簾線用滌綸工業(yè)絲低應(yīng)變區(qū)結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、滌綸工業(yè)絲不但具有普通滌綸良好的化學(xué)穩(wěn)定性，還具有高強(qiáng)度，高模量，低延伸，耐沖擊，耐疲勞，耐熱性好等優(yōu)良的物理機(jī)械性能。滌綸工業(yè)絲主要作為橡膠骨架材料，研究表明，滌綸工業(yè)絲模量隨應(yīng)變的增加發(fā)生非常明顯的變化。在模量的最低區(qū)2﹪～5﹪應(yīng)變范圍內(nèi)，正是輪胎簾線使用時(shí)經(jīng)常持續(xù)的應(yīng)變范圍并且簾線在輪胎制造和使用過(guò)程中也經(jīng)受了高溫以及形變。因此，研究此應(yīng)變區(qū)域提供抵抗形變能力的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，及如何提高此應(yīng)變區(qū)域的模量，研究如何抑制模量隨溫度升高而下降

2、，并降低熱收縮率是獲得優(yōu)異力學(xué)性能輪胎簾線的關(guān)鍵問(wèn)題。 本論文首先對(duì)簾線用PET工業(yè)絲力學(xué)性能表征形式和指標(biāo)進(jìn)行研究。對(duì)表征簾線用纖維力學(xué)性能的指標(biāo)：應(yīng)力一應(yīng)變曲線、初始模量、特定伸長(zhǎng)負(fù)荷或特定負(fù)荷的伸長(zhǎng)、模量一應(yīng)變曲線等進(jìn)行評(píng)價(jià)。重點(diǎn)研究PET工業(yè)絲模量一應(yīng)變曲線的表征方法，并制定相應(yīng)的指標(biāo)，能夠較全面的反應(yīng)簾線用PET纖維的力學(xué)性能。 測(cè)定常溫及輪胎使用溫度下不同種類(lèi)滌綸工業(yè)絲的模量一應(yīng)變曲線以及其它力學(xué)性能。分析不

3、同滌綸工業(yè)絲力學(xué)性能尤其是使用應(yīng)變2﹪～5﹪區(qū)域的模量變化以及模量隨測(cè)試溫度的變化。 運(yùn)用WAXS，DSC，DMA等現(xiàn)代測(cè)試方法測(cè)定不同種類(lèi)滌綸工業(yè)絲的結(jié)晶度、晶胞參數(shù)、非晶取向系數(shù)、縛結(jié)分子百分?jǐn)?shù)、取向度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滌綸工業(yè)絲的力學(xué)性能、熱性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析，確定獲得尺寸穩(wěn)定形滌綸工業(yè)絲以及提高使用應(yīng)變區(qū)(2﹪～5﹪)模量所要具備的結(jié)構(gòu)內(nèi)容。重點(diǎn)研究HMLS滌綸工業(yè)絲的力學(xué)性能并解釋模量一應(yīng)變曲線變化的原

4、因。測(cè)試獲得錦綸工業(yè)絲、芳綸、高強(qiáng)聚乙烯長(zhǎng)絲、碳纖維、高強(qiáng)粘膠長(zhǎng)絲的模量一應(yīng)變曲線，結(jié)合其各自的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征對(duì)曲線進(jìn)行分析，為進(jìn)一步在超分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究滌綸工業(yè)絲的模量一應(yīng)變曲線奠定基礎(chǔ)。纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)分析在這些條件下纖維模量變化的原因。通過(guò)紅外光譜測(cè)試并結(jié)合HMLS滌綸工業(yè)絲結(jié)構(gòu)參數(shù)分析拉伸過(guò)程中使用應(yīng)變區(qū)域模量下降的原因。 在結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，采用高粘度聚酯切片在國(guó)產(chǎn)紡絲機(jī)和牽伸機(jī)上進(jìn)行熔融紡絲(通過(guò)對(duì)機(jī)器進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn))，

5、通過(guò)調(diào)整紡絲速度、牽伸倍數(shù)、冷卻過(guò)程等來(lái)控制聚酯長(zhǎng)絲的結(jié)構(gòu)、性能，獲得性能穩(wěn)定良好的輪胎用聚酯長(zhǎng)絲。 對(duì)于工業(yè)用滌綸長(zhǎng)絲來(lái)說(shuō)，模量一應(yīng)變曲線更能全面反映材料的力學(xué)性能。對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合并確定最佳多項(xiàng)式次數(shù)為4次，求導(dǎo)得到纖維的模量應(yīng)變曲線。從室溫到測(cè)試溫度200℃時(shí)不同種類(lèi)滌綸工業(yè)絲的模量-應(yīng)變曲線均為雙峰曲線。不同品種滌綸工業(yè)絲模量-應(yīng)變曲線的兩個(gè)模量峰值及模量低谷值有較大差異。 尺寸穩(wěn)定形滌綸工業(yè)纖維具有

6、以下特點(diǎn)：較高的結(jié)晶度和晶區(qū)取向，結(jié)晶充分，結(jié)晶要互相貫穿，形成連續(xù)相，無(wú)定形含量低且不連續(xù)；晶區(qū)取向高，無(wú)定形取向略低，無(wú)定形區(qū)縛結(jié)分子含量高，自由分子鏈、折疊分子鏈含量低；熱穩(wěn)定性好。為使纖維具有尺寸穩(wěn)定的特性，同時(shí)提高低應(yīng)變區(qū)模量，纖維成形時(shí)應(yīng)滿足以下條件： 1) 纖維具有較高的結(jié)晶度，取向、較高的結(jié)構(gòu)規(guī)整形。結(jié)晶區(qū)互相貫穿，無(wú)定形區(qū)存在較高的縛結(jié)分子。 2) 纖維具有較高的縛結(jié)分子數(shù)和較高的內(nèi)應(yīng)力，使纖維具有低

7、收縮、高尺寸穩(wěn)定性和高抗形變能力。 錦綸工業(yè)絲、高強(qiáng)聚乙烯、芳綸、碳纖維和高強(qiáng)粘膠這幾種高性能工業(yè)絲有各自的特征模量一應(yīng)變曲線。HMLS滌綸工業(yè)絲在室溫到200℃下的拉伸為均勻拉伸，模量一應(yīng)變曲線都是雙峰曲線。當(dāng)PET長(zhǎng)絲拉伸時(shí)，左右式構(gòu)象降低，反式構(gòu)象增加。由于無(wú)定形區(qū)纏結(jié)點(diǎn)的破壞，模量曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰值即通常所說(shuō)的初始模量。在施加拉伸負(fù)荷前，無(wú)定形區(qū)大分子呈空間皺曲狀態(tài)，并相互纏結(jié)形成纏結(jié)網(wǎng)。施加拉伸負(fù)荷后，乙二醇基伸長(zhǎng)、變

8、形，纏結(jié)點(diǎn)破壞，即大分子間結(jié)合力如氫鍵等伸長(zhǎng)或被拉斷。取消作用力后大分子又恢復(fù)原狀，這個(gè)過(guò)程是瞬間完成的，所發(fā)生的形變?yōu)閺椥孕巫?。無(wú)定形區(qū)取向度越大、纏結(jié)點(diǎn)(相互作用點(diǎn))越多，破壞這些纏結(jié)點(diǎn)所需的力也越大，模量也越高。 無(wú)定形區(qū)皺曲大分子的伸直導(dǎo)致模量的下降。這一過(guò)程伴隨著大分子構(gòu)象的變化。PET大分子的乙烯基團(tuán)、芳環(huán)上的酯基有左右式和反式兩種構(gòu)象，分別對(duì)應(yīng)于結(jié)晶區(qū)內(nèi)伸直的大分子和無(wú)定形區(qū)內(nèi)蜷曲的大分子。當(dāng)無(wú)定形區(qū)皺曲大分子被拉

9、直時(shí)，其大分子的構(gòu)象由左右式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉词浇Y(jié)構(gòu)。繼續(xù)施加拉伸負(fù)荷后，大分子逐漸伸直且晶區(qū)間的連接分子開(kāi)始伸長(zhǎng)，主鏈共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)、鍵角發(fā)生變化。 因?yàn)閺埦o的縛結(jié)分子模量較大所以模量又開(kāi)始上升。由于大分子長(zhǎng)度的差異，模量呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。形成第二個(gè)模量峰的條件：結(jié)晶度較高且晶區(qū)較完善，這樣就能夠?qū)`結(jié)分子形成較強(qiáng)的握持力而不使其從晶區(qū)中抽拔出來(lái)。由于縛結(jié)分子之間相互剪切、摩擦作用使纖維的強(qiáng)力足以使模量越過(guò)第二個(gè)峰值。隨著張緊的大分子

10、發(fā)生斷裂及大分子從晶區(qū)中抽拔，模量又開(kāi)始下降。 高粘度PET切片經(jīng)兩步法、高溫高倍牽伸制備尺寸穩(wěn)定性纖維，對(duì)提高低應(yīng)變區(qū)模量進(jìn)行探索。所制纖維指標(biāo)達(dá)到國(guó)外尺寸穩(wěn)定性纖維的標(biāo)準(zhǔn)。兩步法生產(chǎn)尺寸穩(wěn)定纖維的工藝為：紡速3000m/min，210℃高溫牽伸，2.2倍牽伸。在相同的牽伸條件下，經(jīng)過(guò)預(yù)牽伸的成品絲的力學(xué)性能優(yōu)于未經(jīng)過(guò)預(yù)牽伸的成品絲。隨著牽伸溫度的提高，成品絲的強(qiáng)度、初始模量、Lase-5、E<,min>都有所上升；斷裂伸長(zhǎng)和