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，是其在特殊場合應(yīng)用的基礎(chǔ)。而使用場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、彎曲疲勞及其對應(yīng)的老化機理進(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氣中的熱

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氣中。利用熱動力學(xué)理論，分析了各纖維在兩個不同階段的活化能和反應(yīng)級數(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氣中，反應(yīng)級數(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的吸收峰最為強烈;在氮氣環(huán)境中高溫裂解后的主要氣體為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Kevlar49、Kevlar129裂解碎片較多，750℃是碎片量減少，而Nomex纖維在750℃時仍有較多的裂解碎片。對于PBO纖維由于其裂解溫度較高，在750℃時的裂解產(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，其裂解性相對較安全。
　　 實現(xiàn)了柔性材料光力和光熱復(fù)合下的原位測量，對芳綸纖維在力、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，芳綸纖維的斷裂強力和伸長保持率僅為75％和69％，較光單獨作用下明顯下降，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)性能較光和熱單獨作用下降解更快，同時纖維的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)較光和熱單獨作用降解更顯著，故在實際使用過程中應(yīng)考慮冗余設(shè)計。
　　 在本課題組自制準(zhǔn)定點彎曲疲勞測試儀(FiBFAN)上，實現(xiàn)了微納米尺度彎曲疲勞握持器的設(shè)計與成型，能有效的對纖維彎曲疲勞性能進(jìn)行評價。該儀器可以原位測量不同溫度

6、下材料的彎曲疲勞性能，還能夠原位觀測和拍攝材料的彎曲疲勞破壞過程和纖維的斷裂破壞形態(tài)，能夠?qū)崟r記錄彎曲疲勞過程中的循環(huán)應(yīng)力。利用定點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，彎曲頻率對彎曲疲勞壽命也有一定的影響。通過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。對比Kevlar、PBO、高

7、強聚乙烯和Nomex纖維的彎曲疲勞特征值發(fā)現(xiàn)高強聚乙烯最耐彎曲疲勞。同時研究了熱、濕、光老化對高性能纖維彎曲疲勞性能的影響，隨著溫度的增加，高強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Kevlar49的彎曲疲勞影響較大，光老化一定時間后，纖維的彎曲疲勞壽命明顯減小。
　　 利用Kevlar長

8、絲和芳綸1313長絲為原料通過機織的方法得到了Kevlar純紡和Kevlar/芳綸1313混纖和交織三種結(jié)構(gòu)的織物。實測表明，2.5cm寬Kevlar純紡經(jīng)向強力為2500N以上，緯向為3248N;相近密度下混纖織物經(jīng)向僅有1632N，緯向為1854N;交織織物經(jīng)向強力為1300N，高于緯向;但交織織物的耐磨性能最好。織物加工過程的損傷分析，發(fā)現(xiàn)在加工過程中，經(jīng)向損傷接近30％，大于緯向。
　　 反光和透光性測量表明，不同組織結(jié)