并列型复合纤维的自卷曲结构与弹性力学行为

新近诞生的两种聚酯（聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯）的并列复合纤维具有类似卷簧的自卷曲结构，纤维弹性伸长率是其中任一材料的数十倍，多项性能超过氨纶。其弹性主要来自纤维的螺旋状卷曲，而纤维卷曲取决于不同高聚物的组合、分布和纤维截面的细观结构，所以该类纤维弹性具有可设计性。但是，国内外都没有完善的设计理论，不能自如地控制纤维弹性，国内更是很难避开国际专利开发新品。本项目从预测卷曲结构入手，建立其弹性力学性能的定量设计理论，可帮助制造业有效利用高聚物资源开发原创性优质纤维。用Denton的曲率模型和标准螺旋线方程建立纤维卷曲参数与多项设计参数间的一组关系方程，加入边界条件求出卷曲参数的计算模型，用实验求解同一纤维中相互影响的二材料参数及其对取向度、结晶度的依赖性，由卷曲参数和材料参数预测螺旋形纤维伸直的应力-应变关系，即纤维的弹性力学行为。

PTT/PET并列复合纤维具有类似卷簧的自卷曲结构，其弹性主要来自纤维的螺旋状卷曲，而纤维卷曲取决于不同高聚物的组合、分布和纤维截面的细观结构，所以该类纤维弹性具有可设计性。本项目围绕并列复合丝弹性力学行为，完成计划书四方面内容，包括自卷曲纤维的卷曲半径和螺距的计算模型，自卷曲纤维中PTT和PET二组分材料的模量，自卷曲纤维中PTT与PET二组分材料的热收缩率差值，以及自卷曲纤维的弹性伸长率、张紧力及弹性变形曲线的预测方法等四个方面，同时还对PTT/PET自卷曲纤维纺丝，低温动态力学性能以及弹性测试方法进行了探讨。.主要研究成果包括：.（1）建立了双组分纤维的卷曲理论，从双组分纤维卷曲结构的产生机理入手研究，以国内外普遍使用的3种不同横截面形状的PTT/PET并列复合纤维为试样，应用相关材料力学理论建立不同横截面形状的并列复合纤维的轴惯性矩的求取方法，结合已有的双组分纤维曲率的数学模型，获得了3类实际纤维的卷曲曲率计算模型。依据标准螺旋曲线方程，分析复合纤维卷曲结构的卷曲半径、螺距和卷曲曲率三个参数间的理论关系。.（2）探明了PTT/PET纤维中两组分的弹性模量比m、收缩率差△的具体数值。应用这两个数值，可以通过改变纤维截面形态、纤度、组分比及其分布，设计开发新型PTT/PET双组分纤维品种。.（3）利用计算模型以及图像法建立了纤维试样应力应变曲线，得到计算曲线与实测值有差异，通过弹性模量的修正，得到纤维卷曲结构的伸长预测方程。.（4）通过校内纺丝实践，研究了自卷曲纤维纺丝工艺，探讨了复合方式和工艺条件对纤维形态结构影响，以及纺丝组件和工艺条件对纤维及织物弹性的交叉影响。研究了PTT和PET低温动态力学性能，发现随着温度的降低，PTT和PET的弹性模量都不断增大，且PET长丝弹性模量增大幅度大。从实际应用角度，建立自卷曲纤维弹性测试方法标准。.项目研究期间，有青年教师1名，博士生4名，研究生6名和5名本科生参与课题研究，已公开发表与本项目直接相关SCI/EI检索论文10篇，核心期刊以上检索论文4篇，申请发明专利2项，作为主要完成人获省部级二等奖1项，其它本项目资助论文8篇。.