聚芳砜酰胺纺丝工艺与纤维结构性能研究

论文摘要

聚芳砜酰胺纤维作为我国拥有自主知识产权的250℃等级耐高温纤维之一,关于其分子结构、纺丝工艺与纤维结构和性能之间关系的研究,将为制备高性能纤维提供依据。首先通过改变聚合反应单体比例得到不同结构的聚芳砜酰胺,通过红外光谱（FTIR）与核磁共振谱（NMR）分析,分析了其化学结构与分子序列结构;并利用ChemSketch软件进行了分子模拟,计算了不同结构的聚芳砜酰胺纤维的理论强度;结合热失重（TGA）分析,讨论了聚芳砜酰胺的结构与热性能之间的关系。结果表明,随着聚芳砜酰胺分子结构中苯环间位取代部分的增多,尽管纤维的理论强度降低,但是聚合物的可加工性能改善,而热稳定性几乎不发生变化。这表明聚芳砜酰胺具有较宽的纺丝工艺窗口,可以通过改变其分子序列组成来获得可加工性以及产品使用性能之间的平衡。采用Anto Paar MCR301型流变仪研究了聚芳砜酰胺纺丝液的稳态流变特性与动态流变特性,并通过聚合物相对粘度的变化研究了纺丝液的稳定性。研究表明,聚芳砜酰胺在溶液中较稳定,不随溶解时间延长或者溶解温度升高而发生明显的降解;稳态研究表明:低剪切速率时,溶液表观粘度与切变速率无关,呈牛顿流体特性;在高剪切速率区,溶液表现为切力变稀的流变行为,且随浓度的增大或温度的降低,发生切力变稀的临界剪切速率向低速率区移动。动态流变研究表明:随着溶液浓度的增大或者温度的降低,溶液的粘弹性增强,而在实验范围内凝胶点未出现。同时,探讨了聚芳砜酰胺成纤聚合物在“绿色溶剂”离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[Bmim]Cl）中的溶解特性并采用HAKKE RS150L锥板流变仪研究了聚芳砜酰胺/[Bmim]Cl溶液的稳态流变与动态流变特性,并与常规纺丝液的流变特性进行了对比。研究表明:温度在70℃以上时,[Bmim]Cl对聚芳砜酰胺具有良好的溶解能力,且随着温度的升高,溶解速率加快;聚芳砜酰胺/[Bmim]Cl溶液与聚芳砜酰胺的N,N’-二甲基乙酰胺（DMAc）溶液表现出相似的流变学特性,但是相同条件下其零切粘度更大,且具有更大的黏流活化能。因此,可以通过控制温度、浓度、剪切速率来实现与常规纺丝液相似的工艺设备与工艺参数来对聚芳砜酰胺/[Bmim]Cl纺丝液进行纤维成型加工。采用同步辐射广角X射线衍射（WAXD）以及小角X射线散射（SAXS）研究了聚芳砜酰胺纤维的超分子结构以及微孔结构沿纺程的发展与演变;结合动态热力学（DMA）分析与热失重（TGA）分析研究了纤维的热性能沿纺程的变化,并对沿纺程各段纤维的力学性能进行了检测。研究表明,在纺丝成型过程中,从聚芳砜酰胺初生纤维的形成,经过塑化拉伸、水洗等各段工序,特别是在热拉伸与热定型工序过程中,纤维的结晶度以及晶区取向度显著提高,结晶区晶面间距和晶粒尺寸增大,并伴随着纤维孔洞的增大;而纤维的断裂强度以及模量随着结晶度与晶区取向度的增加显著上升。采用控温拉伸的方式,研究了在塑化拉伸过程中,拉伸速率、拉伸温度对聚芳砜酰胺初生纤维的可拉伸性的影响,并采用同步辐射WAXD在线监测了初生纤维在拉伸过程中晶态结构的变化;讨论了拉伸倍数对纤维的力学性能的影响规律。研究表明,在较低的拉伸速率下,拉伸应力随着拉伸速度的增大而不断增大,而当拉伸速率达到40mm/min时,拉伸应力出现了下降的趋势,而升高拉伸温度与降低拉伸速率对拉伸过程应力-应变曲线的影响相似;在塑化拉伸过程中,随着拉伸倍数的增加,纤维的断裂强力升高而断裂伸长率下降,当拉伸倍数达到2.2倍时,纤维的晶区取向显著增加,且力学性能最佳,而过度拉伸会导致纤维中缺陷的形成以及原丝中断头的出现,这样纤维的力学性能反而下降。这表明纤维的力学性能与拉伸工艺以及纤维的超分子结构密切相关,可以通过有效的拉伸工艺来优化纤维的力学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 芳杂环类耐高温纤维研究现状
• 1.3 聚芳砜酰胺纤维的研究现状
• 1.4 纤维的结构及性能的影响因素
• 1.5 "绿色溶剂"离子液体在芳香族聚酰胺类纤维成型中的应用
• 1.6 本文研究的目的和意义
• 1.7 研究内容
• 2 聚芳砜酰胺的结构的和性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 3 聚芳砜酰胺溶液的流变特性
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 4 聚芳砜酰胺纤维沿纺程结构与性能的变化
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 拉伸工艺对聚芳砜酰胺初生纤维结构与性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 小结
• 6 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果目录
• 致谢