超高分子量聚乙烯纤维热拉伸过程中的晶体结构演变研究

摘要

UHMWPE纤维获得高性能的关键是大部分高分子量分子参与形成伸直链晶体，构成结晶均匀、连续的基质。因此，热拉伸过程中 UHMWPE纤维晶体结构的演变过程对纤维性能的提高具有非常重要的作用。本文利用同步辐射小角 X射线散射（SAXS）、广角 X射线衍射（WAXD）、场发射扫描电镜（SEM）和差示扫描量热仪（DSC），研究了热拉伸过程中拉伸比和温度对纤维结构的影响、不同纺丝浓度纤维在热拉伸过程中的结构演变以及高纺丝浓度对纤维结构与性能的影响。主要研究结果包括：
　　1.利用模拟 UHMWPE纤维工业生产中热拉伸过程的设备，对热拉伸过程中拉伸比和温度对 UHMWPE纤维结构的影响进行了研究。研究发现，在低拉伸比时，以 kebab晶体的形成为主；在高拉伸比时，以 shish晶体的形成为主；拉伸比的提高有利于 shish晶体的形成。热拉伸过程中温度的适当提高有利于kebab晶体和 shish晶体的形成，但对 shish晶体的长度没有显著影响。
　　2.通过对热拉伸过程中低浓度 UHMWPE纤维 shish-kebab晶体演变的研究，发现拉伸应力首先作用到堆叠片晶间的非晶层，导致非晶层被拉长，片晶发生滑移，并有很少量的 shish-kebab晶体形成。当非晶层被拉伸到最大时，拉伸应力转移到片晶上,接着大量片晶发生破碎重结晶或熔融重结晶形成 shish-kebab晶体。拉伸后期，新生成的 shish-kebab晶体通过应力诱导的局部破碎重结晶或熔融重结晶过程不断地转化成 shish晶体，最终形成主要由 shish晶体构成的结构。
　　3.通过对热拉伸过程中高浓度 UHMWPE纤维 shish-kebab晶体演变的研究，发现拉伸初期的片晶长周期的增加主要是由 kebab晶体间非晶层的伸长造成的。当非晶层拉伸到极限时，拉伸应力作用到 kebab晶体上。随后这些片晶通过应力诱导的局部破碎重结晶或熔融重结晶过程不断地转化成 shish晶体。但是，最终还存在少量未转化的 shish-kebab晶体。总体上，高浓度 UHMWPE纤维 shish-kebab晶体的转化没有低浓度的顺利。
　　4.通过对热拉伸过程中高浓度 UHMWPE纤维 shish-kebab晶体形成的研究，发现热拉伸前期 shish-kebab晶体的形成主要来自自由取向片晶的应力诱导熔融重结晶过程。在热拉伸后期，shish-kebab晶体的形成主要来自前期形成的 kebab晶体的应力诱导的熔融重结晶过程。在90℃时，只有少量分子链发生解缠结形成shish-kebab晶体，但最后同样形成了较多的 shish晶体。
　　5.利用工业生产线制备了不同高纺丝浓度的 UHMWPE纤维，研究了高纺丝浓度对纤维的最终结构与性能的影响。研究发现，纺丝浓度的提高使纤维中缠结增多，结晶取向变差，导致纤维性能下降。
　　6.结合结构演变研究的理论，进一步研究了高纺丝浓度对 UHMWPE纤维的结构与性能的影响，成功的优化了高浓度纤维的结构与性能，进一步提高了纤维的纺丝浓度。
　　综上所述，我们对热拉伸过程中 UHMWPE纤维的结构演变进行了深入研究，发现shish-kebab晶体的形成条件对其后续演变有重要影响。另外，由于受链缠结的影响，低浓度纤维 shish-kebab晶体向 shish晶体的演变要比高浓度的顺利。

目录

声明

引言

1绪论

1.1 UHMWPE纤维的简介

1.2 UHMWPE纤维结构与性能的研究

1.3本论文研究思路、目的和意义

2实验部分

2.1实验原料

2.2实验样品制备

2.3实验测试方法

2.4小角X射线散射分析方法

2.5广角X射线衍射分析方法

3热拉伸过程中拉伸比和温度对UHMWPE纤维结构的影响

3.1引言

3.2结果与讨论

3.3本章小结

4热拉伸过程中低浓度UHMWPE纤维shish-kebab晶体结构的演变

4.1引言

4.2结果与讨论

4.3本章小结

5热拉伸过程中高浓度UHMWPE纤维shish-kebab晶体结构的演变

5.1引言

5.2结果与讨论

5.3本章小结

6热拉伸过程中高浓度UHMWPE纤维shish-kebab晶体结构的形成

6.1引言

6.2结果与讨论

6.3本章小结

7高浓度范围内纺丝浓度对UHMWPE纤维结构与性能的影响

7.1引言

7.2结果与讨论

7.3本章小结

8纺丝温度对高纺丝浓度UHMWPE纤维的结构与性能的影响

8.1引言

8.2结果与讨论

8.3本章小结

9结论与展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

在 学 研 究 成 果

致谢