芳纶1414热处理过程中微结构演化及机理的原位SAXS/WAXD研究

Poly(p-phenylene terephthalamide) (PPTA) fiber, one of the most important high performance fibers, is used in many applications, especially in national defense and economic construction. PPTA fiber has unsubstituted advantages in certain domain. Heat treatment is one of the main ways to improve the performance of PPTA fiber. In the present project, the synchrotron radiation small angle X-ray scattering and wide angle X-ray scattering (SAXS/WAXD) will be used to in-situ characterize the microstructure in PPTA fiber during the heat treatment. Other method, such as transmission electron microscope, scanning electron microscope, differential scanning calorimetry, infrared spectroscopy and molecular dynamic simulation and so on, will also involve to characterize the microstructure during this process. The microstructure includes size and orientation of microvoid, fibril and crystalline grain, and the external condition includes temperature, tension, atmosphere and pace times in the heat cabinet. The performance of each bundle of PPTA fibers after the heat treatment with different external condition is evaluated with material testing machine. Based on these in-situ, ex-situ data and results of molecular dynamics simulation, the evolution of the microstructures will be explored in detail, then the reasons why they evolves in this way will be discussed. We hope to draw the route of the evolution of microstructure as external condition changes, and construct the relationship between the external condition, microstructure and performance. These knowledge will give a guideline for the technology for heating processing and may find out the key point of transformation of microstructure and key factor of external condition during the heat treatment.

芳纶1414（PPTA纤维）是产量最大、应用最广的高性能纤维，在国防战略和国民经济建设等方面具有重要应用，在一些关键领域具有不可替代的优势。热处理是提高PPTA纤维性能的主要途径之一。 本项目拟采用高强度、高准直性的同步辐射光源，利用原位小角X射线散射和广角X衍射，结合其它现代测试方法和分子动力学模拟手段，系统考察PPTA纤维在复杂外场（温度、张力、气氛、热处理时间等）下微结构（微晶、微孔及微纤等）的演化。通过对原位数据进行分析，全面、快速地表征纤维内部微结构的演化过程，剖析其演化机理。 期望能够绘制出微孔、微纤和微晶等微结构随复杂外场变化的详细演化路径，总结出相互影响的规律，建立外场-结构-性能之间的相关性，这不仅可对热处理工艺提供理论指导，并有望找到微结构形成及演变过程中的关键过程及关键控制因素，而且对于丰富高分子物理有关刚性链的理论和聚集态结构演化机理也具有十分重要的学科意义。

高性能纤维具有高强、高模、耐腐蚀等优点，在国防战略和国民经济建设等方面具有重要应用，在一些关键领域具有不可替代的优势。热处理是提高纤维性能的主要途径。. 本项目采用高强度、高准直性的同步辐射光源，利用原位小角X射线散射/广角X衍射，系统研究了三大高性能纤维（芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维）热处理过程中微结构的演化机理。通过对原位数据进行分析，全面、快速地表征纤维内部微结构的演化过程，剖析其演化机理。. 项目执行过程中，研究团队基于前期工作研制/完善了4套in-situ SAXS装备、利用电泳分离的方法制备了尺寸均一的金纳米棒，并将其混入聚氨酯拉伸后制备出了取向可控的各向异性散射样品，验证了建立的2D SAXS模型。利用该模型研究了芳纶纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）结构-性能之间的相关性、热处理过程中微结构的演化及其机理。建立了温度场、牵伸场、气氛等多重外场作用下高性能纤维内微结构演化的路径。. 利用这些研究成果，研究团队为国内多家高性能纤维制造企业提供了技术支持和分析检测服务，如泰和新材、中简科技股份有限公司、宁波大成新材料股份有限公司。另外，项目负责人也基于UHMWPE纤维超倍牵伸原位研究的成果，提出了低缠结、易牵伸UHMWPE树脂及隔膜的制备方法。负责人带领团队分别在东华大学公斤级实验线、宁波材料所30吨级生产线和宁波大成千吨生产线上将UHMWPE纤维的强度提高到了单丝≥46cN/dtex，复丝强度≥38cN/dtex（经平行测试比较，强度超过代表世界最高水平的DSM公司SK99型纤维。）。. 项目完成期间培养了相关研究领域研究生3名、4名博士后，发表7篇国际专业学术论文，申请专利11项，授权2项，申请软件著作权1项，并受邀在“第十届全国高聚物分子与结构表征学术研讨会”作关于“高性能材料中微纳尺度缺陷的SAXS表征”的特邀报告（一共5个特邀报告），在该报告中，项目负责人全面、深入的展示了本项目的研究成果，研究成果得到了Xuhui 与会者和大会主席张俐娜院士的充分肯定。