基于拉应力监控下的聚丙烯/纤维复合材料界面多晶态研究

研究表明，纤维在熔体中拉伸时所产生的剪切显著影响界面多晶态的形成。在以往的研究中学者们大都考虑纤维拉伸速率和界面多晶态的关系，而没有注意到纤维拉应力的变化对界面多晶态形成的影响。在前期工作中，我们利用自主研发的纤维拉应力-界面形态控制仪（该仪器能够同步实时监控纤维在熔体中拉伸时的拉应力变化以及界面结晶形貌的演化）对熔体中的玻纤进行拉伸时发现，尽管拉伸速率恒定但其拉应力却不是恒定不变的，且拉应力的变化还与界面结晶特征密切相关。为此，本项目利用该仪器，拟对玻纤增强聚丙烯的界面多晶态和纤维拉应力的关系进行研究，揭示界面多晶态的演化规律，并阐明复合材料特定的界面结晶形貌与力学性能的关系。本项目的重要意义在于，提出一种研究纤维增强复合材料界面多晶态的新方法，它的独特之处在于能够同步实时监控界面拉应力和界面多晶态的演化,并通过界面结晶形貌调控及其破坏行为的研究，进一步丰富现代高分子物理理论。

已往研究表明，当应力作用于聚合物熔体上时，必然发生分子内有序化（高分子链的构象转变或者无规线团到螺旋结构的转变）或分子间有序化（链段的有序排列和堆砌）。因此，我们认为纤维在熔体中拉伸时，界面剪切必然导致界面附近熔体微结构的改变，进而导致拉应力的变化，且这种界面拉应力的改变又和随后的界面微结构演化密切相关。基于此思路，在以上研究的基础上，我们构思并设计一台能够实现同步记录界面拉应力和界面结晶形貌演化过程的装置，从界面拉应力变化的角度来研究界面多晶态形成以及结晶形貌的演化规律。和以往文献中纤维熔体拉伸装置比较，该设备有如下特点：①拍摄偏光图片的同时，同步实时监控纤维的拉应力变化，即能够把任意时刻的界面结晶形貌特征或界面流变特性和应力-应变（拉伸时间或距离）关联起来；②该仪器有两个分工明确的热台，一个用来消除热机械史，另一个控制结晶温度。而以往的装置中只有一个热台，本仪器克服了从消除热机械史到设定结晶温度所需时间比较长的缺点；③纤维的拉伸速率可以通过伺服电机精确控制，而不是以往文献中采用手动拉伸大致控制纤维拉伸的速度，甚至采用悬挂重物的方式来控制拉伸速度。. 主要研究内容：①改进了纤维熔体拉伸装置；②探索界面拉应力的变化和界面多晶态形成、结晶形貌演变的关系；③界面多晶态结构特征和界面强度的关系. 重要结果和关键数据：① 开发出了基于应力监控的纤维/聚合物界面剪切结晶在线检测仪，实现了纤维在熔体中拉伸时界面形貌演化和界面应力关系的同步、实时监控；②除了纤维及基体本身化学因素外，纤维拉伸速率和界面应力成正比；③界面结晶形貌强烈依赖界面应力，而且晶型之间的转变存在一个临界应力值；④ 在不同应力下所得到不同界面界面结晶形貌的复合材料，其力学性能有显著差异。. 科学意义：本项目所研发的纤维在熔体中拉应力-界面形态控制仪，是通过纤维拉伸来调控界面结晶形貌，但是它更突出强调界面拉应力在界面结晶诱导、成核和晶体生长等过程不是恒定不变的，并从界面应力变化的角度来着力考察界面结晶特征的演变。它显著区别于以往仅关注拉伸参数与界面结晶形貌关系的研究。因此，本项目的顺利实施在丰富现代高分子物理理论方面具有重要的学术价值和理论意义。