熔法纺高强高模聚乙烯醇纤维结构与性能的研究

摘要

聚乙烯醇（PVA）是一种性能优良、用途广泛的多羟基聚合物，可从天然气制备，在目前石油资源日渐匮乏的形势下日显重要。PVA高强高模纤维具有强度高、热性能好，耐腐蚀性、耐气候性优异和与基材界面良好的粘结性，在国民经济和高技术领域有广泛用途，市场潜力极大。但PVA的多羟基强氢键特性使其熔点与分解温度接近，难以热塑加工。传统PVA纤维一般采用湿法纺丝，其双向传质过程形成的初生纤维截面呈腰子形，有明显皮芯结构，只能拉伸6-7倍，强度仅5-8cN／dtex，且工序复杂，污染严重，限制了PVA纤维的应用。实现PVA熔融纺丝将是PVA高强高模纤维生产方法的重要突破，具有十分重要的科学意义和巨大的经济效益。 本文根据超分子科学原理，通过分子复合和增塑，破坏PVA分子间氢键，形成新的分子间复合，在分子水平上控制PVA的聚集态结构，限制其结晶，降低其熔点，解决多羟基强氢键PVA因熔点与分解温度接近难以热塑加工的难题，并利用改性剂与PVA间氢键作用，增高水的沸点，增宽其沸程，解决PVA熔纺时水产生气泡的难题，成功实现了PVA的稳定熔融纺丝，获得截面为圆形，结构均匀，可拉伸性好的初生纤维，是PVA纤维生产方法的重要突破。研究了改性体系的氢键复合结构，改性体系中水的蒸发行为，改性剂对PVA热性能、结晶结构及非等温结晶性能的影响，PVA熔纺初生纤维的结构与性能及纤维拉伸过程中的结构形成，为在加工过程中控制纤维的结构形成，从通用级PVA制备高强高模纤维提供理论基础，丰富和发展了高性能聚合物纤维及多羟基强氢键高分子体系的加工理论和实践，具有重要的理论和实际意义。 1．改性剂水和Ac与PVA羟基间形成的独特氢键复合，破坏PVA自身分子间氢键，抑制其结晶，使其微晶尺寸增大，结晶度降低，熔点降低，熔点与分解温度完全分离，得到热塑加工窗口。受PVA和Ac氢键束缚，体系中结合水含量增加，水的蒸发速率降低，更多水可在高温留在体系中起增塑作用，进一步改善PVA热塑性能。 2．PVA热塑性能的改善使其熔融结晶行为研究成为可能。改性体系非等温结晶动力学研究表明，在水增塑PVA基础上，加入Ac可进一步抑制PVA的结晶，使其结晶减慢；冷却速度对PVA晶核的形成方式没有影响，但影响PVA的结晶度、结晶速度，表明通过调控冷却速度可以控制PVA的结晶行为，使其熔纺初生纤维具较好拉伸性。 3．成功实现了PVA的熔融纺丝，获得截面圆形、结构均匀的PVA初生纤维。熔融塑化过程中，改性剂进入PVA晶区，改变PVA的结晶结构，改善纤维拉伸性。强相互作用使体系中水蒸发温度提高，为纤维高倍拉伸提供基础。 4．形变速率、水含量和温度影响PVA熔纺纤维拉伸流动性。表观拉伸粘度η<,ε>随形变速率升高而降低。提高温度，可使纤维在较少改性剂含量下获得更好拉伸性能。体系水含量减少，纤维拉伸时细颈现象明显，η<,ε>增加，活化机制发生变化，由三个不同机制的活化过程变为二个。 5．拉伸过程中，纤维取向结构形成并发展，取向度增大。取向诱导PVA结晶，使其结晶速率增加，结晶结构完善，微晶尺寸增大，片晶厚度增加，在较高温度出现新的吸热峰。取向结构的形成使PVA分子链排列更加紧密，单位体积内分子链数目增多，氢键强度增大，力学性能提高。但拉伸过程中温度或拉伸速度不稳定引起细颈不均匀，产生应力集中，会导致纤维分子链断裂，应保持温度和拉伸速度稳定，避免细颈不均匀现象。 6．水含量和拉伸温度对PVA纤维取向结晶结构有重要影响。水含量减小和拉伸温度升高均使纤维取向度和结晶度增加，力学性能提高。高温热处理可进一步除去纤维水分，消除纤维缺陷，稳定其取向结晶结构，获得尺寸稳定、强度14.6cN／dtex、模量304 cN／dtex的高强高模PVA纤维。纤维强度高于其它纺丝方法所得同种聚合度纤维，比湿法纺纤维高2-3倍。熔融纺丝方法简单、高效、经济、环保，并可根据需要，生产纤度不同，尤其是湿法纺丝所不能生产的粗旦纤维，易于实现工业化，是PVA高强高模纤维制备新技术。

目录

摘要

第一章绪论

第二章实验部分

第三章通过分子复合实现PVA的熔融纺丝

第四章PVA熔纺初生纤维的结构与性能

第五章PVA纤维拉伸过程中的结构与性能变化

第六章结论

参考文献

攻读博士学位期间发表和待发表学术论文、申请专利

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