超高分子量聚乙烯纖維濕法凍膠紡絲成型工藝及結(jié)晶行為研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維作為三大高性能纖維之一，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度（0.97g/cm3）、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的耐磨性，在國(guó)防軍事、航天航空、海洋工程、醫(yī)療材料、體育器械等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
　　我國(guó)作為掌握 UHMWPE纖維制備技術(shù)的少數(shù)國(guó)家，制備的UHMWPE纖維已滿足大部分的市場(chǎng)需求，并已出口歐美和亞洲的一些國(guó)家和地區(qū)，但是高端 UHMWPE纖維仍需依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)UHMWPE纖維的性能與世界先進(jìn)水平還存

2、在一定的差距。因此，還需要對(duì) UHMWPE纖維的制備工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外UHMWPE纖維工業(yè)化生產(chǎn)路線主要以凍膠紡絲-超倍熱拉伸法為主，根據(jù)采用的溶劑不同，分為濕法凍膠紡絲路線與干法凍膠紡絲路線。而國(guó)內(nèi)的大多數(shù)UHMWPE纖維企業(yè)采用的是濕法凍膠紡絲路線。本課題主要研究?jī)?nèi)容為UHMWPE纖維的濕法凍膠紡絲成型工藝，以及UHMWPE纖維濕法凍膠紡絲成型過(guò)程中分子結(jié)晶形態(tài)的變化。
　　首先，對(duì)UHMWPE纖維濕法凍膠紡絲工

3、藝中的凍膠纖維的預(yù)拉伸工藝進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：凍膠纖維經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸后含油率有所降低，但是效果不是很顯著，當(dāng)預(yù)拉伸為4倍時(shí)，凍膠纖維的含油率僅降低2%左右；預(yù)拉伸使得凍膠纖維內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形變并發(fā)生取向，當(dāng)預(yù)拉伸倍數(shù)較小時(shí)，預(yù)拉伸起到了一定有效拉伸的作用，使得一級(jí)拉伸纖維的強(qiáng)度有所增加；當(dāng)預(yù)拉伸倍數(shù)較大時(shí)，凍膠纖維中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的分子鏈之間發(fā)生相對(duì)滑移，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致萃取干燥纖維的拉伸穩(wěn)定性降低。同時(shí)對(duì)凍膠紡絲過(guò)程中的噴頭拉伸進(jìn)行了

4、研究，結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)膰婎^拉伸會(huì)提高三級(jí)拉伸纖維的斷裂強(qiáng)度，當(dāng)噴頭拉伸過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致凍膠纖維中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破裂，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，使得三級(jí)拉伸纖維強(qiáng)度降低。另外，對(duì)紡絲溶液的預(yù)溶脹工藝做了一些探索，結(jié)果表明：隨著紡絲溫度的增加，UHMWPE分子量的降解程度逐漸增加，在紡絲溫度較高時(shí)，預(yù)溶脹處理對(duì)UHMWPE分子量降解程度有所減緩。
　　其次，通過(guò)采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，研究了UHMWPE纖維超倍熱拉伸過(guò)程中拉伸溫度與拉伸倍數(shù)對(duì)三級(jí)拉伸纖

5、維斷裂強(qiáng)度的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出：一級(jí)拉伸溫度對(duì)三級(jí)拉伸纖維的斷裂強(qiáng)度影響最為顯著；在一級(jí)拉伸溫度70℃、一級(jí)拉伸倍數(shù)15倍、二級(jí)拉伸溫度100℃、二級(jí)拉伸倍數(shù)2倍、三級(jí)拉伸溫度120℃、三級(jí)拉伸倍數(shù)1.4倍時(shí)，制備的 UHMWPE三級(jí)拉伸纖維的斷裂強(qiáng)度最大。同時(shí)研究了拉伸過(guò)程中的拉伸應(yīng)變速率與纖維性能之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)拉伸應(yīng)變速率的增加會(huì)導(dǎo)致UHMWPE纖維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，使得纖維力學(xué)性能下降。
　　最后，采用掃描電子顯微鏡（S

6、EM）、差示掃描量熱儀（DSC）、廣角X射線衍射儀（WAXD）、二維X射線衍射儀對(duì)UHMWPE纖維濕法凍膠紡絲過(guò)程中的各階段纖維樣品進(jìn)行測(cè)試分析，研究了UHMWPE纖維濕法凍膠紡絲過(guò)程中分子結(jié)晶形態(tài)的變化。結(jié)果表明：UHMWPE粉末樹(shù)脂顆粒由許多直徑大約60μm的球狀結(jié)構(gòu)聚集而成，而球狀結(jié)構(gòu)又由直徑約10μm的球狀微粒聚集而成，球狀微粒之間有纖維狀的結(jié)構(gòu)相連接。在濕法凍膠紡絲過(guò)程中UHMWPE分子鏈發(fā)生解纏結(jié)并將解纏狀態(tài)保持在凍膠纖維中