柔性高性能纤维的光热稳定性研究

论文题目: 柔性高性能纤维的光热稳定性研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 纺织材料与纺织品设计

作者: 刘晓艳

导师: 于伟东

关键词: 高性能纤维,降解,耐热性,活化能,耐光性,疲劳,涂层

文献来源: 东华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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Ti、质量变化速率最大点的温度Tp和半寿温度T1/2)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

论文目录:

第1章绪论

1 引言

1.1 材料的耐久筛选及自身保护

1.2 材料对人类的防护及适应

1.3 材料的防护机理和稳定作用

1.4 材料在环境中的模拟与表征

1.5 问题的提出

2 高性能防护纤维的引入

2.1 高性能纤维

2.2 复合与纺织结构化

3 高性能纤维的耐光、热性能研究

3.1 芳香族聚酰胺纤维耐光热性方面的研究

3.2 对位共聚物芳纶

3.3 杂环芳纶PBO纤维耐光热性研究

3.4 Kermel~(?)纤维

3.5 超高分子量聚乙烯纤维(UHMW-PE)

3.6 总结

4 极端条件下防护服的使用

4.1 基本构造及材料

4.2 现有的防护结构及措施

4.3 其它场合与应用

4.4 基本防护与要求

5 本课题研究的主要内容

5.1 主要存在问题

5.2 主要目标与内容

第2章高性能纤维的热学性能

1 概述

1.1 已有测量方法及问题

1.2 主要涉及内容

2 实验条件和方法

2.1 试样

2.2 实验仪器和方法

3 芳纶类纤维热学性能研究

3.1 利用TG表征纤维耐热性

3.1.1 纤维的TG／DTG曲线及对比分析

3.1.2 典型温度比较

3.1.3 综合性温度指标比较

3.1.4 热降解动力学研究

3.2 纤维样品热处理后的机械性能变化

3.2.1 对位芳纶

3.2.2 PBO纤维

3.2.3 Kermdl~(?)纤维

3.2.4 纤维间的比较

3.3 DSC实验

3.3.1 Kevlar~(?)纤维的典型DSC曲线

3.3.2 PBO的DSC曲线

3.3.3 Kermel~(?)的DSC曲线

3.4 红外光谱分析

3.4.1 Kevlar~(?)129的特征图谱

3.4.2 PBO纤维的特征图谱

3.4.3 Kermel~(?)纤维的特征图谱

3.4.4 三种纤维的基本比较

3.5 X射线衍射分析

3.5.1 Kevlar~(?)129纤维的结晶度分析

3.5.2 PBO纤维的结晶度分析

3.5.3 Kermel~(?)纤维结晶度分析

3.5.4 三种纤维的基本比较

3.6 纤维的双折射

3.7 扫描电子显微镜SEM测试

3.7.1 Kevlar~(?)129纤维

3.7.2 PBO纤维

3.7.3 Kermel~(?)纤维

4 超高分子量聚乙烯的热学分析

4.1 热处理条件的确定

4.2 热老化时间对拉伸性能的影响

4.2.1 两种纤维间的差异

4.2.2 不同拉伸指标保持性的差异

4.2.3 不同温度和时间的差异

4.2.4 基本结论

4.3 拉伸性能保持率的回归分析

4.3.1 保持率衰减方程

4.3.2 临界温度及方程常数的确定

4.4 温度对拉伸性能的影响

5 纤维束耐高温原位强力的测试

6 热降解机理及模型解释

6.1 基本概念

6.2 实验过程中的理论解释

6.3 实验数据的验证

本章小结

第3章高性能纤维的耐光性研究

1 概述

1.1 已有测量方法及问题

1.2 主要涉及内容

2 实验部分

2.1 实验样品规格

2.2 实验仪器与方法

2.2.1 光老化测量仪器与方法

2.2.2 力学测量仪器与方法

2.2.3 其它物理性能测量仪器与方法

3 实验结果与分析

3.1 纤维光照条件下的力学性能变化

3.1.1 不同光源

3.1.2 同一光源下不同指标

3.1.3 不同纤维

3.1.4 与热处理对照

3.2 纤维光照条件下的SEM图片

3.2.1 Kevlar~(?)129纤维

3.2.2 PBO纤维

3.2.3 Kermel~(?)纤维

3.2.4 基本特征与结论

3.3 红外光谱表征

3.3.1 Kevlar~(?)129纤维

3.3.2 PBO纤维

3.3.3 Kermel~(?)纤维

3.3.4 三种纤维的比较

3.4 纤维光照后的X衍射图

3.4.1 Kevlar~(?)129纤维

3.4.2 PBO纤维

3.4.3 Kermel~(?)纤维

3.4.4 三种纤维的比较

3.5 光、热复合测量结果

4 纤维光照损伤机理分析

4.1 光降解

4.1.1 基本形式与解释

4.1.2 芳纶纤维的光降解

4.2 光的热作用损伤

4.2.1 基本形式与解释

4.2.2 芳纶纤维的光氧降解

本章小结

第4章高性能纤维的机械疲劳老化性能

1 概述

1.1 已有测量方法及问题

1.2 主要涉及内容

2 实验部分

2.1 实验材料

2.2 测试仪器

2.3 实验方法和条件

3 弯曲疲劳分析讨论

3.1 Twaron~(?)2000纤维的弯曲疲劳

3.2 四种纤维的疲劳寿命

3.3 形貌分析

3.4 弯曲疲劳结论

4 扭转疲劳分析讨论

4.1 Twaron~(?)2000纤维的扭转疲劳

4.2 四种高性能纤维的扭转疲劳对比

4.3 纤维一次单方向扭转直到断裂

4.4 捻度转移的损伤

4.5 扭转疲劳结论

5 疲劳机理探讨

5.1 疲劳破坏的机理

5.1.1 一般概念

5.1.2 实际结果的机理解释

5.2 与热、光老化的关系

本章小结

第5章高性能纤维织物的耐光性实现

1 概述

1.1 已有评价方法及存在问题

1.2 主要涉及内容

2 试样准备

2.1 基本试样

2.2 防护要求

2.3 防护剂制备原理

2.3.1 一般方法

2.3.2 溶胶—凝胶法

2.4 涂层制备

2.4.1 实验仪器

2.4.2 实验药品

2.4.3 二氧化钛水溶胶的制备

2.4.4 二氧化钛水溶胶对试样的处理

3 实验仪器及表征方法与指标

4 测试结果及评价分析

4.1 单纤维涂层前后耐光性比较

4.1.1 单纤维涂层前后光照条件下力学性能对比

4.1.2 单纤维涂层前后光照条件下断裂形貌对比

4.2 涂层处理前后织物光学性能的表征与评价

4.2.1 透射性能比较

4.2.2 反射性能比较

4.2.3 吸收性能比较

4.3 织物的耐光老化性能研究

4.3.1 Kevlar~(?)织物

4.3.2 玻璃纤维织物

4.4 日晒前后织物表面的形貌

4.5 织物日晒后UPF值的变化

4.6 日晒后芳纶布中纤维的力学性能变化

4.7 芳纶布的DSC曲线图

4.8 日晒后芳纶布中纤维的X衍射

5 光降解防护机理分析

5.1 一般概念与解释

5.2 二氧化钛的溶胶—凝胶涂层防光照机理

本章小结

第6章全文总结与展望

参考文献

附录

致谢

博士期间工作成绩及所获奖励

发布时间: 2006-05-19

柔性高性能纤维的光热稳定性研究

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