聚芳砜酰胺紡絲工藝與纖維結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、聚芳砜酰胺纖維作為我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的250℃等級(jí)耐高溫纖維之一，關(guān)于其分子結(jié)構(gòu)、紡絲工藝與纖維結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的研究，將為制備高性能纖維提供依據(jù)。
　　 首先通過(guò)改變聚合反應(yīng)單體比例得到不同結(jié)構(gòu)的聚芳砜酰胺，通過(guò)紅外光譜(FTIR)與核磁共振譜(NMR)分析，分析了其化學(xué)結(jié)構(gòu)與分子序列結(jié)構(gòu)；并利用ChemSketch軟件進(jìn)行了分子模擬，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)的聚芳砜酰胺纖維的理論強(qiáng)度；結(jié)合熱失重(TGA)分析，討論了聚芳砜酰胺的結(jié)

2、構(gòu)與熱性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著聚芳砜酰胺分子結(jié)構(gòu)中苯環(huán)間位取代部分的增多，盡管纖維的理論強(qiáng)度降低，但是聚合物的可加工性能改善，而熱穩(wěn)定性幾乎不發(fā)生變化。這表明聚芳砜酰胺具有較寬的紡絲工藝窗口，可以通過(guò)改變其分子序列組成來(lái)獲得可加工性以及產(chǎn)品使用性能之間的平衡。
　　 采用Anto Paar MCR301型流變儀研究了聚芳砜酰胺紡絲液的穩(wěn)態(tài)流變特性與動(dòng)態(tài)流變特性，并通過(guò)聚合物相對(duì)粘度的變化研究了紡絲液的穩(wěn)定性。研究表明，聚芳

3、砜酰胺在溶液中較穩(wěn)定，不隨溶解時(shí)間延長(zhǎng)或者溶解溫度升高而發(fā)生明顯的降解；穩(wěn)態(tài)研究表明：低剪切速率時(shí)，溶液表觀粘度與切變速率無(wú)關(guān)，呈牛頓流體特性；在高剪切速率區(qū)，溶液表現(xiàn)為切力變稀的流變行為，且隨濃度的增大或溫度的降低，發(fā)生切力變稀的臨界剪切速率向低速率區(qū)移動(dòng)。動(dòng)態(tài)流變研究表明：隨著溶液濃度的增大或者溫度的降低，溶液的粘彈性增強(qiáng)，而在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)凝膠點(diǎn)未出現(xiàn)。同時(shí)，探討了聚芳砜酰胺成纖聚合物在“綠色溶劑”離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽(

4、[Bmim]Cl)中的溶解特性并采用HAKKE RS150L錐板流變儀研究了聚芳砜酰胺/[Bmim]Cl溶液的穩(wěn)態(tài)流變與動(dòng)態(tài)流變特性，并與常規(guī)紡絲液的流變特性進(jìn)行了對(duì)比。研究表明：溫度在70℃以上時(shí)，[Bmim]Cl對(duì)聚芳砜酰胺具有良好的溶解能力，且隨著溫度的升高，溶解速率加快；聚芳砜酰胺/[Bmim]Cl溶液與聚芳砜酰胺的N，N’-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液表現(xiàn)出相似的流變學(xué)特性，但是相同條件下其零切粘度更大，且具有更大的黏流活化能

5、。因此，可以通過(guò)控制溫度、濃度、剪切速率來(lái)實(shí)現(xiàn)與常規(guī)紡絲液相似的工藝設(shè)備與工藝參數(shù)來(lái)對(duì)聚芳砜酰胺/[Bmim]Cl紡絲液進(jìn)行纖維成型加工。
　　 采用同步輻射廣角X射線衍射(WAXD)以及小角X射線散射(SAXS)研究了聚芳砜酰胺纖維的超分子結(jié)構(gòu)以及微孔結(jié)構(gòu)沿紡程的發(fā)展與演變；結(jié)合動(dòng)態(tài)熱力學(xué)(DMA)分析與熱失重(TGA)分析研究了纖維的熱性能沿紡程的變化，并對(duì)沿紡程各段纖維的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)。研究表明，在紡絲成型過(guò)程中，從聚

6、芳砜酰胺初生纖維的形成，經(jīng)過(guò)塑化拉伸、水洗等各段工序，特別是在熱拉伸與熱定型工序過(guò)程中，纖維的結(jié)晶度以及晶區(qū)取向度顯著提高，結(jié)晶區(qū)晶面間距和晶粒尺寸增大，并伴隨著纖維孔洞的增大；而纖維的斷裂強(qiáng)度以及模量隨著結(jié)晶度與晶區(qū)取向度的增加顯著上升。
　　 采用控溫拉伸的方式，研究了在塑化拉伸過(guò)程中，拉伸速率、拉伸溫度對(duì)聚芳砜酰胺初生纖維的可拉伸性的影響，并采用同步輻射WAXD在線監(jiān)測(cè)了初生纖維在拉伸過(guò)程中晶態(tài)結(jié)構(gòu)的變化；討論了拉伸倍數(shù)對(duì)

7、纖維的力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究表明，在較低的拉伸速率下，拉伸應(yīng)力隨著拉伸速度的增大而不斷增大，而當(dāng)拉伸速率達(dá)到40mm/min時(shí)，拉伸應(yīng)力出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，而升高拉伸溫度與降低拉伸速率對(duì)拉伸過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響相似；在塑化拉伸過(guò)程中，隨著拉伸倍數(shù)的增加，纖維的斷裂強(qiáng)力升高而斷裂伸長(zhǎng)率下降，當(dāng)拉伸倍數(shù)達(dá)到2.2倍時(shí)，纖維的晶區(qū)取向顯著增加，且力學(xué)性能最佳，而過(guò)度拉伸會(huì)導(dǎo)致纖維中缺陷的形成以及原絲中斷頭的出現(xiàn)，這樣纖維的力學(xué)性能反而下降