静电纺超高分子量聚乙烯超细纤维的制备及其增强技术研究

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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维被称为第三代高性能纤维,具有优异的力学性能和综合性能。由于UHMWPE分子链段的缠结,冻胶纺丝、压制-烧结、螺杆挤出等常规生产方法很难制备出直径较细的UHMWPE纤维。纤维直径越细,内部结构缺陷越少,其性能越好,因此,实现纤维细化是提高纤维性能的重要环节。静电纺丝法能够简单高效地制备具有良好结构和优异性能的纳米纤维。为此,本文对静电纺制备UHMWPE超细纤维进行研究。此外,为了进一步提高UHMWPE纤维的力学性能,本文对UHMWPE分别进行了牵伸增强、超声波振动增强及碳纳米管增强技术的研究。研究结果如下:(1)以液体石蜡为溶剂,二甲苯为萃取剂,添加B225混合抗氧化剂,在纺丝电压13kV、纺丝速度0.6ml/h、纺丝距离25cm的工艺参数下,成功制备直径在570~1090nm范围内的静电纺UHMWPE纤维,纤维直径随着溶液质量分数的增加而增大。X-射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)测试表明静电纺丝过程没有改变UHMWPE的化学结构。对纤维束的力学性能测试结果表明,静电纺1.0%纤维束的比应力可达到3.88cN/den,1.5%UHMWPE纤维束比应力次之,为3.33cN/den,0.5%纤维束强力最差,为1.91cN/den。(2)牵伸增强研究发现,牵伸后的束纤维截面呈扁平状,断裂形式为韧性断裂。牵伸增强正交试验设计结果表明,牵伸增强静电纺1.0%UHWMPE纤维束比应力的因素中影响程度的主次顺序为:拉伸倍数>拉伸温度>萃取温度;最合理的牵伸增强实验工艺条件为:萃取温度50℃,拉伸温度90℃,拉伸倍数4倍,在此条件下,比应力由6.61cN/den增加到12.67cN/den。牵伸增强静电纺1.5%UHWMPE纤维束比应力的因素中影响程度的主次顺序为:拉伸倍数>萃取温度>拉伸温度;最合理的牵伸增强实验工艺条件为:萃取温度50℃,拉伸温度100℃,拉伸倍数4倍,在此条件下,比应力由8.03cN/den增加到12.84cN/den。(3)超声波振动增强研究发现,经超声振动10min,质量分数为1.5%、1.75%和2.0%的纺丝液所制备的UHMWPE纤维直径分别由1088nm、2487nm和3577nm降低到482nm、772nm和1169nm;2.0%UHMWPE纤维的XRD谱图表明超声波振动未破坏UHMWPE的化学结构,且结晶度有所提高;1.75%和2.0%纤维束比应力分别由3.22cN/den和3.69cN/den增加到6.17cN/den和6.90cN/den,由于1.5%UHMWPE纺丝液轻微降解,导致制备的纤维束比应力由8.81cN/den下降到5.12cN/den。3个质量分数的纤维束力学性能的变化表明,超声波振动增强更适用于相对高浓度的纺丝溶液。(4)多壁碳纳米管(MWNTs)增强实验发现,复合纤维直径随着MWNTs含量的增加而增大;XRD结果表明当MWNTs含量为溶质质量的0.2%时复合纤维的结晶度最大,约为17.28%,此时,MWNTs对纤维比应力的增强效果最好,由未添加MWNTs时的3.69cN/den增加到6.95cN/den。
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