超高分子量聚乙烯纤维成型过程中结构形态演变的同步辐射原位在线研究

以超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）"凝胶纺丝-超倍热拉伸"成型过程中结构形态演变的原位在线研究为重点，自主设计研制与"上海光源"同步辐射实验线站联用的原位在线检测装置，利用同步辐射高通量带来的时空分辨的特点，以小角X射线散射（SAXS）及广角X射线衍射（WAXD）为手段，原位在线跟踪及表征超高分子量聚乙烯凝胶纺丝、萃取干燥及超倍热拉伸过程中纤维内部结晶结构、取向结构以及微孔结构的形成与演变，揭示"凝胶纺丝-超倍热拉伸"这一新的纤维成型方法的基本原理；通过改变原料的物理参数（UHMWPE分子量及分子量分布、溶剂种类、溶液浓度等）及成型条件（纺丝速度、拉伸倍数、温度等），调控纤维结构，建立成型工艺-结构形态-性能的相互关联，探寻影响UHMWPE纤维性能的关键过程和关键因素，为提高成型过程中纤维形态和结构的控制能力提供理论依据。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维具有高强高模的优异性能，其强度可达3.8GPa，模量可达166GPa，密度仅为0.98g/cm3，这使其在许多领域得到广泛的应用。UHMWPE纤维成型过程中超分子结构及微孔结构的形成与演变对其力学性能起着决定性作用。目前UHMWPE纤维所能达到的强度和模量远不及理论上完全伸直链晶的计算强度，因此对UHMWPE纤维微观结构的演变过程进行研究具有重要的意义。本项目利用同步辐射光源进行X射线检测，可以充分发挥光源高时间分辨和高空间分辨的优势，实现对UHMWPE纤维成型过程中微观结构的原位检测。取得的主要成果如下：.（1）本项目基于上海光源同步辐射小角散射线站（BL16B线站）自主设计研制了两套高性能纤维的在线检测装置：纤维低温连续处理SAXS/WAXD在线检测装置、纤维中高温连续超倍拉伸SAXS/WAXD在线检测装置。建立了X射线散射图像的修正方法，对原始信号进行修正，得到了高质量的散射图像。.（2）利用同步辐射SAXS原位跟踪了UHMWPE萃取纤维在不同温度和应力下微观结构的演变过程，通过散射图样的分析，得到了串晶结构的发展图像，同时发现由于α松弛效应的存在，使得温度成为影响串晶结构演变的重要因素。在80℃时可以观察到堆叠片晶的破坏和重组、完善串晶形成的演变过程；而在70℃ 和60℃下，由于α松弛作用减弱，片晶的破坏和串晶的形成均提前；但在90℃下内应力被有效松弛，使得片晶破损及串晶生长的过程均不显著。因此，可以推测堆叠片晶的破坏和重组促进了完善串晶的形成。.（3）对预牵伸UHMWPE初生纤维进一步在90℃和100℃进行热拉伸，以达到约20倍的超倍拉伸，对该过程进行原位SAXS/WAXD检测。预牵伸纤维的散射图像包含子午线方向的条带图样和赤道方向的斑点图样，说明纤维中存在串晶结构。进一步的热拉伸使斑点图样不断退化，条纹图样不断增长，表明原有的折叠链片晶不断向伸直链晶转变。WAXD结果表明在此过程中，UHMWPE始终为正交晶系，晶格结构和晶粒尺寸变化也不显著。.（4）对成品UHMWPE纤维在不同温度下的拉伸破坏过程进行了原位SAXS/WAXD检测，探讨了该过程中结构演变与纤维力学性能的关系。低温下（25℃），随着纤维遭到拉伸破坏，纤维晶也发生破损；随温度升高，纤维的断裂伸长率增加，纤维晶破损程度减小。WAXD数据表明，UHMWPE晶格结