Ι型热致液晶聚芳酯纤维的结构和性能研究

摘要

热致液晶聚芳酯(TLCPAR)纤维是一种具有高强度高模量、耐高温、耐化学试剂、耐辐射、尺寸稳定性优异等优势的高性能纤维。TLCPAR纤维可采用熔融聚合和熔融纺丝方法来制备，工艺简单方便，通过热处理可以有效提升纤维的性能。I型热致液晶聚芳酯熔点在340℃以上，强度、模量和耐热性均优于已经市场化的II型热致液晶聚芳酯Vectra，并且原料便宜，由此制得的I型聚芳酯纤维具有广泛的潜在应用价值。本文利用熔融纺丝和热处理方法制备了I型热致液晶聚芳酯纤维，探究其纺丝和热处理工艺对纤维结构与性能的影响，优化生产工艺，同时为降低聚芳酯纤维的生产成本奠定基础。 本文首先对 Ι 型热致液晶聚芳酯原料SE6000进行了表征。研究表明其在300℃左右就存在部分熔融现象，完全熔融时的温度约为355℃，具有较宽范围的熔限，在氮气氛围中的起始热分解温度为529.2℃，在空气氛围中的起始热分解温度为519.4℃，具有很好的耐热性和抗氧化性。在335℃~360℃温度范围内，其熔融指数 (MI) 与温度基本符合线性关系，温度越高SE6000熔体的流动性越好。在355~370℃范围内SE6000熔体均呈现出液晶态特有的双折射现象。根据以上表征，初步将SE6000的纺丝温度范围设定为355℃~370℃。通过熔融纺丝得到SE6000初生纤维，研究纺丝温度和喷头拉伸比对纤维结构和性能的影响。随纺丝温度的变化，初生纤维的结晶度在360℃和365℃时最大，分别为34.6%和33.3%；晶区取向几乎不发生变化；声速取向在纺丝温度为360℃时达到最大值0.77；在纺丝温度为360℃时，强度为4.9 cN/dtex，模量为424.2 cN/dtex，均达到最大值。由此确定最佳的纺丝温度为360℃。随喷头拉伸比的增大，初生纤维的结晶度逐渐增大到34%；晶面间距几乎不发生变化，但晶粒尺寸减小，在较高的喷头拉伸比下只能形成较小的晶粒；强度和模量随喷头拉伸比的增大而增大，初生纤维的强度从4.2 cN/dtex增加至4.8cN/dtex，模量从391 cN/dtex增加至453 cN/dtex，说明在该试验条件下随喷头拉伸比的增大纤维的性能逐渐提高。 本文研究了不同热处理温度对纤维结构和性能的影响。热处理后纤维的结晶更加完善，结晶度随热处理温度升高而增大，当热处理温度为325 ℃时，纤维的结晶度达到最高的42.8%。热处理之后纤维的熔点升高，且热处理温度越高，纤维熔点越高。在325 ℃热处理温度下纤维熔点达到最高的367.1 ℃。热处理后纤维的强度增大，在325 ℃的热处理温度之后纤维的强度达到最高的16.0 cN/dtex，提高了233%。热处理温度升高到330 ℃时，纤维的强度增大的幅度下降并且纤维之间发生了粘连。热处理能够显著提高TLCPAR纤维的力学性能，最佳的热处理温度为325 ℃。 本文还定量研究了TLCPAR纤维的耐酸碱性。酸碱处理都会使纤维有一定的质量损失，浓度小于9.2 mol/L的硫酸处理和碱处理下纤维的质量损失均小于10%。酸碱对纤维的破坏均是从表面腐蚀开始的。浓硫酸会腐蚀掉纤维的表皮层，18.4 mol/L的浓硫酸能够完全溶解纤维，碱处理使纤维表面形成纵向沟槽。酸碱腐蚀对纤维拉伸性能的影响较小，只有9.2 mol/L以上的硫酸和饱和氢氧化钠溶液能够对纤维强力造成较大的损伤。TLCPAR纤维有很好的耐酸碱腐蚀性。

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 简介

1.2 热致液晶聚芳酯(TLCPAR)纤维

1.2.1 热致液晶聚芳酯原料

1.2.2 热致液晶聚芳酯纤维的结构

1.2.3 热致液晶聚芳酯纤维的性能

1.2.4 热致液晶聚芳酯纤维的应用

1.3 热致液晶聚芳酯(TLCPAR)纤维的制备

1.3.1 TLCPAR纤维的熔融纺丝

1.3.2 TLCPAR纤维的热处理

1.4 本论文研究内容、目的及意义

第二章 热致液晶聚芳酯原料分析

2.1实验

2.1.1原料

2.1.2测试与表征

2.2结果与讨论

2.2.1切片含水量分析

2.2.2差示扫描量热分析

2.2.3热重分析

2.2.4热台偏光显微镜分析

2.2.5熔融指数分析

2.3本章小结

热致液晶聚芳酯纺丝工艺探索

3.1实验

3.1.1纺丝原料及设备

3.1.2 熔融纺丝流程和纺丝参数

3.1.3 纤维结构和性能测试

3.1.3.1纺程的截取

3.1.3.2粉末X射线衍射测试

3.1.3.3二维X射线衍射测试

3.1.3.4纤度测试

3.1.4.5力学性能测试

3.1.4.6声速取向测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 纤维直径在纺程中的变化

3.2.2 纤维结构和性能随纺丝温度的变化

3.2.2.1纤维的尺寸随纺丝温度的变化分析

3.2.2.2纤维结晶结构随纺丝温度的变化

3.2.2.3晶区取向度随纺丝温度的变化

3.2.2.4纤维声速取向随纺丝温度的变化分析

3.2.2.5纤维力学性能随纺丝温度的变化

3.2.3 纤维结构和性能随喷头拉伸比的变化

3.2.3.1纤维的尺寸结构随喷头拉伸比的变化分析

3.2.3.2纤维结晶结构随喷头拉伸比的变化

3.2.3.3晶区取向度随喷头拉伸比的变化

3.2.3.4纤维力学性能随喷头拉伸比的变化

3.3 本章小结

热处理对TLCPAR纤维的结构和性能的影响

4.1 实验

4.1.1 实验原料和设备

4.1.2初生纤维的热处理

4.1.3 热处理聚芳酯纤维的结构和性能测试

4.1.3.1 二维X射线衍射(WAXD)测试

4.1.3.2 粉末X射线衍射(WAXD)测试

4.1.3.3纤维力学性能测试

4.1.3.4纤维DSC热分析

4.2 结果与讨论

4.2.1 热处理后纤维结晶结构的变化

4.2.2热处理后纤维的结晶度变化

4.2.3热处理前后纤维的热分析

4.2.4 热处理后纤维的晶区取向度变化

4.2.5热处理后纤维的力学性能

4.3本章小结

第五章 酸碱处理对TLCPAR纤维的结构和性能的影响

5.1 实验

5.1.1 纤维的酸碱处理

5.1.2 酸碱处理后纤维结构和性能测试

5.1.2.1质量损失率

5.1.2.2力学性能测试

5.1.2.3扫描电镜表征

5.2 纤维的耐酸碱腐蚀性能分析

5.2.1 酸处理对纤维的影响分析

5.2.1.1酸处理后纤维质量损失率的变化

5.2.1.2酸处理后纤维表面形貌分析

5.2.1.3酸处理后纤维力学性能的变化

5.2.2 碱处理对纤维的影响分析

5.2.2.1碱处理后纤维质量损失率的变化

5.2.2.2碱处理后纤维表面形貌分析

5.2.2.3碱处理后纤维力学性能的变化

5.3本章小结

第六章 总结

参考文献