凝胶纺丝制备高性能纤维的原理及实例.doc

《凝胶纺丝制备高性能纤维的原理及实例.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、凝胶纺丝制备高性能纤维的原理及其应用于聚合物纤维上的实例1背景介绍高性能纤维是指与传统的棉、毛、丝、麻等天然纤维及涤纶、锦纶、丙纶、腈纶等合成纤维相比，具有高弹性系数、高强度、耐热性、耐摩擦性、耐化学药品性和电绝缘性的新型化学纤维，并对外部的作用不易产生反应。高性能纤维最初出现是基于军事装备和宇宙开发等尖端科学的需要。随着高科技产业的发展以及大型航空器材、海洋开发、超高层建筑、医疗、环境保护、体育和休闲业的兴起，大力促进了高性能纤维的发展。获得高强纤维的工艺可以有三条路线胡学超.凝胶纺丝的发展和我们的任务[J].功能高分子学报.1992年6月第五卷第

2、二期：⑴制备分子量足够高的刚性分子,利用分子本身刚性,通过液晶纺丝来得到伸展链结构。Kevlar就是这样一个例子。⑵通过半刚性分子的高倍拉伸,如日本的Techonra。⑶通过柔性链制备伸展链结构,其中一种方法为凝胶纺丝,即利用超高分子量的柔性链分子,在稀溶液中解去缠结,然后纺丝、结晶,再通过高倍拉伸得到伸展链。凝胶纺丝方法与生产芳香族聚酰胺不一样,可以应用的原料众多且不难合成，不需要采用任何化学反应和复杂的加工方式，只需经过简单的凝胶纺丝就能够大幅度提高纤维的力学性能，日益受到国内外研究者的关注和重视，逐渐成为制备高性能纤维的重要方法。2原理及工艺介

3、绍崔福兴，赵兴波，党婧.高性能纤维加工技术———凝胶纺丝[J].玻璃钢/复合材料.2011年第4期2.1凝胶纺丝的基本原理凝胶纺丝又称冻胶纺丝,属溶液纺丝范畴。纺丝时，利用超高分子量的柔性链分子，在半稀溶液中解去缠结，然后纺丝、结晶，再通过高倍拉伸得到伸展链。纺丝原液在凝固成形过程中基本没有溶剂扩散，仅发生热交换，因而初生纤维含有大量溶剂，呈凝胶态，这种初生纤维经过超倍热拉伸（＞20倍)成为超高强高模纤维。从分子结构上看，相对分子质量极高的柔性链聚合物，经溶解成半稀溶液，大分子链之间的缠结大幅度减小，纺丝后骤冷使这种大分子链间的解缠状态得以保持在制备

4、的凝胶原丝中，通过超倍热拉伸，提高纤维结晶度和取向度，使呈折叠链的片晶向伸直链转化，从而获得超高强高模纤维。从纤维微观形态看，凝胶纺丝原液溶剂和固化溶剂为同一有机溶剂，纺丝原液由喷丝头挤出，在空气段能初步形成三维网络结构，然后进入凝固浴，急剧冷却使其凝胶化成为“均匀的凝胶丝”后再开始脱溶剂，这样易得到正圆形截面、结构均匀的纤维，且在热处理等后阶段工序中纤维分子的取向和结晶过程能比较均匀地进行，更易制备高性能纤维。2.2凝胶纺丝的工艺凝胶纺丝工艺分为纺丝原液制备、拉制凝胶丝条、萃取干燥和拉伸定形四道工序，如图2-1所示，各段工艺对纤维结构和性能均有重要

5、影响。图2-1凝胶纺丝工艺流程图2.2.1凝胶纺丝原液制备纤维分子链末端受外力作用时易发生应力集中从而使纤维断裂，因此成纤聚合物相对分子质量越高，末端缺陷越少，越有利于完善纤维的微观结构，从而为高倍拉伸提供有利的条件。采用凝胶纺丝时，纺丝液的凝胶质量分数对纤维加工、结构性能及成本等有直接影响。凝胶质量分数较低时，大分子取向度低，凝胶强度低，丝条稳定性差，纤维强度低，萃取干燥负荷较大，生产成本提高。凝胶质量分数较高时，凝胶强度较高，丝条稳定性较好，萃取干燥负荷较低，生产成本较低。2.2.2凝胶丝凝固条件凝胶纺丝的特点是所制备的初生丝条具有均匀疏松的网络

6、结构，大分子链间缠结少，可进行高倍拉伸。将无规取向的大分子立体网络转变成沿纤维轴取向的连续原纤微晶结构，有助于提高其强度和模量。因此凝胶纺丝工艺的关键在于获得一个理想的凝胶化结构，而凝固成形工序是形成凝胶的重要过程之一。2.2.3萃取干燥工序经凝胶纺丝制备的初生丝是一种高度溶胀的凝胶体，内含大量高沸点溶剂使大分子链溶剂化，降低了链间的次价键力和缠结点密度。溶剂化作用使大分子链的松弛活化能降低，活动性增加，在承受张力时，尤其在高温下拉伸时相对滑移，降低了纤维的强度和模量，因此必须除去溶济。除去凝胶丝条中高沸点溶剂可采用“萃取+干燥”的方式，这一过程将提

7、高凝胶原丝的超倍热拉伸稳定性和有效拉伸性。2.2.4拉伸工序凝胶原丝先经萃取、干燥，再经高倍热拉伸，使纤维的结晶度和取向度提高，且使大分子链由原来的折叠链向伸直链结晶结构转变，增强了大分子链间的相互作用力，更利于分子链的伸展，从而使纤维的强度和模量有很大提高。原丝的低缠结状态为超倍拉伸提供了必要条件。凝胶纺丝的超拉伸工艺常采用多级拉伸形式，拉伸温度和拉伸倍数是超倍拉伸的两大重要工艺参数，决定了凝胶纤维的最终拉伸强度与模量。2.3凝胶纺丝的特点凝胶纺丝与常规的湿法、干法溶液纺的主要区别有以下几方面：①以超高分子量聚合体为原料，分子量越大，链末端造成纤维

8、结构的缺陷就越少，越有利于纤维强度的提高，同时初生丝条能承受的拉伸倍数也越大，所得成品纤维的强度也就越高；②