共混熔体纺丝过程中非均匀相形态成形机理研究

受自然界天然复合材料的启示，本项目通过共混、熔融纺丝工艺，调控共混纤维中分散相的形态，形成类似竹材中竹纤维非均匀分布的仿生结构，即梯度相结构，有望通过调控仿生梯度相结构进而改善纤维性能。首先，对比研究聚丙烯/聚苯乙烯和低密度聚乙烯/聚酰胺6两种共混纤维中相反的梯度相结构，调控纺丝工艺参数与调节组分流变性质，研究分散相在熔体纺丝过程中拉伸形变、迁移以及聚并现象，探索非均匀相形态的影响因素以及成形机理。第二，通过有限元方法模拟熔纺中温度场、应力场的径向差异，建立纤维成形过程的二维模型，深入分析共混纤维中相形态演化机理。第三，通过熔融纺丝，研究拉伸流变学。本项目通过研究共混熔纺中非均匀相形态成形机理，探索调控仿生梯度相结构的可行性，同时对熔融纺丝动力学做新的探讨。

本项目通过共混熔融纺丝调控分散相的形态与分布，形成类似天然复合材料分散相非均匀分布的仿生结构，即梯度相结构，实现了通过调控仿生梯度相结构进而改善纤维性能的目地。首先，成功地制备具有梯度相结构的共混纤维。通过流变性能研究发现PS的切力变稀行为大于PP，LDPE的切力变稀行为大于PA6，其温度敏感性依次是PS﹥PP﹥LDPE﹥PA6，PS的熔体弹性和粘度均大于PP，高角频率LDPE的熔体弹性和粘度小于PA6；高粘度的PS可提高PP/PS共混体系的可纺性，含量在24wt%以内均有可纺性；PA6/LDPE共混体系在PA6含量仅为45wt%时可以制备均匀纤维；PS/PP共混体系的纺丝速度随着PS含量的增加先增加后下降；采用数字化处理方法，将图像信息转化成数字信息，高效准确的获取了分散相分布趋势参数。其次，详细探讨了共混纤维中梯度相结构形成的影响因素。在PS/PP共混纤维中，PS含量的增加加速了PS相向纤维表层的迁移，随着粘度比增大，微纤直径沿径向的梯度逐渐增大，微纤的面积和数目沿径向的梯度减小，卷绕速度增加加快了PS相的迁移，有利于形成分散相分布在表层的共混纤维；在PA6/LDPE共混纤维中，卷绕速度的增加使微纤的梯度更加明显。第三，揭示了共混纤维中梯度相结构的形成机理。判定分散相形态和分散相径向梯度分布均在拉伸流场中形成，微纤沿纺程上未发生破裂，形成基质-微纤结构，分散相沿径向发生了不同程度的形变，是PS分散相沿径向呈现梯度分布形态的主要原因；分散相在熔体纺丝过程中存在迁移现象，主要发生在熔纺的形变区，导致分散相含量在纤维表层区域与中心区域的含量不均匀，提出拉伸流场中迁移机理的假设，即低拉伸粘度组分会向高拉伸应力区域迁移，而高拉伸粘度组分会向低拉伸应力区域迁移； 在共混熔体纺丝的形变区内，纤维熔体被拉伸细化过程时，微纤状分散相存在聚并现象，提高纺丝速度、减少固化时间、降低分散相比例能够抑制聚并现象。第四，实现了分散相在熔纺过程中梯度结构演变过程的有效控制。结合分散相形变程度计算所获得的径向各区的毛细管数与温度的关系求的对应的温度，发现熔纺纤维芯层比表层的温度高19.7K，区域跨度23.35μm，径向温度梯度数量级为105K/m，同时拟合出拉伸应力沿径向的分布趋势，拉伸应力沿纤维中心到表层随当量半径r/R的增大逐渐变大。梯度相结构的形成提高了纤维的力学性能和染色性能。