学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

新型仿棉共聚酯和纤维的制备及结构性能研究

作　者: 赵明良
导　师: 俞建勇
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: PET共聚酯直接酯化法晶体结构热学性能亲水性能熔融纺丝
分类号: TS102.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 54次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

棉花具有良好的吸湿性、柔软的手感、易染色和不易产生静电等性能,因此棉织物既舒适又环保。棉纤维是纺织和服装工业的重要原料。但是我国棉花供需矛盾相当突出,求远大于供,每年都要从国外进口大量的棉花。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有强度高、热性能好等优点,但其手感硬,吸湿性低,可染性差。现在我国的聚酯行业存在产品结构单一,聚酯产能过剩等问题。在此背景下,基于PET的新型仿棉共聚酯和纤维的研发,可以有效利用我国聚酯过剩的产能,提高PET产品的附加值。若能形成对棉花的一定规模的替代,可一定程度上缓解国内棉花的供需矛盾,因此,本课题的研究具有一定的实用价值和重要意义。本文通过大量的实验筛选出合成仿棉共聚酯的第三、第四和第五单体。第三单体为间苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸钠(SIPE);第四单体用聚乙二醇(PEG),且PEG的数均分子量Mn分别选用2000、4000和6000；第五单体是1,2-丙二醇(1,2-PDO)。确定了合成共聚酯的催化剂、投料顺序、醇酸比、反应温度、反应时间和真空度等关键工艺条件。在1L和10L的聚合装置中,采用直接酯化法,成功合成了所有系列的样品。通过核磁共振氢谱(1H-NMR),对共聚酯的化学结构进行了表征。实验结果表明,绝大部分的SIPE、PEG和1,2-PDO,都成功地嵌入聚合物的大分子链中；而且各自的投料比与其在共聚物中的实际含量基本一致。还对所有样品的特性粘度[n]进行了测试,结果显示,所有样品的特性粘度值大小适中。利用一维广角X射线衍射(1D-WAXD),分析了共聚酯的晶体结构。嵌入了第四单体PEG和第五单体1,2-PDO后,共聚酯的晶体结构和PET的晶体结构几乎完全相同,说明引入PEG和1,2-PDO,没有引起晶体结构的变化。随着PEG质量比和1,2-PDO摩尔比的增加,共聚酯的结晶度在总体上不断降低。当PEG的质量比相同(以10%为例),而数均分子量降低时,结晶度在不断减小。还通过部分样品加热拉伸后的二维广角X射线衍射(2D-WAXD)和二维小角X射线散射(2D-SAXS),研究取向度的变化规律。结果表明,刚开始沿轴向的应变适度变大时,2D-WAXD的衍射条纹和2D-SAXS的散射条纹都会逐渐增强,分子链的取向度提高；当应变增加到一定程度,再继续增加时,二维WAXD的衍射条纹和二维SAXS的散射条纹,总体上反而都变弱,说明分子链的取向度降低了。从一维WAXD和SAXS曲线的推算出的晶粒尺寸、结晶度和长周期等晶体参数的变化规律与上面类似。利用差示扫描量热法(DSC),研究了共聚酯的热性能。随着PEG和1,2-PDO含量的增加,样品的玻璃化转变温度(Tg)、冷结晶温度(Tcc)和熔点(Tm)总体上呈下降态势。当PEG的质量百分比相同(以10%为例),PEG的数均分子量降低时,Tg、Tcc和Tm不断下降。采用Jeziorny法,分析部分样品的非等温结晶动力学,发现共聚酯的结晶过程比Avrami模型要复杂；当数均分子量相同时,随着第四单体PEG6000含量的增加,半结晶周期t1/2的值减小,冷结晶速率增快。还利用Mo法,对部分样品在不同升温速率下的非等温结晶动力学进行研究。发现升温速率提高时,冷结晶温度(Tcc)升高；随着相对结晶度的增加,F(T)值变大,而α值却近似于一个常数。通过热重分析仪(TGA),详细研究了共聚酯的热稳定性。氮气中,TGA曲线出现一个热失重平台；空气里,TGA曲线都有两个热失重平台。在氮气和空气里,随着PEG和1,2-PDO含量的增加,热降解温度均下降。空气中的热降解比氮气中的热降解更容易发生。当PEG的质量百分比相同时(如10%),在氮气和空气里,随着PEG的数均分子量的降低,共聚酯热稳定性变差。随着升温速率提高,在氮气和空气中,TGA和dTGA曲线均向高温方向移动。利用Friedman法研究了热降解动力学。在氮气中,当升温速率相同(以10k/min为例),而改性组份PEG6000的质量百分数变化时,Ln(da/dt)对1/T曲线和Ln(1-a)对1/T曲线的线性关系较好。而且PEG6000含量增加时,热降解活化能(E)变低,表明共聚酯的热稳定性变差；热降解反应级数(n)下降,说明热降解速率加快。还发现,在氮气中对同一个样品,当升温速率变化时,Ln(da/dt)和Ln(1-a)对1/T曲线的线性关系较好。E、n、频率因子(Z)等热降解参数随升温速率等测试条件的变化而变化。此外,通过特性粘度的变化,对热稳定性能进行了分析。研究发现,PEG和1,2-PDO的含量越高,烘燥温度越高,烘燥时间越长,则特性粘度下降越快,说明热降解越容易发生。通过静态接触角(contact angle)的测试,详细研究了共聚酯的亲水性能。随着第四单体PEG和第五单体1,2-PDO含量的增大,接触角逐渐地减小,共聚酯的亲水性增强。PEG的质量比相同时(如10%),当PEG分子量降低,样品的接触角变小,亲水性增强。选择部分共聚酯切片进行熔融纺丝,制备成仿棉纤维。确定了干燥温度、纺丝温度和速度、牵伸倍数等主要工艺参数。利用缕纱测长仪,结合称重法,推算出纤维的纤度。通过WAXD法测试纤维结晶度,结果显示,当第五单体1,2-PDO含量增加时,结晶度变小。采用WAXD法和声波传播法测定了纤维取向度,随着1,2-PDO含量增加,纤维取向因子(fs)和取向度下降。利用电子单纱强力测试仪,测试了纤维力学性能,发现当1,2-PDO摩尔百分数增加,断裂强度和初始模量总体上呈减小趋势,但断裂伸长率却增大。回潮率的测试结果表明,1,2-PDO的含量增大,纤维的回潮率变大,吸湿性能提高。沸水收缩率的测试结果显示,1,2-PDO的含量越大,纤维的沸水收缩率越大。利用接触冷暖感测定仪,分析了仿棉织物的接触舒适性,发现所有仿棉织物的Qmax值比普通PET织物的Qmax值小。而且随着1,2-PDO的摩尔百分数的不断增加,仿棉织物的Qmax值总体上呈下降趋势,这表明1,2-PDO的引入使得仿棉织物的接触舒适性变好。

全文目录

摘要  5-9
ABSTRACT  9-17
第一章绪论  17-35
  1.1 研究背景及意义  17-18
  1.2 棉纤维的性能  18
  1.3 PET纤维的性能  18
  1.4 PET改性的方法  18-20
    1.4.1 化学方法  19
    1.4.2 物理方法  19-20
  1.5 国内外的研究进展  20-29
    1.5.1 吸湿导湿性能的研究  21-24
    1.5.2 染色性能研究  24-26
    1.5.3 光泽和柔软性研究  26-27
    1.5.4 抗静电性能研究  27-28
    1.5.5 功能化研究  28
    1.5.6 抗起毛起球研究  28-29
  1.6 研究目的和内容  29-30
  参考文献  30-35
第二章聚乙二醇(PEG)改性共聚酯的合成及结构表征  35-60
  2.1 引言  35-36
  2.2 共聚酯分子结构设计  36-37
    2.2.1 合成用原料和试剂  36-37
    2.2.2 分子结构设计  37
  2.3 工艺条件的研究  37-39
    2.3.1 催化剂  37-38
    2.3.2 醇与酸的投料摩尔比  38
    2.3.3 反应温度  38
    2.3.4 反应时间  38-39
    2.3.5 真空度  39
  2.4 反应装置和工艺流程  39-41
    2.4.1 反应装置  39-40
    2.4.2 工艺流程图  40-41
  2.5 样品的测试  41-42
    2.5.1 特性粘度测试  41
    2.5.2 核磁共振(~1H-NMR)测试  41
    2.5.3 广角X射线衍射(WAXD)测试  41-42
    2.5.4 小角X射线散射(SAXS)测试  42
  2.6 共聚酯的投料比及特性粘度  42-43
  2.7 结果与讨论  43-55
    2.7.1 PET与CDP的核磁共振氢谱分析  43-44
    2.7.2 系列1-3样品的核磁共振氢谱分析  44-48
    2.7.3 WAXD分析  48-50
    2.7.4 组份PEG分子量对晶体结构的影响  50-51
    2.7.5 2D-WAXD分析  51-53
    2.7.6 SAXS分析  53-55
  2.8 本章小结  55-56
  参考文献  56-60
第三章聚乙二醇改性共聚酯的热学和亲水性能研究  60-90
  3.1 引言  60-61
  3.2 实验部分  61-62
    3.2.1 DSC测试  61
    3.2.2 TGA测试  61
    3.2.3 特性粘度变化的测试  61-62
    3.2.4 静态接触角(Contact angle)的测试  62
  3.3 结果与讨论  62-85
    3.3.1 DSC分析  62-63
    3.3.2 组份PEG分子量对热性能的影响  63-65
    3.3.3 系列3样品非等温结晶动力学分析  65-68
    3.3.4 11#样品非等温结晶动力学分析  68-72
    3.3.5 氮气氛围中TGA分析  72-74
    3.3.6 空气氛围中TGA分析  74-76
    3.3.7 组份PEG分子量对热降解性能影响  76-77
    3.3.8 升温速率对热降解影响  77-79
    3.3.9 系列3样品热降解动力学分析  79-81
    3.3.10 系列3样品特性粘度变化分析  81-83
    3.3.11 接触角分析  83-84
    3.3.12 组份PEG分子量对接触角的影响  84-85
  3.4 本章小结  85-86
  参考文献  86-90
第四章 1,2-丙二醇改性共聚酯的合成及结构表征  90-105
  4.1 引言  90-91
  4.2 共聚酯分子结构设计  91-92
    4.2.1 合成用原料和试剂  91
    4.2.2 分子结构设计  91-92
  4.3 工艺条件的研究  92
  4.4 反应装置和工艺流程  92-93
    4.4.1 反应装置  92
    4.4.2 工艺流程图  92-93
  4.5 样品的测试  93
    4.5.1 特性粘度测试  93
    4.5.2 核磁共振(~1H-NMR)测试  93
    4.5.3 广角X射线衍射(WAXD)测试  93
    4.5.4 小角X射线散射(SAXS)测试  93
  4.6 共聚酯的投料比及特性粘度  93-94
  4.7 结果与讨论  94-101
    4.7.1 核磁共振氢谱分析  94-96
    4.7.2 WAXD分析  96-97
    4.7.3 2D-WAXD分析  97-99
    4.7.4 SAXS分析  99-101
  4.8 本章小结  101-102
  参考文献  102-105
第五章 1,2-丙二醇改性共聚酯的热学和亲水性能研究  105-121
  5.1 引言  105-106
  5.2 实验部分  106
    5.2.1 DSC测试  106
    5.2.2 TGA测试  106
    5.2.3 特性粘度变化的测试  106
    5.2.4 静态接触角的测试  106
  5.3 结果与讨论  106-117
    5.3.1 系列1样品的DSC分析  106-108
    5.3.2 系列2样品的DSC分析  108-109
    5.3.3 氮气氛围中样品的TGA分析  109-110
    5.3.4 空气氛围中样品的TGA分析  110-112
    5.3.5 升温速率对热降解的影响  112-113
    5.3.6 20#样品热降解动力学分析  113-114
    5.3.7 系列2样品特性粘度变化的分析  114-116
    5.3.8 接触角分析  116-117
  5.4 本章小结  117-118
  参考文献  118-121
第六章纤维的制备及其结构性能研究  121-138
  6.1 引言  121
  6.2 纤维的制备  121-125
    6.2.1 实验原料  121-122
    6.2.2 切片干燥  122
    6.2.3 纺丝  122-124
    6.2.4 牵伸丝的制备  124-125
  6.3 纤维结构与性能的测试  125-128
    6.3.1 纤度的测试  125
    6.3.2 纤维结晶度测试  125
    6.3.3 WAXD法测试纤维取向度  125
    6.3.4 声波传播法测试纤维取向度  125-126
    6.3.5 纤维力学性能测试  126
    6.3.6 回潮率的测试  126-127
    6.3.7 沸水收缩率的测试  127
    6.3.8 接触冷暖感测试  127-128
  6.4 结果与讨论  128-134
    6.4.1 纤度分析  128
    6.4.2 纤维结晶度分析  128-129
    6.4.3 WAXD法研究纤维取向度  129-130
    6.4.4 声波传播法研究纤维取向度  130
    6.4.5 力学性能分析  130-132
    6.4.6 回潮率的分析  132-133
    6.4.7 沸水收缩率的分析  133-134
    6.4.8 接触冷暖感的分析  134
  6.5 本章小结  134-135
  参考文献  135-138
第七章结论与展望  138-142
  7.1 本文的主要结论  138-141
  7.2 未来工作的展望  141-142
攻读博士学位期间发表论文和申请专利的情况  142-144
致谢  144-145

新型仿棉共聚酯和纤维的制备及结构性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文