涤纶工业丝热收缩机理研究

论文摘要

涤纶工业丝是一种高结晶度、高取向聚合物体系，这种结构固然赋予了它所需要的高强度、高模量，但由于高取向导致熵减小，所以属于热力学不稳定体系，将自发地通过解取向趋于低自由能状态，宏观上表现为收缩。本工作将涤纶工业丝的收缩作为研究的出发点，归纳了它的收缩行为特征，利用收缩过程中微观结构参数的变化确立了二者之间的关系，在此基础上提出了涤纶工业丝织态结构模型，解释了收缩机理。通过各种类型涤纶工业丝性能和微观结构的比较，提出兼有高强度、高模量和低收缩的涤纶工业丝（HMLS）应具有的结构。1．选择具有明显收缩性的高强型涤纶工业丝SH8作为研究对象，利用自行设计的装置，采用定长和定张力的方法（等温和程序升温）表征了该材料收缩率和收缩应力，并对测试结果进行了唯象分析讨论。结果表明：a)高结晶、高取向涤纶工业丝的热收缩过程是处在内应力状态下的取向单元的松弛过程，因此各种类型的热收缩行为，不仅依赖实验温度，而且依赖观测的时间标尺长度，具有时温等效特征；b)等温和程序升温下，高结晶、高取向涤纶工业丝的热收缩率或收缩应力显示出类似的规律：随时间的增长或温度的升高，样品先经历热收缩率或收缩应力的增加，在适当条件下可观测到极值，然后开始下降；c)热收缩过程包含两种不同机理：具有熵弹性本质的局部取向单元的弛豫；在较高温度或长时间下，大尺度取向的非晶态分子链的弛豫，它的发生将伴随热收缩速率改变或收缩应力下降。2．表征了SH8收缩过程中的结构变化，并将宏观的收缩现象与微观的结构变化联系起来。简单的两相模型已不足以描述高结晶、高取向聚合物的收缩行为，因为热收缩过程涉及结晶结构、无定形结构、有序程度介于二者之间的取向结构的变化，提出了修正的Prevorsek模型；晶区结构的变化表现为：结晶度的升高、微晶平均尺寸增大以及部分重结晶；非晶区结构的变化表现为：fam大致可分成两个阶段的下降，与热收缩行为的两个阶段相对应；部分解取向的链段通过有序排列沿c轴堆砌，形成具有准晶结构的边界层，它数量不多，稳定性较差，室温拉伸即可将其破坏；影响涤纶工业丝热收缩行为及结构变化的主要外界因素是：温度、外张力、时间，时温具有等效性；定长方式不同于定张力方式，定长方式下的外张力阻止沿纤维轴方向上的结构变化。3．通过10种不同企业生产、不同品种的涤纶工业丝性能与结构的比较，得到以下结论：高强型与HMLS型涤纶工业丝在性能上最大的差别表现在热收缩性上，其Ls,177分别约为7.5％和＜3％；二者晶区取向因子上没有差别；高强型的非晶区取向因子值高于HMLS型；HMLS型涤纶工业丝的βv约在53—56％，高强型的βv约在44—50％；高强型的微晶平均截面积的估算值为14—18nm2，HMLS型的为20—25nm2；高强型与HMLS型的熔融峰相比，主熔融峰前出现明显的小吸热峰；HMLS型具有更高的Tσ；在动态力学行为上，高强型在高温端出现损耗峰。4．考察了时间、温度等因素对涤纶工业丝的物理老化的影响，HMLS型较高强型具有更高的耐物理老化性。研究结果为HMLS型涤纶工业丝的加工工艺和生产设备的设计和改造提供了理论基础，有助于实现凝聚态结构的控制；同时对涤纶工业丝在实际应用条件下的性能评价和预测具有重要的指导意义；将修正的Prevorsek PET纤维形态模型应用于涤纶工业丝，这对深入理解部分结晶的高取向聚合物材料的凝聚态结构特别是对于理解其中晶区在非晶区中的分布、非晶区的排布以及晶区—非晶区的联结方式具有重要的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 涤纶工业丝发展简史
• 1.2 确定研究课题的依据
• 1.3 纤维热收缩研究综述
• 1.3.1 纤维热收缩性能的一般研究方法
• 1.3.2 纤维热收缩机理
• 1.4 研究工作的设计
• 参考文献
• 第二章 实验方法及试样
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 性能测试方法
• 2.1.2 结构表征方法
• 2.2 试样
• 2.2.1 试样一览表
• 2.2.2 试样热处理方法
• 参考文献
• 第三章 涤纶工业丝热收缩特征
• 3.1 涤纶工业丝的收缩率
• 3.1.1 等温收缩率
• 3.1.2 程序升温过程中的收缩率
• 3.2 涤纶工业丝的收缩应力
• 3.2.1 等温收缩应力
• 3.2.2 程序升温中的收缩应力
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 涤纶工业丝的热收缩机理
• 4.1 涤纶工业丝在收缩过程中的结构变化
• 4.1.1 热收缩过程中晶区结构变化
• 4.1.2 热收缩过程中非晶区的取向变化
• 4.1.3 收缩过程中有序边界层的形成
• 4.2 涤纶工业丝收缩机理的结构模型
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 不同类型涤纶工业丝的结构及热收缩性能
• 5.1 10种涤纶工业丝的性能和结构
• 5.1.1 10种涤纶工业丝的力学性能、干热收缩和结构参数
• 5.1.2 10种涤纶工业丝熔融行为的比较
• 5.2 涤纶工业丝的热收缩应力
• 5.3 涤纶工业丝的动态力学行为
• 5.4 涤纶工业丝的稳定性
• 5.4.1 涤纶工业丝的热稳定性
• 5.4.2 涤纶工业丝的物理老化
• 5.5 小结
• 参考文献
• 试样代号及说明
• 符号与缩语表
• 附录 科研活动及研究成果
• 后记