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柔性高性能纤维的光热稳定性研究

刘晓艳  
【摘要】:高性能纤维材料以其高强、高模、耐高温特性广泛应用于航空、航天、军事、体育和其它各种安全防护方面,但这只是相对普通高聚物纤维而言。其纤维自身的极限,相互间的对比,以及在光、热辐射,水解及其复合状态下的行为与变化特征,并不明确,而往往以一个“高性能”冠之。事实上,要达到真正的安全、可靠使用,避免过多的冗余设计,寻求改善其不足之处的途径,是这类高性能纤维性能评价中所亟待解决的问题。 论文中对8种高性能纤维(Kevlar~(?)29,Kevlar~(?)49,Kevlar~(?)129,Twaron~(?)2000,Terlon~(?),Kermel~(?),PBO和UHMW-PE)材料的热重分析TG表明:①各类温度指标(开始分解温度T_i、质量变化速率最大点的温度T_p和半寿温度T_(1/2))在空气和氮气两种气氛条件下的排列顺序一样;②本文提出的综合性温度指标与各类温度指标对照,结果一致,即PBO纤维耐高温性最好,其次是Terlon~(?),然后是其它几种对位芳纶和Kermel~(?)纤维,UHMW-PE纤维耐热性最差;③利用经典的热降解动力学理论分析,表明空气环境中材料的热降解活化能低于氮气环境中的活化能,反应级数近似,即样品在空气中的降解比在氮气中容易,空气加速了样品的氧化降解。 由TG结果设置热力学条件对比样品的热机械性能,PBO纤维仍显示出最好的耐高温力学性能。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维在70℃下可以安全使用,其力学性能保持率(强度、断裂伸长率和模量)与热老化温度和热老化时间之间存在指数关系,且相关系数较高,符合实际使用情况。根据建立的温度与模量之间的理论模型,得出模量随温度的升高先出现增加现象,然后发生下降。 利用氙弧灯和碳弧灯两种光源模拟日光,探讨高性能纤维在一定温湿度和时间下的耐光老化性能。纤维的断裂强度、断裂伸长率和初始模量都发生了下降。整体而言,纤维强度在碳弧灯辐照下比在氙弧灯下下降得多,绝对值大约相差5%~10%,氙弧灯的作用比较接近实际日光照射的结果。实验中还发现,虽然PBO纤维在TG和热机械性能上有最大值,且未处理时力学性能最优,但光照老化后性能不及Kevlar~(?)129纤维,即PBO纤维的耐日光性较差。8种纤维中,UHMW-PE纤维耐光性最好,Kermel~(?)纤维在日晒条件下力学性能下降最快。对高性能纤维光照一段时间后再热处理,发现这种复合作用使得纤维的性能发生剧


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