聚乙醇酸复丝纱线在受控磨损下接触损伤敏感性的多尺度评估

《Polymer Testing》：Multiscale Evaluation of Contact Damage Sensitivity in Polyglycolic Acid Multifilament Yarns under Controlled Abrasion

　　

受控磨损下聚乙醇酸复丝纱线接触损伤敏感性的多尺度评估。聚乙醇酸纱线在磨损过程中表现出严重的接触损伤；归一化磨损张力使得不同纱线之间能够进行公平比较；磨损削弱了纤维承载结构，而非仅表面缺陷；非晶网络松弛驱动磨损纤维的表面软化；纤维损伤传递至针织物的起球和质量损失。

聚乙醇酸（polyglycolic acid, PGA）复丝纱线在受控磨损下接触损伤敏感性的多尺度评估研究，系统揭示了其相比聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）在纤维、纱线及织物尺度上均显著更高的接触损伤敏感性，并阐明了非晶网络松弛作为核心损伤机制的作用。

一、研究背景与问题

可降解合成聚合物通过提供组织愈合期间的机械支撑和渐进式体内降解，避免二次手术取出，因而广泛用于临时植入式医疗器械。聚乙醇酸（PGA）作为临床验证的可吸收聚酯，已在手术缝合线领域应用数十年，其熔纺纤维强度高，适合构建承重可吸收纺织支架。然而，PGA纺织材料在临床转化中面临一个关键且尚未充分表征的瓶颈——制造过程中的接触损伤。在机织、针织和编织过程中，纤维反复与机器部件及相邻纤维滑动，承受摩擦剪切、轴向张力、循环弯曲和法向接触载荷，导致纤维突出、毛羽增加甚至断裂，严重影响纱线可加工性和最终织物性能。与耐磨性较好的PET复丝纱线相比，PGA复丝纱线表现出更严重的毛羽和更差的可加工性。已有研究多集中于磨损的宏观行为和表面形貌，对于半结晶聚合物纤维而言，磨损形态演化、单纤维力学退化与其内部结晶-非晶承载结构之间的定量关联仍不清楚。因此，该研究采用加速纱线磨损作为受控接触损伤测试，以PET为基准，系统评估PGA的接触损伤敏感性及其多尺度损伤机制。

二、研究内容与结论

研究人员建立了多尺度磨损评估框架，在归一化比磨损张力（specific abrasion-test tension, SAT）下对PGA和PET复丝纱线进行受控磨损，并通过纱线磨损测试、磨损后单纤维拉伸测试、广角X射线衍射（wide-angle X-ray diffraction, WAXD）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）、原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）重复纳米划痕、动态力学分析（dynamic mechanical analysis, DMA）及Martindale磨损测试，表征从纱线、单纤维、表面形貌、内部结晶结构到织物尺度的损伤演化。研究发现，PGA在纤维、纱线和织物尺度上均表现出远高于PET的接触损伤敏感性。其根本原因在于磨损诱导的非晶网络松弛，增强了分子链段活动性，削弱了结晶-非晶间的载荷传递，导致微晶尺寸减小和表面软化。该研究为定义低损伤纺织加工窗口和优化PGA基纺织医用植入物提供了定量的多尺度结构-损伤关系依据。

三、主要关键技术方法

该研究使用的材料包括：中石化上海石化研究院提供的PGA熔纺全拉伸纱（fully drawn yarn, FDY），以及江苏恒力化纤有限公司提供的PET工业丝。主要方法包括：采用纱线全生命周期测试仪（CFLCA100）在SAT为0.05–0.20 cN/dtex下进行100次受控纱线磨损；采用单纤维拉伸测试仪评估磨损后纤维的力学性能；利用WAXD表征结晶度、微晶尺寸和结晶取向；利用SEM观察纤维及织物表面形貌；利用AFM在200 nN法向载荷下进行纳米划痕模拟局部磨损；利用DMA分析纤维的热力学松弛行为；采用Martindale磨损仪（9 kPa，50–200次循环）评估针织物的起球和质量损失。

四、主要研究结果

（一）纱线级磨损响应

通过纱线磨损试验和拉伸测试发现，PGA纱线的毛羽指数随磨损循环增加显著快于PET。在0.20 cN/dtex下磨损100次后，PGA毛羽指数为128.8根/m，而PET仅为16.4根/m。PGA在低SAT下出现负伸长，高SAT下出现正伸长，表明其纤维突出、滑动和断裂过程更为剧烈。磨损后PGA纱线断裂强力下降幅度更大，即使在最低SAT 0.05 cN/dtex下，PGA断裂强力下降44.74%，而PET下降29.76%。这表明PGA纱线具有更低的损伤起始阈值和更高的接触损伤敏感性。

（二）磨损纤维的力学与晶体结构耦合变化

对磨损纱线中提取的单纤维进行拉伸测试，发现PGA纤维的直径、断裂应力、网络关联有效应变硬化模量G′和初始模量E均随SAT增大而显著下降，且低SAT下已出现E和G′的降低，表明磨损不仅造成表面缺陷，更破坏了纤维内部承载结构。WAXD结果显示，磨损后PGA微晶尺寸减小，而结晶取向参数Π变化不大，说明磨损主要引起结晶区局部尺寸或完善度下降，并削弱结晶-非晶间的约束。相比之下，PET纤维的E和G′在磨损后保持相对稳定，仅断裂应力下降，表明其损伤主要来源于表面缺陷和局部薄弱点，而非内部承载结构的整体退化。

（三）与非晶网络松弛相关的表面软化

SEM观察显示，磨损后PGA纤维表面出现涂抹和塑性变形特征，而PET纤维表面主要为尖锐划痕、剥离和原纤化。AFM纳米划痕测试进一步表明，PGA在20次划痕后具有较浅的划痕但更高的堆叠高度，80次后堆叠材料几乎覆盖划痕，显示出显著的塑性流动和表面软化；PET则始终保留清晰的划痕轨迹。DMA结果显示，磨损后PGA的主α松弛峰从约72 °C移至67 °C，tanδ峰增高并变宽，出现约55 °C的低温肩峰，表明非晶网络约束减弱、链段活动性增强。而PET的Tg-DMA升高，tanδ峰变低变窄，主非晶网络保持稳定。这些结果说明，非晶网络松弛是PGA表面软化和塑性流动的内在原因。

（四）纤维损伤向针织物磨损的传递

将PGA和PET纱线在不同比编织张力（specific knitting tension, SKT）下编织成针织物，再进行Martindale磨损测试。结果显示，PGA纤维在编织后E和G′显著下降，表明编织中的拉伸、弯曲、压缩和摩擦已对纤维内部结构造成损伤。磨损后PGA织物表面起毛起球明显比PET严重，脱落碎屑主要为大型球状聚集体，而PET碎屑多为弯曲短纤维束。质量损失测试表明，在最低SKT 0.005 cN/dtex下两种织物质量损失均最大；PGA织物在0.008 cN/dtex时质量损失显著降低，但在0.011 cN/dtex时再次升高，这与高SKT下PGA纤维断裂应力显著下降一致。PET织物在0.008和0.011 cN/dtex下质量损失无显著差异，反映其纤维力学性能稳定。因此，编织诱导的PGA纤维损伤会传递到织物尺度，促进起球和质量损失。

五、讨论与结论

讨论部分指出，非晶网络不稳定是PGA磨损失效的核心机制。磨损增强了PGA非晶区的链段活动性，削弱了结晶-非晶载荷传递，使纤维表面易于软化、塑性流动和划伤，进而导致纱线毛羽增加、强力下降，并在织物尺度表现为起球和质量损失。研究结论可翻译为：该研究建立了多尺度磨损评估框架，在归一化磨损张力下比较PGA和PET复丝纱线的接触损伤敏感性。结果显示，PGA在纤维、纱线和织物尺度上均表现出显著更高的接触损伤敏感性。纤维水平上，磨损以张力依赖方式降低PGA的直径、断裂应力、初始模量E和应变硬化模量G′，证实了表面缺陷之外的内部体积损伤；PET则保持E和G′稳定，损伤限于表面磨损。其根源在于非晶网络松弛：增强的链段移动性削弱结晶-非晶载荷传递并减小微晶尺寸，表现为PGA的Tg下移和tanδ峰变宽，而PET内部结构稳定。纱线水平上，在0.20 cN/dtex下磨损100次后，PGA的毛羽约为PET的8倍，伸长约为PET的3倍；即使在最小张力下，PGA断裂强力下降44.7%，PET下降29.8%，表明PGA损伤起始阈值更低，纤维突出、滑动和断裂加速。织物水平上，编织诱导的PGA纤维损伤转化为Martindale磨损中的严重起毛、起球和质量损失；PET织物相对稳定，证实加工损伤向纺织尺度磨损的传递有限。非晶网络不稳定性是PGA磨损失效的核心机制，为可吸收聚酯医用纺织品的减损策略提供了定量多尺度依据。