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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维因具有许多优异的性能,被广泛应用于众多领域。制备UHMWPE纤维通常采用“冻胶纺丝-超倍热拉伸”工艺。UHMWPE经冻胶纺丝和萃取干燥后会产生大量孔洞,如果在赋予纤维高强度的前提下保留部分多孔结构,那么UHMWPE纤维将在很多领域具有广阔的应用前景,例如:海水提铀,污水处理等。所以成功制备高强多孔UHMWPE纤维有望在开发新能源和治理环境污染等方面迈出新的一步。本文以初纺冻胶纤维为原料,采用一级拉伸冻胶原丝、定长萃取和干燥、二级拉伸萃取后纤维的两级拉伸工艺制备高强度和高孔隙率的UHMWPE纤维。借助拉伸测试、小角X射线散射(SAXS)、扫描电子显微镜(SEM)和二甲苯溶剂填充纤维等手段研究拉伸应变速率(SR)、拉伸比(DR)和拉伸温度(T)对纤维微观结构、力学性能和孔隙率的影响。主要工作如下:1.搭建一套纤维连续拉伸装置并完成冻胶原丝的一级室温拉伸。拉伸过程中无规的分子链网络沿纤维轴向取向排列同时纤维表层的溶剂向外溢出。随应变速率和拉伸比增大,堆叠片晶取向程度增强,纤维强度和模量增大。拉伸后的冻胶纤维经萃取干燥处理,纤维呈现特殊的皮芯结构,表层为沿纤维轴向松散堆叠的片晶,芯层为多孔网络。2.二级高温拉伸萃取后纤维。拉伸过程中纤维逐渐发生片晶破碎再重组、折叠链片晶向微纤转变和微纤滑移。整个过程纤维强度和模量不断增大,孔隙率不断降低;随温度升高,片晶发生熔融再结晶,温度越高,片晶熔融效应越显著,纤维强度和模量先增大后减小,孔隙率逐渐降低。SEM结果表明纤维表面呈串晶结构,片晶之间产生大量孔洞,芯层为交叉纤维状的多孔网络。实验结果表明,制备高强多孔UHMWPE纤维的最佳拉伸成型工艺为:一级拉伸应变速率为1 s-1,拉伸比为10;二级拉伸应变速率为1 s-1,拉伸比为3,拉伸温度为120℃,对应纤维的拉伸强度为1.31 GPa,模量为10.1 GPa,孔隙率为35%。3.高温下采用不同的应变速率和拉伸比拉伸冻胶原丝。应变速率由低到高,纤维分子链会发生由链拉伸取向占主导向链滑移占主导的转变。随拉伸比增大纤维依次发生片晶的生长、滑移、破碎、再结晶以及微纤滑移。冻胶纤维经萃取干燥处理得到萃取后纤维,实验结果表明萃取后纤维含有大量孔洞,不同条件拉伸的萃取后纤维的孔隙率可达60-70%。4.采用不同应变速率、拉伸比和拉伸温度拉伸萃取后纤维。应变速率在0.1-2s-1之间,随应变速率增大,分子链沿纤维轴向取向,纤维强度和模量迅速增大;应变速率在2-10 s-1之间,片晶发生破碎再结晶,纤维强度增大趋势变缓,模量稍有下降,纤维孔隙率降低。随拉伸比增大,分子链趋于紧密排列,部分折叠链片晶向伸直链晶转变,纤维强度和模量近线性增大,孔隙率先增大后几乎不变。随拉伸温度升高,片晶熔融显著,纤维强度和模量均降低,孔隙率也降低。SEM结果显示纤维表面为串晶结构,片晶之间分布孔洞,芯层为纤维状多孔网络。实验结果表明,制备高强多孔UHMWPE纤维的最佳拉伸成型工艺为:一级拉伸应变速率为1 s-1,拉伸比为10,拉伸温度为110℃;二级拉伸应变速率为1 s-1,拉伸比为3,拉伸温度为100℃,对应纤维的拉伸强度为1.63 GPa,模量为10.5 GPa,孔隙率为47.7%。