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)過億萬年進化，生物體在有限的資源和殘酷的自然選擇中，為生存而進化出許多超乎人類想象的結(jié)構(gòu)，引起科學家的普遍興趣。遠在三千年前梯度鋼結(jié)構(gòu)首次被生產(chǎn)出來之前，大自然就已經(jīng)把梯度結(jié)構(gòu)這個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合材料中，不僅形成層次化結(jié)構(gòu)，而且分散相或增強相多為非均勻分布，從而使材料具有良好的力學性能并完成復雜的生理功能。受這些啟示，材料科學家們研究和開發(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的制備滿足復雜性能要求的多相聚合物材料的最通用和最經(jīng)濟的方法。多相聚合物材料的性能強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該領域研究熱點之一。通過控制加工流場、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，如力學性能、可染色性，還可以制備超細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用舞臺。
　　前人對基質(zhì)-微纖型共混纖維的研究多集中于加工條件對形貌的影響，對形貌形成和發(fā)展機理的理論研究和形貌模擬的關(guān)注較少。深入開展這方面的理論研究，一方面可以指導基質(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力學理論的補充和拓展。
　　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)象的機理假說。本文在此基礎上，以PP/PS共混纖維為研究對象，進行共混纖維成形過程中兩相形貌形成和演變機理研究，提出描述這些機理的數(shù)學模型體系，并進行數(shù)值求解。本文在以下幾個方面展開工作并形成結(jié)論:
　　(1)對原材料聚合物進行了細致的表征，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)驗方程中的常數(shù)，以及這些常數(shù)與流場強度之間的關(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，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，表觀拉伸粘度比對溫度的敏感性增強。這些結(jié)論將指導共混纖維紡絲工藝條件設計，以及后續(xù)的紡絲動力學研究和纖維形貌模擬。

6、
　　(2)通過共混熔融紡絲，制備了具有梯度形貌的基質(zhì)-微纖型共混纖維。通過改變原材料聚合物的粘度比、紡絲速度，研究了加工條件對分散相形貌的影響。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，通過掃描電子顯微鏡對共混纖維形貌進行了表征，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，討論了加工條件對梯度化程度的影響，提出了形貌形成和演變的機理。研究表明，纖維的梯度相形貌強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，沒有聚并。當紡絲速度超過一定的臨界值時，液滴開始聚并。通過紡程取樣分析發(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），隨著紡絲過程進行，這種梯度形貌得到保持并發(fā)展。提高紡絲速度，基體纖維直徑細化加劇，能夠加劇梯度化，但是過高的紡絲速度(如1000m/min)會帶來嚴重的聚并，弱化由于基體纖維直徑細化對梯度化的貢

8、獻。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)基于熔融紡絲動力學理論研究，推導了共混熔融紡絲過程中速度、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、拉伸應力沿紡程的軸向和徑向二維分布，建立了共混熔紡的動力學理論模型。
　　(4)通過共混熔融紡絲過程中的微流變分析，建立了適合共混熔融紡絲過程中分散相液滴形變、破裂

9、和聚并的數(shù)學模型。通過建立關(guān)聯(lián)元胞方法，對液滴的初始狀態(tài)，以及在紡程上的形變、破裂和聚并行為進行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果進行了對比。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程。理論模擬的基質(zhì)-微纖形貌基本上與實驗觀測的結(jié)果一致。在研究的紡絲速度下，分散相液滴在紡程上不會發(fā)生破裂（Ca*＞4）。<