激光辐照拉伸纤维的形变机理及特征

摘要

该工作旨在将新型的具有独特性质的激光能源应用于纤维拉伸,研究在微小区域高能量密度条件下运行的不同于传统拉伸工艺的纤维形变机理及其特征.以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例,说明这一特定拉伸形成的纤维的性能特征,通过微观结构的表征,对其特性予以结构方面的解释,从而为激光辐照拉伸初步建立了工艺-结构-性能三者的关系.论文主要有以下6部分:1)通过讨论纤维的强度、模量、韧性与结构关系、制备特定性能纤维的方法、结构模型在建立对纤维结构与性能关系中的应用,指出制备高强高模纤维必须改善纤维三个方面的结构:一是完善纤维的结晶结构,加强纤维无定形区域分子链的物理交联点;二是降低纤维无定形区域分子链的链端和链环,提高纤维截面上承受应力的分子链数;三是尽量减少无定形区域分子链的长度差异,实现应力分布更均匀.归纳了目前制备高强高模纤维的主要方法,包括溶液纺丝法、溶胀-拉伸法、振动拉伸法、区域拉伸法,重点说明区域拉伸是一种仍有待深入研究并具有前景的工艺手段.由此引出通过激光辐照实现更小区域拉伸的设想.2)讨论了以激光加工聚合物材料的不同方式(切割、焊接、烧蚀等)对激光波长和功率有不同要求,说明该工作中选择二氧化碳(CO<,2>)激光进行纤维拉伸的原因.并进一步阐明了CO<,2>激光器的工作原理、CO<,2>激光束的特点以及对聚合物材料的作用.3)论述了该工作中用于聚合物结构表征的主要方法(如密度梯度、差示扫描量热(DSC)、广角X-射线衍射(WAXD)、声速、傅里叶变换红外光谱(FTIR))的基本原理、相应的表征内容及其局限性,阐述了该工作中各种表征方法的测试条件,为建立工艺-结构-性能关系奠定实验基础.4)推导并建立了激光辐照拉伸过程中纤维的形变模型.探讨了激光能量转换、应变、应变速率和拉伸过程中纤维形变特点.5)研究了激光辐照拉伸工艺与工艺参数和性能的关系.考察了激光功率、光强分布、纤维供给速度、拉伸比和拉伸区前增加热板的温度、纤维相对激光焦点的距离等工艺参数的影响.6)在上述工作基础上,对比了在已探索出的工艺条件下制备出的激光辐照拉伸与热辊和热板拉伸纤维样品的结构与性能.

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1引言

1.2PET纤维结构与性能的一般关系

1.2.1纤维结构模型

1.2.2强度

1.2.3模量

1.2.4韧性

1.3PET纤维高性能化的研究进展

1.3.1溶液纺丝方法

1.3.2拉伸工艺研究

1.4本课题的研究内容

参考文献

第二章激光场及其对高聚物的作用

2.1激光类型的选择

2.2CO2激光

2.3CO2激光束的特点

2.3.1激光束的描述

2.3.2激光束的特点

2.4CO2激光对PET的作用

2.4.1非线性光学现象

2.4.2辐照弹性应力的产生

2.4.3CO2激光对PET纤维的作用

2.4.4纤维辐照拉伸激光场的要求

参考文献

第三章PET纤维聚集态结构的表征

3.1引言

3.2晶区含量

3.2.1密度梯度法

3.2.2DSC法

3.2.3WAXD法

3.3晶区完善程度

3.4取向

3.4.1WAXD法

3.4.2双折射

3.4.3声速

3.4.4傅里叶变换红外光谱（FTIR）

参考文献

第四章激光辐照拉伸纤维形变的理论分析

4.1引言

4.2形变模型

4.2.1能量转换

4.2.2纤维细颈区的形变

4.2.3纤维的结晶

4.2.4纤维的热平衡方程

4.3拉伸过程中纤维特征参数的变化

4.3.1热对流系数对纤维尺寸和运行速度的依赖性

4.3.2纤维密度变化

4.3.3纤维比热变化

4.4拉伸过程中的热传递

4.4.1热对流与热辐射功率的比较

4.4.2热对流与热传导功率的比较

4.4.3热辐射与热传导功率的比较

4.5拉伸过程中纤维形变的特点

4.5.1拉伸模拟条件

4.5.2结果与讨论

4.6小结

参考文献

第五章激光辐照拉伸工艺各参数的影响

5.1引言

5.2实验样品的制备及测试

5.3工艺参数的影响

5.3.1激光功率的影响

5.3.2纤维供给速度的影响

5.3.3拉伸比的影响

5.3.4热板温度的影响

5.3.5激光束焦点和纤维相对位置的影响

5.4小结

参考文献

第六章激光辐照拉伸纤维的结构与性能

6.1引言

6.2纤维样品制备

6.3结果与讨论

6.3.1初生纤维的结构与性能

6.3.2拉伸纤维力学性能

6.3.3拉伸纤维结晶结构

6.3.4拉伸纤维取向结构

6.4小结

参考文献

在读期间科研成果简介

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致谢