高強(qiáng)多孔UHMWPE纖維成型工藝與結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維因具有許多優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。制備 UHMWPE纖維通常采用“凍膠紡絲-超倍熱拉伸”工藝。UHMWPE經(jīng)凍膠紡絲和萃取干燥后會(huì)產(chǎn)生大量孔洞，如果在賦予纖維高強(qiáng)度的前提下保留部分多孔結(jié)構(gòu)，那么UHMWPE纖維將在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如：海水提鈾，污水處理等。所以成功制備高強(qiáng)多孔UHMWPE纖維有望在開(kāi)發(fā)新能源和治理環(huán)境污染等方面邁出新的一步。
　　本文以初紡凍膠纖維為原料，

2、采用一級(jí)拉伸凍膠原絲、定長(zhǎng)萃取和干燥、二級(jí)拉伸萃取后纖維的兩級(jí)拉伸工藝制備高強(qiáng)度和高孔隙率的UHMWPE纖維。借助拉伸測(cè)試、小角X射線(xiàn)散射(SAXS)、掃描電子顯微鏡(SEM)和二甲苯溶劑填充纖維等手段研究拉伸應(yīng)變速率(SR)、拉伸比(DR)和拉伸溫度(T)對(duì)纖維微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和孔隙率的影響。主要工作如下：
　　1.搭建一套纖維連續(xù)拉伸裝置并完成凍膠原絲的一級(jí)室溫拉伸。拉伸過(guò)程中無(wú)規(guī)的分子鏈網(wǎng)絡(luò)沿纖維軸向取向排列同時(shí)纖維表層的

3、溶劑向外溢出。隨應(yīng)變速率和拉伸比增大，堆疊片晶取向程度增強(qiáng)，纖維強(qiáng)度和模量增大。拉伸后的凍膠纖維經(jīng)萃取干燥處理，纖維呈現(xiàn)特殊的皮芯結(jié)構(gòu)，表層為沿纖維軸向松散堆疊的片晶，芯層為多孔網(wǎng)絡(luò)。
　　2.二級(jí)高溫拉伸萃取后纖維。拉伸過(guò)程中纖維逐漸發(fā)生片晶破碎再重組、折疊鏈片晶向微纖轉(zhuǎn)變和微纖滑移。整個(gè)過(guò)程纖維強(qiáng)度和模量不斷增大，孔隙率不斷降低；隨溫度升高，片晶發(fā)生熔融再結(jié)晶，溫度越高，片晶熔融效應(yīng)越顯著，纖維強(qiáng)度和模量先增大后減小，孔隙率逐

4、漸降低。SEM結(jié)果表明纖維表面呈串晶結(jié)構(gòu)，片晶之間產(chǎn)生大量孔洞，芯層為交叉纖維狀的多孔網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備高強(qiáng)多孔UHMWPE纖維的最佳拉伸成型工藝為：一級(jí)拉伸應(yīng)變速率為1 s-1，拉伸比為10；二級(jí)拉伸應(yīng)變速率為1 s-1，拉伸比為3，拉伸溫度為120℃，對(duì)應(yīng)纖維的拉伸強(qiáng)度為1.31 GPa，模量為10.1 GPa，孔隙率為35％。
　　3.高溫下采用不同的應(yīng)變速率和拉伸比拉伸凍膠原絲。應(yīng)變速率由低到高，纖維分子鏈會(huì)發(fā)生由鏈

5、拉伸取向占主導(dǎo)向鏈滑移占主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。隨拉伸比增大纖維依次發(fā)生片晶的生長(zhǎng)、滑移、破碎、再結(jié)晶以及微纖滑移。凍膠纖維經(jīng)萃取干燥處理得到萃取后纖維，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明萃取后纖維含有大量孔洞，不同條件拉伸的萃取后纖維的孔隙率可達(dá)60-70%。
　　4.采用不同應(yīng)變速率、拉伸比和拉伸溫度拉伸萃取后纖維。應(yīng)變速率在0.1-2 s-1之間，隨應(yīng)變速率增大，分子鏈沿纖維軸向取向，纖維強(qiáng)度和模量迅速增大；應(yīng)變速率在2-10 s-1之間，片晶發(fā)生破碎再結(jié)晶

6、，纖維強(qiáng)度增大趨勢(shì)變緩，模量稍有下降，纖維孔隙率降低。隨拉伸比增大，分子鏈趨于緊密排列，部分折疊鏈片晶向伸直鏈晶轉(zhuǎn)變，纖維強(qiáng)度和模量近線(xiàn)性增大，孔隙率先增大后幾乎不變。隨拉伸溫度升高，片晶熔融顯著，纖維強(qiáng)度和模量均降低，孔隙率也降低。SEM結(jié)果顯示纖維表面為串晶結(jié)構(gòu)，片晶之間分布孔洞，芯層為纖維狀多孔網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備高強(qiáng)多孔UHMWPE纖維的最佳拉伸成型工藝為：一級(jí)拉伸應(yīng)變速率為1 s-1，拉伸比為10，拉伸溫度為110℃；二級(jí)