготовления синтетических верёвок:
| Материал | Модуль упругости (Юнга) | Удельный модуль упругости | Удлинение при разрыве | Сопротивление ползучести | |
| ГПа | Н/текс | гс/ден | % | ||
| PA (6 / 66) | 0,6–3,5 | 0,5–3,1 | 6–35 | 15–28 * | низкое–среднее |
| PES (PET) | 2–4 | 1,5–2,9 | 17–33 | 8–20 | высокое |
| PP | 0,5–1,7 0,5–3,0 |
0,6–1,9 | 6–21 | 15–25 | среднее |
| PE (HDPE) | 0,3–1,3 0,2–5 |
0,3–1,4 | 4–16 | 15–30 | низкое–среднее |
| HMPE | 34–155 | 35–160 | 400–1800 | 3–4 | среднее–отличное |
| Aramid | 60–150 | 41–103 | 460–1170 | 2,2–4,6 | отличное |
| LCP | 52–103 | 37–73 | 420–830 | 2,8–3,8 | превосходное |
| PBO | 180–270 | 115–172 | 1300–1950 | 2,5–3,5 | превосходное |
1 ГПа = 1000 МПа = 1000 Н/мм² = 100 даН/мм²;
1 Н/текс эквивалентен 1 ГПa / плотность материала (г/см³).
1 Н/текс = 100 сН/текс = 10 сН/дтекс ≈ 11.33 гс/ден;
1 Н/текс эквивалентен 1 ГПa / плотность материала (г/см³).
1 Н/текс = 100 сН/текс = 10 сН/дтекс ≈ 11.33 гс/ден;
* Удлинение некоторых материалов может увеличиваться под воздействием влаги. Особенно это касается нейлона, который, будучи мокрым, растягивается до двух раз сильнее. Причины этого явления подробно разобраны в статье «Влияние воды на свойства динамических верёвок». Кроме того, удлинение абсолютно всех рассматриваемых материалов зависит от температуры (пусть и в разной степени) и повышается по мере её роста.
Мне нравится
