PAN/SPI/PU共混纤维成形机理及结构性能研究

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大豆分离蛋白被视为石油基高分子的替代物,近年来广泛应用于塑料、粘合剂、纺织材料等领域。大豆分离蛋白来源广泛,可生物降解,有利于解决日益严重的环境问题,增加农副产品的附加值。聚丙烯腈和聚氨酯作为通用高分子材料,具有优良的性能。在材料加工中,共混是一种很重要的方法,它能综合两种或多种材料的优良性能,获得综合性能更加优良的新材料。本文以二甲亚砜为溶剂,通过溶液共混的方法制备了聚丙烯腈/大豆分离蛋白/聚氨酯共混原液并经湿法纺丝制备共混纤维。研究了共混溶液的流变性能,同时较系统地研究了纤维湿法纺丝成型机理及共混纤维的结构性能。纺丝原液的流变性能直接影响着纤维的纺丝成型过程和所制备纤维的结构性能,因此共混溶液流变性能的研究具有理论和实践意义。实验结果发现原液浓度影响共混溶液的流动和成丝性,当固含量23%时,共混溶液的成丝性最好。大豆分离蛋白和聚氨酯对聚丙烯腈流变性能的影响不同。聚丙烯腈/大豆分离蛋白共混溶液的非牛顿指数随大豆分离蛋白含量的增加呈现下降的趋势,结构粘度指数则呈现增加的趋势,说明大豆分离蛋白的加入降低了聚丙烯腈溶液的流动性。而聚氨酯的加入对聚丙烯腈溶液流变性能的影响是相反的,提高了溶液的流动性。聚丙烯腈/大豆分离蛋白/聚氨酯三元共混体系的流变性能受大豆分离蛋白和聚氨酯含量的影响较大,可以通过调整配比改变流动行为。升温有助于改善共混体系的流动性。共混纤维成型机理的研究中主要探讨了凝固浴浓度和温度、拉伸比的分配比例和倍数、干燥致密化的温度和时间、交联剂的种类和浓度对纤维成型及性能的影响。实验结果表明:凝固浴浓度为60%,温度为22℃时,得到的初生纤维的拉伸性能最好;预拉伸倍数在1.5-2倍时,纤维的拉伸性能比较好:于120℃下干燥致密化15-20分钟可以得到强度高而干燥致密化时间也比较合理的纤维。为克服大豆蛋白和聚丙烯腈相容性差的特性,采用在凝固浴中添加交联剂的方法以改善聚丙烯腈/大豆蛋白共混纤维的性能。比较乙二醛和戊二醛的作用后,发现乙二醛的加入可明显改善纤维的拉伸性能,纤维拉伸强度提高近2倍。同时随乙二醛浓度提高纤维的性能提高,但浓度超过10%后改善作用不明显。对所制备共混纤维的结构性能进行了系统研究。红外图谱表明,共混纤维中均含有聚丙烯腈、大豆蛋白和聚氨酯的特征吸收峰。蛋白酶水解方法发现共混纤维中的SPI含量是与所添加SPI含量呈正比。共混纤维的断裂强度比聚丙烯腈纤维有所降低,断裂延伸率变化不大。共混纤维表面接触角和回潮率测试表明,吸湿性随SPI含量的增加而提高。共混纤维采用酸性染料染色发现随SPI含量的增加对酸性染料的吸附量增大,即上染量提高。对共混纤维的回弹性测试发现,回弹性改善不是很明显,推测原因可能是聚丙烯腈、大豆蛋白和聚氨酯相容性不好,影响了纤维的性能。将纤维埋入地下5个月后取出测试,共混纤维断裂强度有不同程度降低,而聚丙烯腈的几乎不变,共混纤维的生物降解性能也比聚丙烯腈的好。
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