高强高模聚乙烯纤维成形机理与工艺研究

【摘要】： 超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有许多卓越的性能，被广泛地应用在工业及一些特殊领域。纺制UHMWPE纤维最为成熟且早已工业化的方法为冻胶纺丝—超拉伸法。本文选用了新的溶剂体系—国产矿物油，通过溶解、冻胶纺丝、溶剂萃取及超拉伸，制备出了性能优良的UHMWPE纤维，并通过各种测试手段对纤维的结构与性能关系进行了较为深入的研究。 制备均匀的UHMWPE溶液是冻胶纺丝的首要任务。UHMWPE的溶解包括溶胀和溶解两个过程，其最佳溶胀温度与溶剂性质有关，且充分溶胀需要一定时间。溶液粘度随PE质量分数的提高或溶液温度的降低而升高，且溶液粘流活化能随PE质量分数的升高而升高。矿物油对UHMWPE的溶解性能比煤油好。 聚乙烯冻胶纤维的萃取机理为纤维溶剂和萃取剂的双扩散。纤维溶剂扩散系数(D)的计算公式为： 双扩散过程中溶剂扩散系数与萃取剂种类和萃取方式有关，并随萃取浴比和萃取浴温度的升高而增加。论文选择超声波萃取方式，并通过D的求取，选择卤代烷烃或二甲苯作为萃取剂。以卤代烷烃为萃取剂时，纤维最佳萃取时间为5.5分钟，最佳干燥温度和时间分别为20℃和3分钟，而以二甲苯为萃取剂时，纤维最佳萃取时间为6分钟，最佳干燥温度和时间分别为25℃和12分钟，两萃取剂最佳萃取浴比均为20毫升／克纤维。UHMWPE冻胶纤维需经多次萃取，才有可能彻底去除冻胶纤维中的溶剂。为防止萃取剂的挥发，可在卤代烷烃上封一层水，而二甲苯可与水配成水包油型乳液作为复合萃取 东华大学博士学位论文 提要 剂，其有效萃取成份为二甲苯。 UHMM/PE冻胶纤维要在张紧状态下萃取干燥，并且要彻底除去 纤维内的溶剂，才能具有超拉伸性。UHMWPE纤维的拉伸速度不宜 太高，拉伸温度存在一最佳范围。多级多段拉伸是纤维获得超拉伸性 的主要手段，各级拉伸温度应逐级上升，且各级拉伸倍数有一最佳范 围。 通过各种测试手段，研究分析了拉伸过程中纤维结构与性能的关 系。结果发现:①纤维力学性能随拉伸倍数的增加而急剧上升，拉伸 大约30倍以后，其上升趋势才稍为变缓;②随拉伸的进行，纤维结 构逐渐变得致密而规整，取向度、结晶度迅速上升，垂直于拉伸方向 上晶粒尺寸逐渐变小，而纤维长周期逐渐增加，拉伸大约30倍后均 趋于平衡;③纤维的松弛DSC图谱上仅有一个吸热峰;而张紧DSC 图谱上有三个吸热峰，其排列顺序为正交晶系的熔融峰、正交晶系向 六方晶系的转变峰和六方晶系的熔融峰;纤维的平衡熔点和熔融热焙 均随拉伸倍数的增加而升高;④随拉伸倍数的增加，纤维中非晶相与 中间相含量下降，而晶相含量增加;⑤高倍拉伸纤维中存在着高度取 向的串晶结构，串晶中伸直链结晶主要由非晶区缚结分子被拉直靠拢 形成，而非折叠链结晶转变而成。 通过紫外辐照交联改性，在纤维力学性能基本不变的情况下，改 善了纤维的耐热性、抗蠕变性和纤维表面的的粘结性能。 本论文的主要创新点为:①选用了新的溶剂一萃取剂体系;②推 导出萃取过程中纤维溶剂扩散系数的计算公式;③提出了纤维中伸直 链结晶主要是由非晶区缚结分子拉伸转变而成的，而非折叠链结晶转 变而成;④通过交联改性，在纤维力学性能基本不变的情况下，改善 了纤维的耐热性、抗蠕变性及纤维表面的粘结性能。