不同工艺条件下生产聚乙烯醇（PVA）纤维的结构与性能研究

摘要

本论文对不同工艺条件下生产聚乙烯醇(PVA)纤维的结构、性能以及二者之间的关系进行了研究。从不同的结构层次较为系统地研究了普通分子量PVA经交联纺丝后，纤维的超分子结构、形态结构的变化，分析指出了高性能PVA纤维生产过程中的关键性因素及其影响规律，为高性能PVA纤维生产优化提供技术资料，为纤维的超高强高模化提供理论依据。 用X-射线衍射(XRD)对不同工艺条件下生产的PVA纤维的超分子结构进行特征性研究，首次引入谱图数字分峰技术。采用Pseudo-Voigt函数模型进行全谱数字拟合分峰，对分峰后的峰位和相对强度进行结晶度和取向因子计算。结果表明，PVA纤维具有较高的结晶度，在XRD谱图展示2theta范围内5-45°有明显的7个结晶峰，分别在2 theta为11.1、16.6、19.5、20.0、32.6、47.37，在2 theta为19.7左右有明显的非结晶峰。通过对六种不同工艺条件下生产的PVA纤维XRD图谱的特征性研究和结晶度、取向因子计算。结果表明，与常规PVA纤维比较，多级拉伸后的交联PVA纤维的结晶度和取向度增加较大；对同一系列纤维，纤维强度和模量随拉伸倍数的增大而增大，这也进一步表明拉伸倍数的提高对获得高性能维纶的重要性。 通过对六种不同工艺条件下生产的PVA纤维SEM的观察，常规PVA纺丝因纤维凝固过程中，收缩不均匀而形成腰子状且具有明显的皮芯层结构，而此皮芯层结构非常不利于纤维的拉伸，因而不能得到高拉伸纤维，其强度和模量较低。而湿法加硼纺PVA纤维，由于纤维凝固状态良好，结构均匀，纤维横截面趋于圆形，且无皮芯层结构。纤维横截面越圆，通过提高PVA纤维的拉伸倍数，可使纤维的结晶度和取向度增大，进而提高纤维的强度和模量。 分析了PVA纤维结构与力学性能的关系，纤维的高强高模化既取决于其化学结构和分子结构，也与其超分子结构相关。提高纤维强度的关键之一是提高成纤聚合物的相对分子质量。就纤维分子结构而言，大分子末端不能传递应力，受外力作用时在分子链末端发生应力集中导致纤维断裂，而成纤聚合物相对分子质量越高，则末端缺陷越少。根据聚乙烯醇分子链完全伸展时聚合度与最小拉伸比的关系DR<,min>=0.41DP<'1/2>，拉伸倍数与聚合度成正比。分子量越高，可拉伸倍数越高，末端缺陷越少，纤维模量和强度随PVA相对分子质量增大而有所增大。PVA的立构规整度对纤维的强度和模量也有直接影响。间规度越高，拉伸比越小，拉伸有效性越强，纤维模量和强度会越大。纤维强度和模量随结晶度和取向度的增大而增大；纤维断裂伸长率和耐热水性随结晶度和取向度的增大而减小。文中给出了相关变量间在试验范围内的回归方程及相关系数。 通过加硼湿法纺丝并控制工艺参数可以得到超高强高模PVA纤维。纤维的结晶度和取向度是控制纤维力学性能的关键。因此，在高强高模纤维的制备过程中应严格控制与纤维结晶度、取向度有关的加工条件和原料的结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1聚乙烯醇(PVA)纤维概述

1.1.1发展过程

1.1.2我国PVA纤维开发生产现状

1.1.3 PVA纤维发展的理论基础

1.1.4高性能、功能性PVA纤维纺丝技术

1.2高性能聚乙烯醇纤维的研究现状

1.2.1 UHMW-PVA的制备

1.2.2高立构规整度PVA的制备

1.2.3高性能PVA纤维的新型纺丝方法

1.3本课题的提出及意义

1.4本课题的主要研究内容

2高性能PVA纤维生产原理及特点

2.1以柔性链高聚物为原料制取高强高模纤维的特点

2.2高强高模PVA纤维成形基本条件

2.3高强高模PVA纤维成形机理

2.4交联湿纺法制备高强高模PVA

2.4.1交联纺丝原理

2.4.2交联纺丝机理

2.4.3工艺流程

2.5超高强高模PVA纤维的制造方法及其特点

2.6本章小结

3 PVA纤维超分子结构与断面形态结构

3.1实验部分

3.1.1材料

3.1.2仪器和条件

3.1.3测试原理

3.1.4分析软件

3.1.5数字分峰技术

3.2结晶度和取向度计算

3.2.1数值分峰图

3.2.2分峰数据表

3.2.3结晶度计算过程和结果

3.2.4取向因子计算过程和结果

3.2.5结晶度、取向度测试结果整理

3.3结果与讨论

3.4纤维断面形态结构

3.4.1试验结果

3.4.2结果与讨论

4 PVA纤维结构与物理机械性能关系

4.1引言

4.2 PVA纤维的力学性能

4.2.1实验部分

4.2.2结果与讨论

4.3聚合度和规整度与力学性能关系

4.4交联湿法纺丝中含硼量的影响

4.5交联纺丝中几个关键问题

4.5.1交联剂的选择

4.5.2 PH值的选择

4.5.3防止初生纤维在中和水洗时溶胀

5超高强高模PVA纤维应用及发展前景

5.1高强高模维纶纤维的特性和比较

5.1.1干热收缩率和热水收缩率

5.1.2各种纤维机械性能的比较

5.1.3各种纤维耐日光性能比较

5.1.4各种纤维耐碱性能比较

5.2超高强高模聚乙烯醇纤维的主要用途及市场前景

5.2.1用于国防军工等领域

5.2.2用于建材行业

5.2.3用于产业用布

5.2.4用于涂层的覆盖材料

5.2.5市场前景

6结论

6.1本论文取得的主要结论

6.2本论文存在的主要不足

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢