高强度聚甲醛纤维的凝胶纺丝制备及其成型机理研究

High strength polyoxymethylene(POM) fibers are urgently needed in industries because of excellent properties including high strength, light weight, impact and cut resistance, and chemical corrosion resistance. However, there is no technology available for making such fibers with strength over 2GPa. Currently, the most popular process is melt spinning and the resulting fiber strength is less than 1GPa. In this project, we plan to gel spin high strength POM fibers with tensile strength over 2GPa and Young’s modulus over 50GPa. The fiber formation mechanism will also be studied to optimize the gel spinning process. The premise and basis for using this process is to form a thermo-reversible gel. For POM, it is too chemically stable to form this type of gel. In this research, an “oligomer-polymer” blend system will be utilized to realize this breakthrough. Experiments will be combined with theoretical modeling to investigate POM gel formation and affecting factors, high-strength fiber formation mechanism by hot drawing of gel fiber, and the relationship between gel properties and fiber performances. The ultimate goal is to obtain the essence of gel spinning high strength POM fibers. The execution of this project will have significant meaning in largely improving strength of POM fiber, commercializing this fiber and broadening its application fields. Moreover, this research will be of great scientific value in the theory development of gel spinning.

高强度聚甲醛纤维因强度高、质量轻、耐冲击耐切割、抗化学腐蚀等优点成为多个行业所急需的产品，然而目前还没有可制备这种纤维（拉伸强度≥2GPa）的技术，已开展的研究主要是基于熔融纺丝技术，纤维强度有限(拉伸强度<1GPa）。本项目拟利用凝胶纺丝技术制备出拉伸强度不低于2GPa、杨氏模量超过50GPa的高强度聚甲醛纤维并开展相应机理研究。采用凝胶纺丝技术制备高强度聚甲醛纤维的前提和关键在于溶解聚甲醛并形成热可逆凝胶，但由于聚甲醛化学性质稳定，过去一直无法实现，本项目将利用“低聚物-高聚物”共混体系实现这一突破，并通过实验与理论相结合的方法，对聚甲醛凝胶形成及影响因素、凝胶纤维成型机理、凝胶属性与纤维性能的关系开展研究，从而深刻揭示凝胶纺丝技术可制备高强度聚甲醛纤维的本质。本项目研究对聚甲醛纤维强度大幅提高、扩大化生产、拓展应用领域等具有重要意义，同时对凝胶纺丝技术理论体系的发展具有重要科学价值。

由于高强度纤维在军事装备、航空航天等多个领域的广泛应用，超高强度纤维制备和成型机理的研究一直是科学界关注的国际前沿热点难题，超高强度聚甲醛纤维的研究和开发就是目前亟待解决的难题之一。本项目基于项目负责人的“低聚物-高聚物”共混体系可获得热可逆凝胶的新发现，通过开发新型溶剂（低聚物）与高分子量聚甲醛形成热可逆凝胶，研究了聚甲醛热可逆凝胶形成及影响因素。采用凝胶纺丝方式制备出高强度聚甲醛纤维，通过对聚甲醛凝胶特性的测试和分析、聚甲醛凝胶纤维成型过程中结构（结晶度、晶型和取向度）变化的测试和建模分析，揭示了聚甲醛凝胶纺丝纤维成型的机理和达到超高强度的本质因素，并分析了聚甲醛凝胶性质对纤维结构和性能的影响，为凝胶纺丝工艺参数优化提供理论依据。本项目采用凝胶纺丝方式制备了拉伸强度超过2GPa、杨氏模量超过50GPa的高强度聚甲醛纤维，比之前已有报道的聚甲醛纤维最高拉伸强度提升1倍以上，并设计和定制开发出凝胶纺丝制备聚甲醛纤维的样机1台，确定了高强度聚甲醛纤维凝胶纺丝生产工艺流程1份。本项目在聚甲醛凝胶纺丝成型机理方面的研究对于未来更多聚合物通过凝胶纺丝方法制备高强度纤维具有重要科学意义，所提出的“低聚物-高聚物”共混热可逆凝胶体系对于凝胶形成机理、溶液相分离理论形成了良好的补充，为未来其他聚合物热可逆凝胶的形成提供了理论指导，在选择材料方面更有方向性，对于凝胶纺丝制备高强度聚甲醛纤维理论拓展具有重要意义，将对可凝胶纺丝的聚合物种类扩充起到显著作用（目前可凝胶纺丝的聚合物仅有5种）。与此同时，本项目的研究将对超高强度聚甲醛纤维的开发和聚甲醛纤维的产业化具有重要推动意义，在高性能复合材料、特种装备和军事设施等领域具有广阔的应用前景。