超高分子量聚乙烯树脂的冻胶纺丝性能研究

论文摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性树脂。国外公司在UHMWPE纤维制备上具有专用树脂开发到纤维加工的成套技术,而国内对于UHMWPE树脂生产与纤维制备分属不同厂家,树脂参数与纤维制备技术不能形成对应关系。本文对A、B、C、D四种不同UHMWPE纤维用树脂的表观性能进行研究,对不同树脂的溶液性能进行分析,通过溶解、冻胶纺丝、萃取干燥及超倍拉伸,制备UHMWPE纤维,并采用各种测试手段对UHMWPE树脂与纺丝性能的关系进行初步的探讨。研究表明：A、B、C、D四种不同的纤维用树脂的表观物性具有如下基本特征：特性粘度为20～26,平均粒径在150～180微米,样品的80%粒径分布在60-100目之间（150-420μm）,粒度分布宽度（D90-D10）／D50<1.5,屈服强度≥20MPa,拉伸强度≥29MPa,弹性模量≥690MPa,断裂伸长率≥290%。通过分析不同UHMWPE树脂的电镜照片,A与C的树脂颗粒表面呈粉碎性结构,而B、D树脂的颗粒表面呈现沟壑结构；四种树脂的结晶性能与树脂的许多性能有着重要的关联,树脂A的结晶度最大,D的结晶度最小,而B、C的结晶度居中且相对接近。制备均匀的UHMWPE溶液是冻胶纺丝的首要任务。UHMWPE溶液的制备包括溶胀和溶解两个过程,通过最佳溶胀温度、溶胀比等判断溶液的溶胀效果。实验结果表明,A、B、C、D四种树脂的最佳溶胀温度接近,均在134℃左右；随着悬浮液浓度的增加,UHMWPE的溶胀比逐渐减小,但为满足工业化生产一般选择浓度为10%；随着溶胀时间的增加,UHMWPE的溶胀效果变好,溶胀比逐渐增大,当达到20分钟后,溶胀比的值趋向平稳；分子量越大,所测的UHMWPE溶胀比值越小,分子量分布窄的纤维用树脂溶胀溶解效果好,而粒径分布宽度小,溶胀溶解的更加充分。可纺性是一个复杂的概念,本文将纺丝溶液流体从双螺杆挤出时的断裂高度数值作为判断可纺性的直接依据,研究发现,断裂高度在6cm左右时具有较好的可纺性。以四种UHMWPE树脂为原料进行冻胶纺丝时,纺丝浓度为8wt%、纺丝温度为240-290℃、螺杆转速为5.6r/min的条件下均能制备性能良好的四种UHMWPE冻胶纤维。萃取干燥后采用自制拉伸仪对UHMWPE纤维进行三级拉伸,最佳一级拉伸温度T1为80℃,二级拉伸温度T2为100℃,三级拉伸温度T3为110℃。通过万能拉伸试验机、DSC、WAXD、SEM、声速法等对UHMWPE纤维的力学性能、热性能、结晶性能、形态结构、取向等进行测试分析。结果表明：由四种树脂所制得的UHMWPE纤维的强度和模量分别能达到30-32cN/dtex和730-940cN/dtex。UHMWPE纤维的热性能随着拉伸倍数的增加而升高；纤维的结晶度随着拉伸倍数的增加而增大,且A、D的结晶度高于B、C；纤维电镜分析结果表明,纤维表面粗糙不平,许多片状结构物层层排列,纤维截面呈现微纤缠结网络结构,且A、D的表面和截面比B、C更致密；随着拉伸倍数的提高,纤维中大分子得到更好的取向,其中A、D的取向因子高于B、C。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 UHMWPE树脂及其纤维发展现状
• 1.1.1 UHMWPE树脂及其发展现状
• 1.1.2 UHMWPE纤维及其发展现状
• 1.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 UHMWPE树脂的性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验设备和样品
• 2.2.2 分子量的测试
• 2.2.3 粒径及其分布的测试
• 2.2.4 力学性能的测试
• 2.2.5 表面形态的测试
• 2.2.6 X—射线衍射的测试
• 2.2.7 TG分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 UHMWPE树脂的分子量测定
• 2.3.2 不同UHMWPE树脂的粒径分布比较
• 2.3.3 不同UHMWPE树脂的力学性能比较
• 2.3.4 不同UHMWPE树脂的表面形态分析
• 2.3.5 不同UHMWPE树脂的WAXD分析
• 2.3.6 UHMWPE的热失重比较
• 2.4 结论
• 第三章 UHMWPE溶液性能的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验设备和样品
• 3.2.2 溶胀比的测试
• 3.2.3 UHMWPE的可纺性
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 UHMWPE的溶胀比
• 3.3.2 可纺性
• 3.4 结论
• 第四章 UHMWPE纺丝与纤维性能的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验设备和样品
• 4.2.2 UHMWPE纤维制备
• 4.2.3 力学性能的测试
• 4.2.4 DSC的测试
• 4.2.5 X—射线衍射的测试
• 4.2.6 纤维形态结构的测试
• 4.2.7 声速法的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 力学性能分析
• 4.3.2 取向度测试
• 4.3.3 WAXD测试分析
• 4.3.4 热性能分析
• 4.3.5 SEM测试分析
• 4.4 结论
• 第五章 UHMWPE树脂及其纺丝性能总结
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢