PP-PS共混體系紡程上纖維形貌演變的研究和模擬.pdf

1、經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化，生物體在有限的資源和殘酷的自然選擇中，為生存而進(jìn)化出許多超乎人類想象的結(jié)構(gòu)，引起科學(xué)家的普遍興趣。遠(yuǎn)在三千年前梯度鋼結(jié)構(gòu)首次被生產(chǎn)出來(lái)之前，大自然就已經(jīng)把梯度結(jié)構(gòu)這個(gè)概念引入許多生物體組織中。自然界中大多數(shù)生命體所形成的天然復(fù)合材料中，不僅形成層次化結(jié)構(gòu)，而且分散相或增強(qiáng)相多為非均勻分布，從而使材料具有良好的力學(xué)性能并完成復(fù)雜的生理功能。受這些啟示，材料科學(xué)家們研究和開(kāi)發(fā)了許多具有優(yōu)異功能的材料，其中最具代表性的是梯度功

2、能材料（Functionallygradedmaterials）。
　　聚合物共混是一種公認(rèn)的制備滿足復(fù)雜性能要求的多相聚合物材料的最通用和最經(jīng)濟(jì)的方法。多相聚合物材料的性能強(qiáng)烈地依賴于材料的形貌。具有基質(zhì)-微纖形貌(Matrix-fibrilmorphology)的多相聚合物材料是近年來(lái)該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。通過(guò)控制加工流場(chǎng)、聚合物組分間的界面相互作用，可以制備具有基質(zhì)-微纖形貌的共混物。通過(guò)制備具有基質(zhì)-微纖形貌的共混纖維，可以

3、改善傳統(tǒng)合成纖維的性能，如力學(xué)性能、可染色性，還可以制備超細(xì)纖維和具有其它特種性能的纖維，為基質(zhì)-微纖形貌研究提供了廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)。
　　前人對(duì)基質(zhì)-微纖型共混纖維的研究多集中于加工條件對(duì)形貌的影響，對(duì)形貌形成和發(fā)展機(jī)理的理論研究和形貌模擬的關(guān)注較少。深入開(kāi)展這方面的理論研究，一方面可以指導(dǎo)基質(zhì)-微纖型共混纖維的制備，另一方也是聚合物共混理論和熔融紡絲動(dòng)力學(xué)理論的補(bǔ)充和拓展。
　　課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，在聚丙烯/聚苯乙烯(PP

4、/PS)和低密度聚乙烯/聚酰胺6(LDPE/PA6)共混纖維中發(fā)現(xiàn)了分散相數(shù)目和尺寸呈現(xiàn)徑向梯度分布，并提出了解釋這一現(xiàn)象的機(jī)理假說(shuō)。本文在此基礎(chǔ)上，以PP/PS共混纖維為研究對(duì)象，進(jìn)行共混纖維成形過(guò)程中兩相形貌形成和演變機(jī)理研究，提出描述這些機(jī)理的數(shù)學(xué)模型體系，并進(jìn)行數(shù)值求解。本文在以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作并形成結(jié)論:
　　(1)對(duì)原材料聚合物進(jìn)行了細(xì)致的表征，包括分子量和分子量分布、基本熱性能、剪切流變性能和拉伸流變性能，確定了流

5、變經(jīng)驗(yàn)方程中的常數(shù)，以及這些常數(shù)與流場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。研究表明，隨著PS分子量的降低，共混體系粘度比下降。PP和PS均出現(xiàn)表觀粘度隨拉伸速率增大而降低的趨勢(shì)，表現(xiàn)為“拉伸變稀”行為。PP和PS的拉伸粘流活化能和指前因子與拉伸速率的雙對(duì)數(shù)值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。在相同的拉伸速率下，溫度越高，表觀拉伸粘度比越高。提高拉伸速率，表觀拉伸粘度比對(duì)溫度的敏感性增強(qiáng)。這些結(jié)論將指導(dǎo)共混纖維紡絲工藝條件設(shè)計(jì)，以及后續(xù)的紡絲動(dòng)力學(xué)研究和纖維形貌模擬。

6、
　　(2)通過(guò)共混熔融紡絲，制備了具有梯度形貌的基質(zhì)-微纖型共混纖維。通過(guò)改變?cè)牧暇酆衔锏恼扯缺?、紡絲速度，研究了加工條件對(duì)分散相形貌的影響。采用紡程取樣的方法，獲得了不同紡絲速度下，不同紡程位置的共混纖維，通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)共混纖維形貌進(jìn)行了表征，系統(tǒng)研究了基質(zhì)-微纖形貌的形成和在紡程上的發(fā)展演變，討論了加工條件對(duì)梯度化程度的影響，提出了形貌形成和演變的機(jī)理。研究表明，纖維的梯度相形貌強(qiáng)烈地依賴于體系的粘度比和紡絲速度。低

7、紡絲速度下，紡程上只發(fā)生分散相液滴的形變，沒(méi)有聚并。當(dāng)紡絲速度超過(guò)一定的臨界值時(shí)，液滴開(kāi)始聚并。通過(guò)紡程取樣分析發(fā)現(xiàn)，擠出絲中已經(jīng)有一定程度的梯度形貌（液滴數(shù)量徑向梯度ac=-1.04×10-3m-1、液滴直徑徑向梯度ad=2.72×10-3），隨著紡絲過(guò)程進(jìn)行，這種梯度形貌得到保持并發(fā)展。提高紡絲速度，基體纖維直徑細(xì)化加劇，能夠加劇梯度化，但是過(guò)高的紡絲速度(如1000m/min)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的聚并，弱化由于基體纖維直徑細(xì)化對(duì)梯度化的貢

8、獻(xiàn)。擠出絲中出現(xiàn)梯度形貌是噴絲孔中非均勻剪切作用的結(jié)果，而紡程上梯度化程度增加則是分散相液滴非均勻形變、聚并和遷移的結(jié)果。
　　(3)基于熔融紡絲動(dòng)力學(xué)理論研究，推導(dǎo)了共混熔融紡絲過(guò)程中速度、速度梯度、紡程張力、結(jié)晶度和取向度沿紡程的軸向分布，以及溫度、拉伸粘度、拉伸應(yīng)力沿紡程的軸向和徑向二維分布，建立了共混熔紡的動(dòng)力學(xué)理論模型。
　　(4)通過(guò)共混熔融紡絲過(guò)程中的微流變分析，建立了適合共混熔融紡絲過(guò)程中分散相液滴形變、破裂

9、和聚并的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)建立關(guān)聯(lián)元胞方法，對(duì)液滴的初始狀態(tài)，以及在紡程上的形變、破裂和聚并行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，在紡程拉伸作用下，紡程上分散相液滴發(fā)生了仿射形變（約化毛細(xì)管數(shù)Ca*＞4），由球形液滴形變成橢球形，最后形成微纖形貌。紡程上液滴的聚并是由液滴間基體相薄層的粘性破壞所控制的過(guò)程。理論模擬的基質(zhì)-微纖形貌基本上與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果一致。在研究的紡絲速度下，分散相液滴在紡程上不會(huì)發(fā)生破裂（Ca*＞4）。<