热致性液晶聚芳酯纤维的制备与表征

摘要

热致性液晶高分子(TLCP)是一种高性能材料，热致性液晶聚芳酯是20世纪70年代中期发展起来的一类热致性液晶高分子，它不仅具有优异的抗张强度和较高的模量，而且具有突出的耐热、耐化学腐蚀、自阻燃、高尺寸稳定性能及优良的加工性能，引起了科学界和工业界广泛关注。目前，制备液晶聚芳酯高性能纤维只有美国和日本等少数几家公司掌握了生产的关键技术，国内已进行多年的TLCP研发，近年来也开始产业化的探索。然而由于成本、纺丝工艺过程控制及工业化设备的问题，实现产业化的并不多，这些问题的解决尚需研究者们作不懈的努力和突破。
　　 本课题对热致性液晶聚芳酯原料流变性能进行了测试分析，确定了较佳的纺丝加工工艺；对热致性液晶聚芳酯进行了纺丝工艺的探索，对纺丝加工装置进行了改进创新，加入了缓冷装置；讨论了热处理条件（热处理时间、温度）对纤维最终性能的影响。
　　 (1)该热致性液晶聚芳酯的熔点为289.43℃，热分解温度在515℃以上，在290℃-585℃范围内都能观察到向列相液晶的特征。290℃时，该液晶呈现彩色向列相纹影织构，590℃时，该液晶发生分解，但未观察到该液晶聚酯从各向异性相向各向同性相转变的过程，表明该体系的液晶清亮点在分解温度之上。
　　 (2)液晶高分子是一类各向异性非牛顿流体，它的流变特性显著区别于一般的各向同性材料或流体。稳态流变测试表明：随温度的升高，表观粘度呈明显下降的趋势，表现出粘度的温度依赖性。在一定温度下，体系的表观粘度随剪切速率的增大，呈切力变稀的特征。随着温度的升高，TLCP体系的非牛顿指数n有所增大。TLCP熔体的粘流活化能要比常见的高聚物熔体的粘流活化能大。随温度的升高，TLCP熔体的结构化粘度指数（Δη）变小。动态流变测试表明：储能模量G’和损耗模量G”随温度的升高而下降，随扫描频率的增大而增大。该TLCP体系的特征模量为2800Pa，特征频率为32.5rad·s-1。
　　 (3)本研究所用热致性液晶聚芳酯采用熔融纺丝，纺丝温度295-320℃，计量泵转速为20rpm，卷绕速度为50-150m/min。初生纤维断裂强度约为0.93GPa，杨氏模量约为43.51GPa，断裂伸长率约为1.39％。初生纤维最大热失重温度为513.2℃。热致性液晶聚芳酯纤维呈现明显的皮芯结构，纤维皮层取向高而芯层取向低；热致性液晶聚芳酯纤维具有多重原纤结构。
　　 (4)通过热处理工艺处理，热致性液晶聚芳酯初生纤维的热学性能和力学性能得到显著提高。随热处理时间的延长和热处理温度的提高，纤维的熔点上升，纤维的耐热性增强；合适的热处理时间和温度可使初生纤维的取向度、结晶度、断裂强度、杨氏模量以及断裂伸长率均能得到显著提高，260℃热处理48h是比较适宜的热处理条件，最终可得到熔点为332.6℃，断裂强度为3.18GPa，杨氏模量为123.92GPa，断裂伸长率为2.25％综合性能较好的热致性液晶聚芳酯纤维。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 液晶态与液晶高分子的发展史

1.1.2 液晶高分子的分类

1.2 热致性液晶高分子(TLCP)性能及应用

1.3 热致性液晶高分子(TLCP)的国内外发展现状

1.3.1 热致性液晶高分子(TLCP)国外发展概况

1.3.2 热致性液晶高分子(TLCP)国内发展概况

1.4 热致性液晶聚芳酯(TLCP)纤维的制备

1.5 热致性液晶聚芳酯纤维与芳香族聚酰胺性能比较

1.6 热致性液晶聚芳酯纤维的应用

1.6.1 绳索和电缆

1.6.2 适用于电子领域的独特纤维

1.6.3 宇航和军事[43]

1.6.4 运动器材

1.6.5 工业上应用

1.7 本论文的研究内容及意义

第二章 热致性液晶聚芳酯基本性能研究

2.1 原料

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.3.1 FTIR红外测试分析

2.3.2 DSC结果分析

2.3.3 TG结果分析

2.3.4 POM结果分析

2.3.5 WAXD结果分析

2.4 本章小结

第三章 热致性液晶聚芳酯流变行为及可纺性的研究

3.1 实验

3.1.1 原料

3.1.2 干燥

3.1.3 制样

3.1.4 流变测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 稳态流变

3.2.2 动态流变

3.3 本章小结

第四章 热致性液晶聚芳酯纤维的制备与表征

4.1 纺丝

4.1.1 原料

4.1.2 设备

4.1.3 纺丝流程

4.1.4 纺丝工艺选择

4.2 初生纤维的结构性能测试

4.2.1 TLCP初生纤维DSC测试

4.2.2 TLCP初生纤维热失重TG测试

4.2.3 TLCP初生纤维动态热机械性能DMA测试

4.2.4 TLCP初生纤维力学性能测试

4.2.5 TLCP初生纤维SEM测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 TLCP初生纤维的热学性能

4.3.2 TLCP初生纤维的力学性能

4.3.3 TLCP初生纤维的形貌观察

4.4 本章小结

第五章 热处理工艺对纤维结构性能的影响

5.1 热处理实验

5.1.1 原料与设备

5.1.2 初生纤维热处理

5.1.3 热处理后纤维性能测试

5.2 结果与讨论

5.2.1 热处理对TLCP纤维动态机械热性能的影响

5.2.2 热处理对TLCP纤维热学性能的影响

5.2.3 热处理对TLCP纤维结晶性能的影响

5.2.4 热处理对TLCP纤维取向的影响

5.2.5 热处理对TLCP纤维力学性能的影响

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢