高強多孔UHMWPE纖維成型工藝與結構性能研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維因具有許多優(yōu)異的性能，被廣泛應用于眾多領域。制備 UHMWPE纖維通常采用“凍膠紡絲-超倍熱拉伸”工藝。UHMWPE經凍膠紡絲和萃取干燥后會產生大量孔洞，如果在賦予纖維高強度的前提下保留部分多孔結構，那么UHMWPE纖維將在很多領域具有廣闊的應用前景，例如：海水提鈾，污水處理等。所以成功制備高強多孔UHMWPE纖維有望在開發(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、采用一級拉伸凍膠原絲、定長萃取和干燥、二級拉伸萃取后纖維的兩級拉伸工藝制備高強度和高孔隙率的UHMWPE纖維。借助拉伸測試、小角X射線散射(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變速率(SR)、拉伸比(DR)和拉伸溫度(T)對纖維微觀結構、力學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室溫拉伸。拉伸過程中無規(guī)的分子鏈網絡沿纖維軸向取向排列同時纖維表層的

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

4、漸降低。SEM結果表明纖維表面呈串晶結構，片晶之間產生大量孔洞，芯層為交叉纖維狀的多孔網絡。實驗結果表明，制備高強多孔UHMWPE纖維的最佳拉伸成型工藝為：一級拉伸應變速率為1 s-1，拉伸比為10；二級拉伸應變速率為1 s-1，拉伸比為3，拉伸溫度為120℃，對應纖維的拉伸強度為1.31 GPa，模量為10.1 GPa，孔隙率為35％。
　　3.高溫下采用不同的應變速率和拉伸比拉伸凍膠原絲。應變速率由低到高，纖維分子鏈會發(fā)生由鏈

5、拉伸取向占主導向鏈滑移占主導的轉變。隨拉伸比增大纖維依次發(fā)生片晶的生長、滑移、破碎、再結晶以及微纖滑移。凍膠纖維經萃取干燥處理得到萃取后纖維，實驗結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60-70%。
　　4.采用不同應變速率、拉伸比和拉伸溫度拉伸萃取后纖維。應變速率在0.1-2 s-1之間，隨應變速率增大，分子鏈沿纖維軸向取向，纖維強度和模量迅速增大；應變速率在2-10 s-1之間，片晶發(fā)生破碎再結晶

6、，纖維強度增大趨勢變緩，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變，纖維強度和模量近線性增大，孔隙率先增大后幾乎不變。隨拉伸溫度升高，片晶熔融顯著，纖維強度和模量均降低，孔隙率也降低。SEM結果顯示纖維表面為串晶結構，片晶之間分布孔洞，芯層為纖維狀多孔網絡。實驗結果表明，制備高強多孔UHMWPE纖維的最佳拉伸成型工藝為：一級拉伸應變速率為1 s-1，拉伸比為10，拉伸溫度為110℃；二級