熔融纺丝法制备新型PA12T纤维及拉伸对结构与性能影响的研究

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半芳香族聚酰胺具有优异的耐高温性能、尺寸稳定性和耐化学腐蚀性之外,兼具了脂肪族聚酰胺的可熔融加工性和芳香族聚酰胺优异的力学性能,作为特种工程塑料被广泛应用于国防军工、航空航天、汽车制造、电子电器等高强耐热零部件的制造。近年来,对半芳香族聚酰胺新品种、新工艺及其复合材料的开发已成为特种高分子工程材料领域的研究热点。PA12T作为我国开发并工业化生产的半芳香聚酰胺新品种,其优异的综合性能堪比日本的PA9T,具有良好的发展前景。PA12T大分子主链结构规整、刚性和柔性适中,结晶度高,熔点在300℃左右,除了可作为高性能特种工程塑料进行应用外,满足了熔融纺丝工艺的基本要求,具备了作为基础树脂进行研究开发特种纤维的基本条件。目前,PA12T可纺性和单轴拉伸条件对其结构性能影响方面的研究尚未见文献报道。本文首先采用熔融纺丝法探究了PA12T的可纺性,研究了纺丝速度和后拉伸工艺对纤维结构和性能的影响,并采用薄膜样品详细研究了单轴拉伸条件下PA12T的结构和性能演化规律,取得了一些有意义的研究结果。主要研究内容和结果如下:(1)采用DSC、TG、哈克流变仪等仪器对半芳香族聚酰胺PA12T的热性能、流变性能等基本物性进行了表征,利用微型双螺杆挤出机进行了可纺性探究。结果表明:PA12T的熔融温度比初始分解温度低130℃,能够满足熔融纺丝工艺的基本要求;改变熔体温度或剪切速率均可在较大范围内调整熔体黏度,有利于熔融纺丝条件调整;PA12T在350℃的挤出温度下纺丝稳定性良好,通过对纺丝速度的调节,可制备不同直径的初生纤维。(2)采用DSC、XRD和电子万能拉伸试验机,探究了纺丝速度对PA12T纤维结构与性能的影响。结果表明:初生纤维熔融焓随纺丝速度增加呈先减小后增加趋势;PA12T纺丝前其结晶以α晶为主,经熔纺后随纺丝速度增加,初生纤维中α晶占比明显减少,γ晶占比增加;随纺丝速度的增加,初生纤维的拉伸强度、模量增大,断裂伸长率小。在纺丝速度为35 m/min和262 m/min时,其拉伸强度为97.6 MPa和314.5 MPa,模量为2.25 GPa和5.53 GPa,断裂伸长率为235.5%和99.5%。(3)通过DSC、2D-WAXD、WAXD、SEM和万能拉伸试验机等分析测试手段探讨了PA12T纤维的后拉伸条件对其结晶结构和机械性能的影响。结果表明:纤维经拉伸后,其结晶结构发生了较大变化。初生纤维结晶为α晶和γ晶并存,经热拉伸后其结晶以γ晶为主,且γ晶(100)晶面的晶面间距减小;拉伸倍率增大,纤维取向度显著增大,熔融焓先减小后增大,拉伸温度升高,纤维取向度先增大后减小,熔融焓增大;伴随着纤维取向程度的增高,纤维的断裂强度显著增大,而断裂伸长率随之下降。本文PA12T纤维的最佳后拉伸温度是175℃,此温度下高倍拉伸纤维可以获得最优的取向度、结晶度和力学强度。在此温度下5倍拉伸倍率下得到的PA12T纤维断裂强度可达870.4 MPa,相比于初生纤维提高了5.3倍。(4)通过DSC、2D-WAXD、WAXD、SAXS、DMA和万能拉伸试验机等手段探究了PA12T淬火薄膜在单轴拉伸条件下的结构和性能演化。结果表明:淬火薄膜所含结晶的晶型以γ晶为主;样品在单轴拉伸时随着拉伸温度提高和拉伸倍率增大,样品取向度增大,晶面间距减小,长周期增大,拉伸诱导取向结晶,熔融焓增大,晶型未发生明显转变;随着取向度和结晶度的增大,PA12T样品的储能模量和α转变温度呈增大趋势。210℃下拉伸4.6倍PA12T样品的储能模量增大了1.3倍,α转变温度由133.6℃上升到155.4℃;随着取向度增大,PA12T的拉伸强度和弹性模量大幅度提高,最大的拉伸强度和弹性模量分别为465.5 MPa和5991.3 MPa,相较于未拉伸样品分别提高了5倍和3.6倍。
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