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1、 学校代号：10255 学 号： 2130377 东 华 大 学 论文题目论文题目 基于同步辐射技术研究涤纶工业丝基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的的凝聚态结构凝聚态结构与与性能性能 学科专业：材料工程 作者姓名：刘亚涛 导 师：张耀鹏 完成日期：2015 年 5 月 6 日11基金项目:中国博士后科学基金，资助编号：2014M551293，执行期：2014.012015.12。 Donghua University INSIGHTS INTO STRUCTURES AND PROPERTIES OF POLY(ETHYLENE TEREPHTHALATE) INDUSTRIAL YARNS B
2、Y SYNCHROTRON RADIATION TECHNOLOGY Major: Material engineering Name: Yatao Liu Supervisor: Yaopeng Zhang 2Date：May 6, 20152 This work is supported by the China Post doctoral Science Foundation (2014M551293). 东华大学学位论文原创性声明东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明
3、和引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 东华大学学位论文版权使用授权书东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 。
4、 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 东华大学硕士学位论文 基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的凝聚态结构与性能 i 基于同步辐基于同步辐射技术研究涤纶工业丝射技术研究涤纶工业丝的的凝聚态结构与性能凝聚态结构与性能 摘摘 要要 涤纶工业丝具有强度高、模量大、伸长小、耐热性好、耐冲击和耐疲劳性好等优点，在线绳、索具、汽车安全带、灯箱广告布和轮胎橡胶等领域具有非常广泛的应用。然而，随着全球工业体系的快速变革，传统的涤纶工业丝品种已经无法满足生产发展的需要。差别化、创新化且具有高附加值的涤纶工业丝品种，如重旦、细旦、高模量低收缩、高强超低收缩、抗菌、拒水以及阻燃等
5、已成为企业重点开发的方向。 研发高性能差别化的涤纶工业丝新品种， 关键是掌握生产工艺、纤维结构以及性能之间的对应关系。本文利同步辐射广角X射线衍射（WAXD）和小角X射线散射（SAXS）技术系统研究了不同种类涤纶工业丝的凝聚态结构，不同公司生产的高模低缩涤纶工业丝的结构与性能的差异，热场拉伸状态下HMLS涤纶工业丝的结构演变以及剪切作用下聚酯切片的结晶行为，提出了涤纶工业丝的三维结构模型， 并分析了生产工艺、 纤维结构以及纤维力学性能和干热收缩之间的对应关系。 通过对高模低缩（HMLS） 、高强（HT） 、低缩（LS）和超低缩（SLS）四类涤纶工业丝的研究，发现高纺丝速度、低拉伸倍数和高热定型
6、温度生产的HMLS工业丝具有结晶度高、非晶区取向高、长周期值小，片晶层与非晶层堆积紧密和片晶层表面倾斜角度小的结构特点。较高的拉伸倍数会导致HT、LS和SLS工业丝具有较大的长周期值和较大的片晶层倾斜角度。 高热定型温度会导致LS和SLS工业丝具有较高的结晶度、较大的晶粒尺寸、 较少的晶粒个数和较低的非晶区取向。相对于其它结构参数，非晶区取向对涤纶工业丝的断裂强度、初始模量、定负荷伸长、 断裂伸长和干热收缩具有更显著的影响。研究还发现长周期值和晶粒个数会分别影响涤纶工业丝的伸长率和初始模量。 除此之外， 较小的片晶层表面倾斜角度可能与工业丝的尺寸稳定性有一定的关系。 五种 HMLS 涤纶工业丝
7、的结构与性能的研究表明，除了非晶区取向，规整的结晶相同样会影响工业丝的断裂强度和干热收缩。 结晶度低意味着纤维样品内部存在更多的无定形分子链，导致断裂强度降低和干热收缩增大。因此，高结晶度和高非晶区取向是涤纶工业丝保持高强度和低干热收缩的必要因素。 而且，研究还发现片晶层表面倾斜角度较小的工业丝具有较好的尺寸稳定性。 东华大学硕士学位论文 基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的凝聚态结构与性能 ii 热场作用下的原位拉伸实验用来模拟涤纶工业丝的拉伸和热定型工艺。 研究发现，在 25 C，95 C 和 125 C 下， HMLS 涤纶工业丝的结晶度和赤道方向的晶粒尺寸随着应变增加呈现下降的趋势，长周期
8、、 片晶层厚度和非晶层厚度随着应变增加而增大。在 200 C 拉伸时，HMLS 工业丝的结晶度与（010）晶面方向的晶粒尺寸随应变下降，而（-110）和（100）晶面的晶粒尺寸随应变而增大。在不同温度下，随着拉伸进行，HMLS 涤纶工业丝的内部结构变得疏松。结合前述研究可以发现，提高纺速，降低拉伸倍数，可以提高纤维结构的致密性。 剪切作用下涤纶工业丝用聚酯切片的 SAXS 图样呈现出各向异性， 表明剪切导致 PET 片晶沿剪切方向发生了取向作用。存在剪切作用时，PET 发生结晶的时间早于无剪切作用，表明剪切促进了 PET 的结晶。据此可以判断，在纺丝工艺中，提高纺丝速度可以使聚酯熔体经过喷丝板
9、时受到更大的剪切作用， 有利于提高分子链的取向并促进聚酯发生结晶。 关键词：涤纶工业丝、同步辐射、X射线、凝聚态结构、性能 东华大学硕士学位论文 基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的凝聚态结构与性能 iii INSIGHTS INTO STRUCTURES AND PROPERTIES OF POLY(ETHYLENE TEREPHTHALATE) INDUSTRIAL YARNS BY SYNCHROTRON RADIATION TECHNOLOGY ABSTRACT Poly(ethylene terephthalate) (PET) industrial yarns are commerci
10、ally available for wide range of applications viz. textile reinforcement in passenger radial tires, conveyor belts, v-belts, mechanical rubber goods, seat belts, coated fabrics, geo-textiles, etc, due to its high strength, high modulus, low elongation, good heat resistance, impact resistance and fat
11、igue resistance. However, with the rapid change of the global industry, traditional PET industrial yarns have been unable to meet the needs of the development. New types of yarns with high performance and added value, such as heavy denier, fine denier, high modulus and low shrinkage, high tenacity a
12、nd super low shrinkage, antibacterial, waterproof and flame retardant have become a key development direction of PET enterprises. Therefore, having a good command of the process-structure-property relationships is of great significance. In this paper, synchrotron radiation small angle X-ray scatteri
13、ng (SAXS) and wide angle X-ray diffraction (WAXD) were carried out to study the structural differences of four typical PET industrial yarns as well as five types of HMLS PET industrial yarns. Time-resolved SAXS and WAXD were performed to investigate the structural evolution of HMLS yarns at differen
14、t temperatures during tensile deformation. In addition, time-resolved SAXS was carried out to study the crystallinzation behavior of PET under shearing during isothermal crystallization. Three-dimensional structural models of PET industrial yarns and comprehensive understanding of process-structure-
15、property relationships were gained. High modulus and low shrinkage (HMLS), high tenacity (HT), low shrinkage 东华大学硕士学位论文 基于同步辐射技术研究涤纶工业丝的凝聚态结构与性能 iv (LS) and super low shrinkage (SLS) PET industrial yarns are the most widely used types. It was found that high spinning speed, low draw ratio and high h
16、eat-setting temperatures lead to HMLS yarns with high crystallinity, high amorphous orientation, small long period, densely packed lamellar stacks and a small tiling angle of crystalline lamellae. High draw ratio tends to result in HT, LS and SLS yarns with large long period and a large tilting angle. Heat-setting temperatures have
