簾線用滌綸工業(yè)絲低應(yīng)變區(qū)結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、滌綸工業(yè)絲不但具有普通滌綸良好的化學穩(wěn)定性，還具有高強度，高模量，低延伸，耐沖擊，耐疲勞，耐熱性好等優(yōu)良的物理機械性能。滌綸工業(yè)絲主要作為橡膠骨架材料，研究表明，滌綸工業(yè)絲模量隨應(yīng)變的增加發(fā)生非常明顯的變化。在模量的最低區(qū)2﹪～5﹪應(yīng)變范圍內(nèi)，正是輪胎簾線使用時經(jīng)常持續(xù)的應(yīng)變范圍并且簾線在輪胎制造和使用過程中也經(jīng)受了高溫以及形變。因此，研究此應(yīng)變區(qū)域提供抵抗形變能力的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，及如何提高此應(yīng)變區(qū)域的模量，研究如何抑制模量隨溫度升高而下降

2、，并降低熱收縮率是獲得優(yōu)異力學性能輪胎簾線的關(guān)鍵問題。 本論文首先對簾線用PET工業(yè)絲力學性能表征形式和指標進行研究。對表征簾線用纖維力學性能的指標：應(yīng)力一應(yīng)變曲線、初始模量、特定伸長負荷或特定負荷的伸長、模量一應(yīng)變曲線等進行評價。重點研究PET工業(yè)絲模量一應(yīng)變曲線的表征方法，并制定相應(yīng)的指標，能夠較全面的反應(yīng)簾線用PET纖維的力學性能。 測定常溫及輪胎使用溫度下不同種類滌綸工業(yè)絲的模量一應(yīng)變曲線以及其它力學性能。分析不

3、同滌綸工業(yè)絲力學性能尤其是使用應(yīng)變2﹪～5﹪區(qū)域的模量變化以及模量隨測試溫度的變化。 運用WAXS，DSC，DMA等現(xiàn)代測試方法測定不同種類滌綸工業(yè)絲的結(jié)晶度、晶胞參數(shù)、非晶取向系數(shù)、縛結(jié)分子百分數(shù)、取向度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)對滌綸工業(yè)絲的力學性能、熱性能、動態(tài)力學性能進行分析，確定獲得尺寸穩(wěn)定形滌綸工業(yè)絲以及提高使用應(yīng)變區(qū)(2﹪～5﹪)模量所要具備的結(jié)構(gòu)內(nèi)容。重點研究HMLS滌綸工業(yè)絲的力學性能并解釋模量一應(yīng)變曲線變化的原

4、因。測試獲得錦綸工業(yè)絲、芳綸、高強聚乙烯長絲、碳纖維、高強粘膠長絲的模量一應(yīng)變曲線，結(jié)合其各自的微細結(jié)構(gòu)特征對曲線進行分析，為進一步在超分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究滌綸工業(yè)絲的模量一應(yīng)變曲線奠定基礎(chǔ)。纖維微細結(jié)構(gòu)分析在這些條件下纖維模量變化的原因。通過紅外光譜測試并結(jié)合HMLS滌綸工業(yè)絲結(jié)構(gòu)參數(shù)分析拉伸過程中使用應(yīng)變區(qū)域模量下降的原因。 在結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，采用高粘度聚酯切片在國產(chǎn)紡絲機和牽伸機上進行熔融紡絲(通過對機器進行適當?shù)母倪M)，

5、通過調(diào)整紡絲速度、牽伸倍數(shù)、冷卻過程等來控制聚酯長絲的結(jié)構(gòu)、性能，獲得性能穩(wěn)定良好的輪胎用聚酯長絲。 對于工業(yè)用滌綸長絲來說，模量一應(yīng)變曲線更能全面反映材料的力學性能。對應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進行多項式擬合并確定最佳多項式次數(shù)為4次，求導得到纖維的模量應(yīng)變曲線。從室溫到測試溫度200℃時不同種類滌綸工業(yè)絲的模量-應(yīng)變曲線均為雙峰曲線。不同品種滌綸工業(yè)絲模量-應(yīng)變曲線的兩個模量峰值及模量低谷值有較大差異。 尺寸穩(wěn)定形滌綸工業(yè)纖維具有

6、以下特點：較高的結(jié)晶度和晶區(qū)取向，結(jié)晶充分，結(jié)晶要互相貫穿，形成連續(xù)相，無定形含量低且不連續(xù)；晶區(qū)取向高，無定形取向略低，無定形區(qū)縛結(jié)分子含量高，自由分子鏈、折疊分子鏈含量低；熱穩(wěn)定性好。為使纖維具有尺寸穩(wěn)定的特性，同時提高低應(yīng)變區(qū)模量，纖維成形時應(yīng)滿足以下條件： 1) 纖維具有較高的結(jié)晶度，取向、較高的結(jié)構(gòu)規(guī)整形。結(jié)晶區(qū)互相貫穿，無定形區(qū)存在較高的縛結(jié)分子。 2) 纖維具有較高的縛結(jié)分子數(shù)和較高的內(nèi)應(yīng)力，使纖維具有低

7、收縮、高尺寸穩(wěn)定性和高抗形變能力。 錦綸工業(yè)絲、高強聚乙烯、芳綸、碳纖維和高強粘膠這幾種高性能工業(yè)絲有各自的特征模量一應(yīng)變曲線。HMLS滌綸工業(yè)絲在室溫到200℃下的拉伸為均勻拉伸，模量一應(yīng)變曲線都是雙峰曲線。當PET長絲拉伸時，左右式構(gòu)象降低，反式構(gòu)象增加。由于無定形區(qū)纏結(jié)點的破壞，模量曲線出現(xiàn)第一個峰值即通常所說的初始模量。在施加拉伸負荷前，無定形區(qū)大分子呈空間皺曲狀態(tài)，并相互纏結(jié)形成纏結(jié)網(wǎng)。施加拉伸負荷后，乙二醇基伸長、變

8、形，纏結(jié)點破壞，即大分子間結(jié)合力如氫鍵等伸長或被拉斷。取消作用力后大分子又恢復原狀，這個過程是瞬間完成的，所發(fā)生的形變?yōu)閺椥孕巫儭o定形區(qū)取向度越大、纏結(jié)點(相互作用點)越多，破壞這些纏結(jié)點所需的力也越大，模量也越高。 無定形區(qū)皺曲大分子的伸直導致模量的下降。這一過程伴隨著大分子構(gòu)象的變化。PET大分子的乙烯基團、芳環(huán)上的酯基有左右式和反式兩種構(gòu)象，分別對應(yīng)于結(jié)晶區(qū)內(nèi)伸直的大分子和無定形區(qū)內(nèi)蜷曲的大分子。當無定形區(qū)皺曲大分子被拉

9、直時，其大分子的構(gòu)象由左右式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉词浇Y(jié)構(gòu)。繼續(xù)施加拉伸負荷后，大分子逐漸伸直且晶區(qū)間的連接分子開始伸長，主鏈共價鍵鍵長、鍵角發(fā)生變化。 因為張緊的縛結(jié)分子模量較大所以模量又開始上升。由于大分子長度的差異，模量呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。形成第二個模量峰的條件：結(jié)晶度較高且晶區(qū)較完善，這樣就能夠?qū)`結(jié)分子形成較強的握持力而不使其從晶區(qū)中抽拔出來。由于縛結(jié)分子之間相互剪切、摩擦作用使纖維的強力足以使模量越過第二個峰值。隨著張緊的大分子

10、發(fā)生斷裂及大分子從晶區(qū)中抽拔，模量又開始下降。 高粘度PET切片經(jīng)兩步法、高溫高倍牽伸制備尺寸穩(wěn)定性纖維，對提高低應(yīng)變區(qū)模量進行探索。所制纖維指標達到國外尺寸穩(wěn)定性纖維的標準。兩步法生產(chǎn)尺寸穩(wěn)定纖維的工藝為：紡速3000m/min，210℃高溫牽伸，2.2倍牽伸。在相同的牽伸條件下，經(jīng)過預牽伸的成品絲的力學性能優(yōu)于未經(jīng)過預牽伸的成品絲。隨著牽伸溫度的提高，成品絲的強度、初始模量、Lase-5、E<,min>都有所上升；斷裂伸長和