涤纶工业丝牵伸过程中的结构与性能研究

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涤纶工业丝具有优异的机械性能(如力学强度和模量大)、耐热性能以及尺寸稳定性(伸长小)等优点,被广泛用做汽车的安全带、安全气囊、轮胎子午线、皮划艇、海洋缆绳和土工布等。随着人类社会的不断发展,作为需求量最大的高分子材料之一的涤纶的生产及使用量日益增加,与此同时,我国涤纶工业丝产业也在高速发展,而当前存在的主要问题是如何生产满足不同领域的个性化需求的差别化纤维,而差别化涤纶工业丝的性能差异与其微观结构密不可分。因此,微结构分析对于研究涤纶工业丝的性能差异以及未来设计个性化的工业丝品种具有良好的指导意义。本文通过二维广角X射线衍射(WAXD)和X射线小角散射(SAXS)对高强低伸(GHT)、高强(HT)、超低缩(SLS)和高模低缩(HMLS)四类涤纶工业丝的微结构进行研究,发现HMLS纤维有最高的非晶取向度,而SLS纤维有最低的非晶取向度(fa)和力学强度,非晶取向度是影响力学强度的重要因素,力学强度随非晶取向度的提高而提高。在应力拉伸时,涤纶工业丝的非晶区和晶区均会发生形变,最终的伸长率与声速取向度的大小变化相反,即随着声速取向度(fs)的增加,最大断裂伸长率下降,随着非晶取向度的增加,其声速取向度也相应提高。声速取向度主要由非晶取向度控制,即非晶取向度影响声速取向度的大小,同时说明非晶取向度为影响断裂伸长率的主要因素。除采用WAXD和SAXS外,结合示差扫描量热法(DSC),动态力学分析法(DMA)及声速法等手段对涤纶工业丝的微结构进行分析,得到四种不同类型涤纶工业丝的结晶度、取向度及其微观片晶结构,最后通过测得的片晶微结构参数结果绘制得到涤纶工业丝微结构的三维立体模型。通过在线取样的方法研究低缩型(LS)涤纶工业丝在各个加工工艺过程中的微结构演变过程,发现,未经过牵伸热定型工艺的涤纶工业丝的DSC曲线有玻璃化转变点和结晶峰,经过牵伸热定型的纤维由于结晶区域含量增加阻碍了非晶区分子链的运动而没有玻璃化转变点;通过红外分析PET分子链中乙二醇链段反式和左右式构象含量的变化,发现随着牵伸热定型阶段的不断进行,纤维分子链中反式构象含量不断增加,左右式则相反,说明低缩型涤纶工业丝的结晶程度在不断的完善;经过第一段牵伸阶段后,低缩型涤纶工业丝的晶区取向度已经很高,随着之后牵伸和热定型阶段的不断进行,其晶区取向度呈现上升的趋势,说明经过加工过程后,PET的晶区结构在不断的完善。本文通过多种方法对涤纶工业丝的微结构进行分析,最终得到纤维的微结构模型,同时通过在线取样的方法对涤纶工业丝在加工过程中微结构的变化进行讨论,即将涤纶工业丝的结构差异与性能相对应起来,又能联系实际加工过程中微结构的变化历程,对涤纶工业丝的生产加工具有一定的指导意义。
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