生物可降解PBST共聚酯纤维弹性变形的模拟与弹性产生机制

弹性纤维的广泛应用提高了人们的生活质量，但因弹性失效引起的废弃制品大多不能生物降解而引起环境污染。因此，研发新型生物可降解弹性纤维具有重要意义。聚丁二酸-共-对苯二甲酸丁二醇酯（PBST）纤维既具有脂肪族聚酯的生物可降解性，又具有芳香族聚酯良好的弹性，非常适合以弹性纤维的形式用于开发高端纺织产品。作为具有自主知识产权的弹性纤维，为了加快PBST纤维的生产应用，很有必要对其弹性变形和弹性产生机制进行研究。基于此，本项目首先研究PBST纤维弹性变形，分析其急弹、缓弹及塑性变形等变化规律，揭示纤维的加工工艺、形态结构与弹性变形之间关系；然后建立相关数学模型对PBST纤维的弹性变形进行模拟并进行验证，为纤维弹性使用时效的预测提供一个有效方法；最后通过分析PBST纤维晶体大分子构象及弹性变形过程中纤维晶型转变规律，并揭示纤维的弹性变形与纤维晶体取向、晶粒尺寸变化的关系，探明纤维弹性产生机制。

PBST纤维既具有脂肪族聚酯的生物可降解性，又具有芳香族聚酯良好的弹性，适合开发高端弹性织物。但对PBST纤维的弹性行为及弹性机理探讨较少，对其性能的理解也仅局限于力学测试。通过数学模型描述PBST纤维的弹性行为，并从化学结构和分子结构层面上解析其弹性机理可为推动该纤维的应用提供理论指导。基于此，本项目开展了以下研究。.系统研究了PBST纤维的力学性能，重点是弹性性能。结果表明，PBST纤维初始模量较低，但断裂伸长较高，手感优良，且弹性回复率要远高于PBT纤维；首次讨论了其瞬时弹性回复性能，提供了测试条件的参考标准；结合Christiansen本构方程，借助龙哥库塔迭代法，建立了与实验结果近似的理论模型，准确描述了PBST纤维的弹性回复过程；首次从软硬链段相结合的化学结构角度阐述了其弹性机理。.系统解析了PBST聚酯的晶体结构，首次采用中子衍射结合氘代的方法来确定PBST聚酯的结晶单元。NMR研究表明，BS和BT链段的振动序列都存在于PBST聚酯中；BT单体质量分数分析表明实验所得结晶度要远远小于理论计算值，说明结晶方式可能是BT链段单一结晶或是结晶BS链段阻碍BT链段结晶；DSC测试表明只存在一个结晶相；WAXD测试表明PBST与PBT的晶体结构相似；对合成单体丁二酸进行氘代，结合广角中子衍射仪（WAND）研究表明，BS链段参与PBST的结晶；以PBT晶胞为基础，结合Material Studio软件建立了PBST聚酯的大分子链构象模型。.全面分析了PBST聚酯在不同条件下的晶体结构变化，并从晶型转变的角度解析PBST纤维的弹性机理。结合WAXD测试，分析了加工条件对于PBST纤维结构的影响。结果表明，牵伸倍率及变形温度的增加会提高纤维的结晶度与取向度；结晶温度不同并不会引起晶型转变，且所得结构并不具有时间依赖性；拉伸会诱导晶体结构从α晶型向β晶型转变，且该转变为可逆转变，结合小角散射仪（SAXS）测试表征长周期在拉伸过程中的变化，建立了描述晶型转变过程的模型。.阐述了PBST的多重熔融机理。不同温度下等温结晶的PBST聚酯会出现多重熔融峰，这与多种片晶共存的模型相符，是熔融-再结晶-再熔融模型的典型特征；调制差示扫描量热仪（MDSC）研究表明，不可逆热流曲线中对应低温熔融峰的位置存在放热信号，说明PBST聚酯的多重熔融现象是由上述两种模型共同作用的结果。