利用同步辐射技术研究聚芳砜酰胺纤维沿纺程的相态结构变化

在设计系列新型共聚芳砜酰胺的基础上，利用同步辐射X-射线衍射/散射高强度、高分辨率以及时间和空间分辨率的优势，研究聚芳砜酰胺纤维多相态、多尺度的复杂结构，定量解析纤维的不同相态结构和组成，结合分子模拟的方法，揭示不同相态下大分子的构象及空间排列方式。着重研究聚芳砜酰胺共聚组成和纺程动力学条件对纤维相态结构和相转变的影响；在此基础上利用纤维拉伸和应力-应变装置，在线检测非热力学平衡状态下纤维的相态结构，说明温度和应力对纤维相态结构转变的影响，预测开发高性能聚芳砜酰胺纤维的动力学条件。

聚芳砜酰胺纤维作为耐高温纤维中的一种，在高温尺寸稳定性、阻燃、耐候等方面表现出独特的优势，已在高温烟气过滤、消防安全等领域获得客户的广泛认同。对于聚芳砜酰胺纤维而言，具备化学组成可调的优势，其耐温性和力学性能可调整的窗口更宽，既可以通过改变聚合物的共聚单体结构和组成改变化学结构，从本质上改变聚合物大分子的序列结构、大分子构象和超分子结构，又可以进一步通过纺丝工艺的控制改变纤维的形态结构，从而优化纤维的微观结构和宏观形态，设计纤维的性能。尽管如此，聚芳砜酰胺本身化学组成和结构的多样性以及纺丝工艺的复杂性，大大增加纤维形态结构剖析和成形过程中热力学非平衡态结构的检测。因此，我们利用同步辐射多波长、高通量、快速高效的特点，采用离线和在线检测相结合的方法，建立了聚芳砜酰胺微观结构的分析方法，运用于纤维成形过程中微观结构的分析，为优化纤维成形工艺、提高纤维性能奠定基础。发表论文11篇，授权和申请专利5项，培养博士生2名，硕士生5名。.利用聚芳砜酰胺共聚结构可调的特征，设计合成了系列不同共聚组成的共聚物，采用高分辨的NMR分析了不同共聚物的共聚序列组成，结合共聚物的热性能分析，总结了聚芳砜酰胺的化学结构、共聚组成与热性能的关系，作为聚芳砜酰胺纤维性能设计的基础。利用同步辐射的X-射线衍射/散射技术，获得取向态的二维纤维衍射/散射图，建立了定量分析纤维超分子结构和微观结构的方法，获得不同共聚组成的聚芳砜酰胺的晶态大分子构象、晶胞参数、相畴尺寸、晶区堆积尺寸和取向等结构参数。结合分子模拟的方法，揭示了不同相态下大分子的构象及空间排列方式。采用同步辐射WAXD以及SAXS技术研究了聚芳砜酰胺纤维在成型过程中结构以及形态沿纺程的变化规律，纤维沿纺程表现出直径减小、强度增大、密度增大、取向程度增加的普遍性变化规律；而玻璃化转变温度出现了先减小后增大的趋势，这与纤维非晶区的致密化程度密切相关。最为重要的是，纤维在热拉伸之前，没有结晶结构的形成，但微纤的取向度较高。设计了带有精确温度控制的纤维拉伸和应力-应变装置，在线检测外场作用下纤维衍射图的变化，研究温度和应力条件下聚芳砜酰胺纤维相态结构的转变，结合分子模拟计算大分子构象转化能垒，说明了外场作用对聚芳砜酰胺晶态、介晶态和非晶态结构参数和相对分数的影响；结合纤维力学性能，说明了相态结构对纤维力学性能的贡献。