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结构与性能之间的关系历来是高分子物理与材料科学的一个中心课题。间规聚丙烯(sPP)是一种具有一定结晶度和高模量的新型热塑性弹性体,具有复杂的聚集态结构和优异的回弹性能。为了阐明中规整度sPP的结构特征以及相应的硬弹性纤维成型过程中的物理问题,本论文以红外光谱(FT-IR)为主要研究手段,结合广角X射线衍射(WAXD)、差示扫描量热(DSC)以及力学性能测试等方法,对sPP及其纤维在不同条件下的结构及相应性能进行了系统研究,开展的主要工作如下:
1.应力诱导sPP结构转变和取向行为
将自制的温度可控红外拉伸附件与傅立叶变换红外光谱仪相连,原位研究了不同初始结构的中规整度sPP在不同温度下拉伸和松弛过程中结构转变和取向行为。研究发现,拉伸温度的提高可抑制sPP在拉伸过程中螺旋构象向平面锯齿构象转变,并且不同初始结构的sPP在拉伸和松弛过程中的结构转变和取向行为明显不同。根据中规整度sPP结构形成和转变特点,结合sPP弹性由来,初步得出sPP硬弹性纤维的理想结晶结构是以取向的form Ⅰ为主。
2.sPP硬弹性纤维成型过程中的结构转变
根据上一章对sPP结构转变和取向行为分析,以及sPP硬弹性纤维的理想结构特征,设计了sPP硬弹性纤维的成型加工方法并进行了实验验证。在不同纺丝条件、牵伸工艺以及后处理条件下制备了一系列sPP纤维。用FT-IR、WAXD、DSC以及力学性能测试等方法研究了sPP纤维的结构和性能,初步建立了结构可控的sPP硬弹性纤维的成型方法:(1)首先获得取向度较低且具有form Ⅰ结构的卷绕纤维;(2)然后在合适的牵伸温度和牵伸倍数下得到取向度高且具有介晶相结构的牵伸纤维;(3)最后在张力和较高温度条件下对纤维进行退火,得到取向的、具有form Ⅰ结构的sPP弹性纤维。这种sPP成品纤维的强度和断裂伸长率高,并且在较大的变形区域回弹性好,是一种新型的硬弹性纤维。
3.等规聚丙烯(IPP)/间规聚丙烯(sPP)共混物及其纤维的结构和性能
通过熔融共混和熔融纺丝方法制备了一系列不同配比的iPP/sPP共混物及其纤维。采用偏光和相差显微镜、DSC、WAXD以及力学性能测试研究了iPP/sPP共混物及其纤维的结构和性能,并分析了sPP纤维和共混纤维具有优异回弹性的原因。结果表明,iPP/sPP共混物虽然属于非相容体系,但在无定型区存在较强的相互作用,使共混物能顺利纺丝;iPP的加入提高了sPP的结晶温度、模量以及牵伸性能;当sPP的含量大于70%时,共混纤维的回弹性与纯sPP基本相同。
总之,本论文通过上述三个方面研究,阐明了中规整度sPP的结构转变特征以及弹性由来,设计出硬弹性sPP纤维理想结构,初步建立了sPP硬弹性纤维的成型方法,以及提高sPP弹性和加工性能的途径,为sPP弹性纤维的开发提供了理论依据。