光熱作用下幾種高性能纖維的疲勞及老化性能表征.pdf

1、高性能纖維材料優(yōu)異的光、熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能，是其在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的基礎(chǔ)。而使用場(chǎng)合的苛刻條件和本身的耐久與穩(wěn)定性是必須明確的。因此，本文對(duì)高性能纖維材料在熱、光輻射、力及其復(fù)合作用下老化、降解、彎曲疲勞及其對(duì)應(yīng)的老化機(jī)理進(jìn)行表征研究，以此為這類材料的制備和高性能化，及其光、熱穩(wěn)定性的表征提供方法與指導(dǎo)。
　　 利用TGA-DTA/FTIR表征了Kevlar49、Kevlar129、Nomex、PBO四種高性能纖維在空氣和氮?dú)庵械臒?/p>

2、降解性能，獲得了各纖維在兩種氣氛中的特征溫度，發(fā)現(xiàn)PBO纖維的起始和終止分解溫度最高即耐熱性能最好;Nomex纖維盡管起始分解溫度不到450℃，但其終止分解溫度接近800℃;四種纖維在空氣中的各特征溫度均低于在氮?dú)庵小＠脽釀?dòng)力學(xué)理論，分析了各纖維在兩個(gè)不同階段的活化能和反應(yīng)級(jí)數(shù)，發(fā)現(xiàn)除第一階段Nomex纖維在空氣中活化能更高，其它各階段活化能均是空氣中低于氮?dú)庵?，反?yīng)級(jí)數(shù)接近。在空氣中各種纖維的熱裂解釋放的氣體主要為CO2、CO、H2

3、O、NO2、HCN，還含有少量的NH3，其中CO2的吸收峰最為強(qiáng)烈;在氮?dú)猸h(huán)境中高溫裂解后的主要?dú)怏w為CO2、CO、H2O、NO2、NO、HCN，還含有少量的苯環(huán)化合物，與空氣中相比裂解產(chǎn)物中多了NO，且裂解產(chǎn)物中CO始終存在;依據(jù)裂解氣體的構(gòu)成，這類纖維的裂解均具有毒性。利用Py-GC/MS聯(lián)用儀分析了Kevlar49、Kevlar129、Nomex、PBO四種纖維的裂解過(guò)程，CO2占相當(dāng)大比例，裂解產(chǎn)物有較多的含苯環(huán)的小分子物質(zhì)出現(xiàn)

4、，在600℃和700℃時(shí)Kevlar49、Kevlar129裂解碎片較多，750℃是碎片量減少，而Nomex纖維在750℃時(shí)仍有較多的裂解碎片。對(duì)于PBO纖維由于其裂解溫度較高，在750℃時(shí)的裂解產(chǎn)物中PBO的重復(fù)單元體、CO2占相當(dāng)大比例，與其它三種纖維相比，分解產(chǎn)物中苯含量較少，其裂解性相對(duì)較安全。
　　 實(shí)現(xiàn)了柔性材料光力和光熱復(fù)合下的原位測(cè)量，對(duì)芳綸纖維在力、光和光、熱復(fù)合作用下的老化性能研究，表明在10％應(yīng)力作用下進(jìn)行

5、光老化，芳綸纖維的斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)保持率僅為75％和69％，較光單獨(dú)作用下明顯下降，纖維的形態(tài)和微細(xì)結(jié)構(gòu)降解得更為劇烈;光熱復(fù)合作用下芳綸纖維的力學(xué)性能較光和熱單獨(dú)作用下降解更快，同時(shí)纖維的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)較光和熱單獨(dú)作用降解更顯著，故在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)考慮冗余設(shè)計(jì)。
　　 在本課題組自制準(zhǔn)定點(diǎn)彎曲疲勞測(cè)試儀(FiBFAN)上，實(shí)現(xiàn)了微納米尺度彎曲疲勞握持器的設(shè)計(jì)與成型，能有效的對(duì)纖維彎曲疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。該儀器可以原位測(cè)量不同溫度

6、下材料的彎曲疲勞性能，還能夠原位觀測(cè)和拍攝材料的彎曲疲勞破壞過(guò)程和纖維的斷裂破壞形態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)記錄彎曲疲勞過(guò)程中的循環(huán)應(yīng)力。利用定點(diǎn)彎曲疲勞儀研究了幾種高性能纖維的彎曲疲勞性能，發(fā)現(xiàn)預(yù)加應(yīng)力和彎曲角度是影響彎曲疲勞壽命最主要的因素，彎曲頻率對(duì)彎曲疲勞壽命也有一定的影響。通過(guò)彎曲疲勞破壞的形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)Kevlar纖維和PBO纖維是原纖化劈裂破壞，高強(qiáng)聚乙烯為塑性積累斷裂，而Nomex纖維表現(xiàn)為舌狀的撕裂斷裂。對(duì)比Kevlar、PBO、高

7、強(qiáng)聚乙烯和Nomex纖維的彎曲疲勞特征值發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)聚乙烯最耐彎曲疲勞。同時(shí)研究了熱、濕、光老化對(duì)高性能纖維彎曲疲勞性能的影響，隨著溫度的增加，高強(qiáng)聚乙烯纖維的疲勞壽命減小，當(dāng)溫度增加到100℃，其彎曲疲勞壽命僅為20℃的30％。濕對(duì)纖維彎曲疲勞性能影響不大，Kevlar49和PBO纖維在濕環(huán)境下彎曲疲勞壽命略有降低。光老化對(duì)Kevlar49的彎曲疲勞影響較大，光老化一定時(shí)間后，纖維的彎曲疲勞壽命明顯減小。
　　 利用Kevlar長(zhǎng)

8、絲和芳綸1313長(zhǎng)絲為原料通過(guò)機(jī)織的方法得到了Kevlar純紡和Kevlar/芳綸1313混纖和交織三種結(jié)構(gòu)的織物。實(shí)測(cè)表明，2.5cm寬Kevlar純紡經(jīng)向強(qiáng)力為2500N以上，緯向?yàn)?248N;相近密度下混纖織物經(jīng)向僅有1632N，緯向?yàn)?854N;交織織物經(jīng)向強(qiáng)力為1300N，高于緯向;但交織織物的耐磨性能最好?？椢锛庸み^(guò)程的損傷分析，發(fā)現(xiàn)在加工過(guò)程中，經(jīng)向損傷接近30％，大于緯向。
　　 反光和透光性測(cè)量表明，不同組織結(jié)