PET/PTT自卷曲纤维双组分配置、热处理及其结构性能分析

摘要

自卷曲类复合纤维的发展从粘胶卷曲纤维、聚丙烯腈卷曲纤维、聚酰胺复合纤维、聚烯烃类复合纤维到聚酯复合卷曲纤维，已经历了半个多世纪。PET/PTT并列复合纤维隶属于PTT类纤维产品，从杜邦T-400问世开始，目前国内对PET/PTT弹性复合纤维的开发和应用已有相当的规模，纤维的产品和应用也有长足的进展。随着PET/PTT复合纤维类产品开发的深入和需求的多样性，有必要对PET/PTT类双组分并列复合纤维作进一步的研究。本文主要研究PET、PTT组分配置、热处理和纤维微观结构与PET/PTT并列复合纤维自卷曲性能的关系。研究工作包括:在两大卷曲理论的基础上推导了适合于PET/PTT自卷曲纤维组分配置的卷曲理论;深入地研究与PET、PTT单组分模型纤维相比PET/PTT并列复合纤维特有的力学性能以及PET、PTT单组分模型纤维在力学性能的差异与PET/PTT自卷曲纤维不对称的力学性能方面的关系;揭示热处理对PET/PTT并列复合纤维卷曲和卷曲功的影响规律，结合PET、PTT单组分模型纤维合理地解释热处理过程中卷曲的形成和发展规律;分析PET/PTT并列复合纤维的双侧不对称结构，探索PET/PTT并列复合纤维自卷曲的微观结构基础。
　　 在纤维卷曲理论方面，对两大类卷曲理论进行分类比较，并对不同理论按照PET/PTT并列复合纤维特有的力学性能和双组分的配置作相应的演绎推导，得到适合PET/PTT并列复合纤维的卷曲理论。通过对不同类理论分析，得出PET/PTT并列型复合纤维曲率K与两组分的应变、应变差、纤维半径r、组分比s以及模量比n的关系，并对所得PET/PTT并列复合纤维的卷曲理论的适合范围进行分析和比较。
　　 PET/PTT并列复合纤维力学性能方面，主要研究PET/PTT并列复合纤维与PET、PTT单组分模型纤维相比特有的力学性能，研究PET和PTT单组分模型纤维在力学性能方面的差异与PET/PTT并列复合纤维产生自卷曲的不对称的力学性能方面的关系。通过与PET、PTT单组分模型纤维比较，得出PET/PTT并列复合纤维合理的纺丝和拉伸条件，特有的力学性能及其相应性能的关系。所涉及的力学性能研究范围包括:单次拉伸至断裂性能、缓弹性能、滞后的稳定性、疲劳性能以及拉伸断裂面形态分析。通过对纤维缓弹性能的研究，得到PET/PTT并列复合纤维的拉伸回复率R与PET和PTT模型纤维随拉伸停止时间te和回复停止时间tr的变化关系、拉伸回复R的下降速率(e)R(te,tr)—(e)t和上升速率(e)R(te,tr)—(e)t的变化和分布规律;通过对纤维多次拉伸回复滞后环形态的研究，得出PET/PTT和PET、PTT的纤维滞后形态和疲劳性能的关系;通过对纤维等速拉伸断裂的断口形态SEM分析，得出PET/PTT并列复合纤维特有的断裂行为。
　　 热处理对PET/PTT并列复合纤维卷曲行为的影响方面，主要考察PET/PTT并列复合纤维热处理前后卷曲和卷曲功随热处理温度的变化规律，并结合PET、PTT单组分模型纤维解释PET/PTT并列复合纤维卷曲形成和发展过程的机理。提出卷曲拉伸功We(n)和回复功Wr(n)的概念及其确定方法，研究热处理前后PET/PTT并列复合纤维卷曲拉伸功、回复功以及两者比值的变化规律;热处理使PET/PTT并列复合纤维内潜在的卷曲势能释放并转化为卷曲拉伸和回复功，卷曲功W(n)的发展变化的过程，包括:热收缩和热收缩应力差与温度的关系、以及热收缩差的等温动力学研究。通过比较得出热处理前后PET/PTT并列复合纤维机械拉伸回复滞后行为的变化规律和纤维卷曲形态的变化程度;通过对卷曲拉伸功We(n)和回复功Wr(n)的数值和模拟计算，得到了不同热处理条件下参数α和β的数值，得出两种不同模拟计算的优缺点和适合范围;经过热机械分析得到了热处理PET/PTT自卷曲纤维时，潜在卷曲释放、卷曲的形成和发展过程的热机械本质以及与纤维内两组分热收缩差ΔS(T)以及残余收缩力Fr(T)的关系，并且通过两种不同的纤维卷曲理论对PET和PTT两组分热机械行为进行等温动力学分析，进而得到了PET/PTT并列复合纤维最佳的热处理温度和时间范围。
　　 PET/PTT并列型自卷曲纤维的结构分析方面，主要研究PET/PTT自卷曲纤维的内部结构并与卷曲现象相联系，对于这类复合弹性纤维卷曲的微观结构层面的合理解释，揭示PET/PTT并列复合纤维优良卷曲性能的纤维内部结构基础。利用现代分析技术对PET/PTT并列复合纤维以及PET和PTT模型纤维微观结构进行比较研究，并联系宏观的卷曲现象。通过高清晰3D显微镜照相观察，得到PET/PTT并列型自卷曲纤维的界面是随加工状态而变化的规律以及与PET/PTT卷曲形态的关系;通过DSC升温扫描得出纤维内PET和PTT组分界面的变化、热处理对PET和PTT组分超分子结构的影响以及与卷曲的关系;通过红外FTIR吸收光谱分析得出，PET、PTT单组分模型纤维和PET/PTT并列复合纤维特征吸收峰的关系、热处理对PET/PTT纤维内PET、PTT组分聚集态的影响在红外特征峰上的应证关系;通过PET/PTT并列型自卷曲纤维的X-光赤道扫描特征衍射峰分析得到，PTT、PET组分和PET/PTT自卷曲纤维的X-光赤道扫描衍射曲线的关系，热处理对PET/PTT复合纤维的PET和PTT组分晶区取向指数Fx与卷曲的关系;通过对纤维双折射分析，得出PET/PTT并列复合纤维的干涉条纹在纤维主轴上分布与PET、PTT单组分模型纤维的关系、拉伸和热处理对纤维双折射Δn的影响以及对PET、PTT组分不同的影响程度关系，并且分析了折射率比值ΔnPET/ΔnPTT与PET/PTT自卷曲纤维的卷曲关系。
　　 本论文主要研究对象为PET/PTT并列复合纤维，以国内外大量的相关资料和实验为基础，丰富和完善了PET/PTT双组分并列复合纤维的卷曲理论和实践，有些实验和分析方法同样适用于其它的复合纤维的研究。同时，由于时间、实验条件的局限，本论文存在不足和需要进一步研究和探讨的方面:卷曲理论的进一步深化以及卷曲与微观结构的关系。随着科技手段和人类认识的进步，纤维卷曲的研究工作一定会不断地发展，并希望本论文有助于PET/PTT聚酯类自卷曲纤维的研究进展。

目录

声明

东华大学学位论文版权使用授权书

摘要

第一章 绪论

1．概述

2．纤维卷曲的意义

2．1 天然纤维

2．2 化学纤维

3．卷曲加工方法

3．1 假捻法

3．2 刀刃擦过法

3．3 填塞箱法

3．4 空气变形法

3．5 双组份卷曲法及其进展

4．PET/PTT并列复合纤维

4．1 PTT纤维简介

4．2 PTT/PET自卷曲纤维

5．论文研究意义和主要内容

5．1 论文研究意义

5．2 论文研究内容

5．3 论文创新之处

第二章 卷曲理论在PET/PTT双组分配置上的应用

1． 概述

2．几何力学类理论

2．1 第一类理论及其应用

2．2 第二类理论及其应用

2．3 第三类理论及其应用

3．能量最小类理论

3．1 第一类理论及其应用

3．2 第二类理论及其应用

3．3 第三类理论及其应用

4． 小结

第三章 PET/PTT自卷曲纤维力学性能研究

1．概述

2．PET/PTT并列复合纤维成形工艺

2．1 纺丝工艺研究

2．2 拉伸工艺研究

3．PET/PTT并列复合纤维力学性能

3．1 实验

3．2 实验结果和讨论

4．小结

第四章 热处理对PET/PTT纤维卷曲和卷曲功的影响

1．概述

2．实验

2．1 试验样品

2．2 测试方法

3．卷曲和卷曲功理论

3．1 卷曲功W(n)

3．2 卷曲功W(n)的计算

3．3 结果和分析

4．卷曲的热机械分析

4．1 非等温动力学分析

4．2 等温动力学分析

5．小结

第五章 PET/PTT自卷曲纤维的结构分析和表征

1．概述

2．实验

2．1 实验材料

2．2 测试方法

3 实验结果和讨论

3．1 纤维界面观察

3．2 热差示扫描DSC分析

3．3 红外光谱FTIR分析

3．4 纤维广角x光衍射WAXD分析

3．5 纤维偏光显微镜PLM分析

4．小结

第六章 结论和展望

1．本文主要结论

2．本文不足和展望

参考文献

附录

攻读博士期间发表论文

致谢