發(fā)布時間：2020-06-09 03:26

【摘要】：超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)和薄膜的加工均采用凝膠絲(膜)的擠出加工和后拉伸工藝。在后拉伸過程中不同的加工參數(shù)(如拉伸溫度、拉伸應變和拉伸速率等)對產(chǎn)品的形態(tài)結構和最終性能具有非常重要的影響。因此想要提高產(chǎn)品性能和真正做到對實際加工過程進行指導,就必須深刻理解其后拉伸過程中拉伸誘導晶體形態(tài)結構演化機理。實際上半晶高分子材料后拉伸過程是一種非平衡過程,該過程是由應力場(拉伸應變、拉伸速率)和溫度場(拉伸溫度)耦合作用決定的,并且應力場或溫度場都可能在某些條件下占主導作用。雖然有很多半晶高分子材料拉伸過程中的結構演化相關研究,但是由于大多數(shù)研究僅僅局限在很窄的溫度范圍內(nèi)(如冷拉伸、接近熔點附近熱拉伸等),因此拉伸誘導形態(tài)結構演化過程中應力場和溫度場耦合作用機制還遠遠沒有得到充分的理解。本論文主要利用原位同步輻射散射技術研究了寬溫度范圍內(nèi)以及不同應變速率下萃取溶劑過后的超高分子量聚乙烯初始纖維的結構演化過程。建立了揭示不同結構參數(shù)之間關系的半定量化公式來加深理解外場參數(shù)(拉伸溫度、應變速率等)對拉伸誘導結構演化的影響。同時還研究了單向拉伸、雙向拉伸過程中聚乙烯油膜結構演化規(guī)律。構建了二維溫度-應變空間以及二維縱向-橫向應變空間內(nèi)聚乙烯油膜形態(tài)相圖。主要的研究結果和結論如下:(1)利用原位同步輻射X射線寬角散射技術(WAXS)研究了溫度對萃取溶劑過后的超高分子量聚乙烯初始纖維在25 ℃～130℃范圍內(nèi)拉伸過程中變形行為的影響。拉伸過程中初始纖維的結構演化規(guī)律和力學行為可以被分為四個溫度區(qū)域,其溫度劃分點分別對應于α-松弛溫度(Tα1)和αⅡ-松弛溫度(TαⅡ)以及初始熔融溫度(Tonset),這揭示了拉伸過程中高分子材料的變形行為是由材料本征動力學結構特點或者分子鏈的運動能力和外場耦合作用決定的。不同溫度下屈服和應力軟化過程中發(fā)生了局部熔融而應力硬化區(qū)出現(xiàn)了沿晶面切開晶體的晶體滑移。最后構建了二維溫度-應變空間內(nèi)包含結晶度、晶粒尺寸和取向的形態(tài)相圖,該相圖有可能為超高分子量聚乙烯纖維加工提供有益的技術路線。(2)利用原位同步輻射WAXS技術研究了25℃下應變速率對萃取溶劑過后的超高分子量聚乙烯初始纖維在拉伸過程中結構演化的影響。隨著應變速率增大,拉伸變形行為從類似脆性斷裂向韌性斷裂轉變。不同應變速率下差異很大的拉伸變形行為是由無定形化成核密度(n)和成核尺寸(L)耦合作用決定的。(3)利用原位同步輻射X射線小角和寬角散射技術(SAXS和WAXS)研究了25℃～110℃范圍內(nèi)聚乙烯油膜拉伸過程中的拉伸誘導結構演化規(guī)律。在由動態(tài)機械分析(DMA)給出的TαⅠ和TαⅡ以及DSC給出的Tonset為界限劃分的不同溫度區(qū)間內(nèi)拉伸過程中的結構演化規(guī)律差異很大,這是由拉伸外場和溫度場的耦合作用影響決定的。建立了二維溫度-應變空間內(nèi)聚乙烯油膜包括片晶長周期、結晶度和晶粒尺寸等不同尺度結構的形態(tài)相圖,該相圖可以直觀給出薄膜的不同形態(tài)結構以及充當加工參數(shù)選擇線路圖。(4)利用原位同步輻射SAXS和WAXS技術研究了不同縱向應變下的聚乙烯油膜橫向拉伸過程中的結構演化規(guī)律。提出了不同縱向應變下三種不同的橫向拉伸變形機理,它是由不同縱向應變所決定的初始形態(tài)結構造成的。建立了二維縱向-橫向應變空間內(nèi)聚乙烯油膜形態(tài)相圖,該相圖可以加深理解縱向和橫向應變耦合關系對薄膜最終形態(tài)結構的影響以及不同形態(tài)結構在二維縱向-橫向應變空間內(nèi)的分布。
【圖文】：

Ｂａｒｒｄｎ等人利用原位小角中子散射技術（ＳＡＮＳ）研宄了重氫標記的線性低密度逡逑聚乙烯（ＤＰＥ）與線性低密度聚乙烯（ＨＰＥ）共混物拉伸時分子鏈取向排列演化逡逑過程（圖１．２）。［３１］如圖１．２邋（ｂ）所示，隨著拉伸的進行，三種混合物的２ＤＳＡＮＳ逡逑散射花樣從初始的各向同性彌散環(huán)逐漸演變?yōu)檠刂嗟谰�方向的ｓｔｒｅａｋ信號。重逡逑氫標記分子鏈沿著拉伸方向取向排列是這種沿著赤道線方向ｓｔｒｅａｋ信號產(chǎn)生的逡逑原因。如圖１．２邋（ｃ）所７Ｋ，重氫標記的分子量越大（分子量大小關系：逡逑Ｄ（Ｆ５）＞ＤＰＥ＞Ｄ（Ｆ１）），邋—維方位角積分曲線越尖銳。重氫標記的分子鏈分子量越逡逑大，其對應的分子鏈長度就相對更長，這也意味著連接片晶間的架橋分子鏈在拉逡逑伸條件下沿著拉伸方向取向排列程度越高。逡逑３逡逑

主要存在兩種晶體滑移方式：（ａ）細滑移和（ｂ）粗滑移。Ｙｏｕｎｇ等人研宄發(fā)現(xiàn)逡逑高度取向和退火后的聚乙烯主要發(fā)生細滑移而高度取向和未退火處理的聚乙烯逡逑主要發(fā)粗滑移（圖１．５）。逡逑丨鼻＿１參逡逑備（ａ）邐ｔｂ）逡逑圖１．５邋（ａ）細滑移，每隔１個晶面會出現(xiàn)１個博格斯矢量６的滑移。（ｂ）粗滑移，每隔４逡逑個晶面會出現(xiàn)２個博格斯矢量６的滑移。間逡逑１．２．３孿晶逡逑在變形初期，可能會出現(xiàn)孿晶。如圖１．６所示，兩種基本的孿晶模式為（１１０）逡逑和（３１０）孿晶。１３９］邋（１１０）孿晶會發(fā)生晶格旋轉６７°而（３１０）孿晶會發(fā)生晶格逡逑旋轉５５°。孿晶現(xiàn)象一般出現(xiàn)在單晶［４（＾１］或是具有非常規(guī)整晶體排列結構的材逡逑料拉伸過程中。在聚乙烯單晶拉伸的時候出現(xiàn)的大部分都是（１１０）孿晶，而逡逑（３１０）孿晶目前還沒有清晰明確的實驗證據(jù)。逡逑６逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ325.12

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2 胡亞元;應變空間塑性余位勢理論的力學基礎研究[J];浙江大學學報(工學版);2005年08期

3 殷有泉;奇異屈服面的彈塑性本構關系的應力空間表述和應變空間表述[J];力學學報;1986年01期

4 陳長安,鄭穎人;應變空間中的巖土屈服準則與本構關系[J];應用數(shù)學和力學;1985年07期

5 張德o，

本文編號：2704090