具有明确晶片取向聚乙烯微观蠕变行为研究

Creep behavior of polyethylene under a constant stress is very important to its long-term service properties. Microstructure determines the macroscopic mechanical properties of materials, but the influence of microstructure on the creep behavior of polyethylene is not fully understood. Thus, this study is focused on the microstructural evolution during the creep and micro-creep behavior of crystalline lamellae and interlamellar amorphous phase. Generally, polyethylene possess complex microstructures with different orientation of crystalline lamellae, resulting heterogeneous distribution of local stress. To study the micro-creep behavior of crystalline lamellae and interlamellar amorphous phase, the samples with oriented crystalline lamellae are used in this study. The oriented samples are prepared by micro-injection and hot stretching method and their microstructures are characterized. Further, in-situ SAXS and WAXS are used to probe the evolution of microstructures and the micro-creep behavior of crystalline lamellae and interlamellar amorphous phase. From this study, the microscopic deformation and macroscopic deformation are correlated to find the relationships between them, which are helpful to the construction of the micromechanical model.

聚乙烯材料蠕变行为对其在外力作用下的长期使用性能具有非常重要的意义，然而微观结构对其蠕变行为的影响并不完全清楚。因此本课题研究蠕变过程中微观结构的演化，探寻晶片及晶片间无定形态在外力作用下的蠕变行为，为预测聚乙烯宏观蠕变性能提供依据。聚乙烯球晶具有复杂的微观结构，在拉伸过程中由于晶片取向方向的差异，导致局部微观应力分布不均匀。为了准确研究聚乙烯晶片尺度下的微观蠕变行为，本课题选择具有单一晶片取向结构的聚乙烯作为研究对象。通过微注塑以及热拉伸的方法制备晶片单一取向的聚乙烯样品，并对其微观结构进行表征。进一步，采用在线小角/广角X射线散射实验观测蠕变过程中微观结构的演变，以及晶片和晶片间无定形态的蠕变行为。本课题将微观形变与宏观形变关联起来，寻找微观与宏观形变之间的转换关系，并建立相关微观力学模型。

结晶性高分子材料具有复杂的多尺度微观结构，其结构与性能的关系十分复杂。本项目以聚乙烯和聚丙烯材料为模型材料，通过原位小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)方法研究了结晶性高分子在静态/动态应力加载过程中微观结构的演化过程。1.通过SAXS和WAXS研究静态蠕变过程中超高分子聚乙烯的微观结构演化过程，结果表明晶片间无定型态的蠕变速率小于样品的宏观蠕变速率，且晶片间微观蠕变与结晶度密切相关，同时通过蠕变实验测量了晶片间非晶态表观模量。2.采用以上方法研究了单轴慢速应力加载过程中半结晶聚合物球晶中微观应力应变分布，结果表明球晶中微观应力应变分布不均匀。球晶极轴区域的轴向应力高于赤道区域的轴向应力，且应力分布不均匀性与结晶度密切相关。结晶度越高，极轴区域的轴向应力越大，同时赤道区域的轴向应力越小。3.采用原位SAXS/WAXS方法研究了取向聚丙烯薄膜单轴慢速拉伸过程中空洞结构的演化过程，结果表明拉伸过程中晶片在子晶在与母晶的结合处发生断裂，同时微孔在断裂处成核，然后微孔迅速扩展直到侧向被相邻的子晶稳定。4. 本项目采用原位SAXS研究了聚丙烯多孔薄膜升温过程中热应力诱导的空洞闭合过程，结果表明当温度升高到152 oC，孔含量迅速降低，同时尺寸迅速变小，孔闭合的主要原因为微纤熔融释放薄膜内在收缩力使得孔迅速发生闭合。通过上述研究，建立了多种外部应力加载条件下的半结晶聚合物微观应力应变的测量方法，同时研究了微观结构的演化过程，对于调控结晶性高分子材料微观结构与性能具有重要意义。