Прочность полиэфирного волокна на разрыв оценивается молекулярным методом.

Oct 31, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11759 (2023) Цитировать эту статью

184 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Комбинация нагрева лазерным излучением и источников синхротронного рентгеновского излучения позволила наблюдать развитие структуры волокна, которое происходит за доли миллисекунды после сужения во время непрерывной вытяжки. С помощью анализа широкоугольной рентгеновской дифракции (WAXD) и малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) волокон поли(этилентерефталата) с тремя различными молекулярными массами, вытянутых под эквивалентными напряжениями, наблюдалась хорошая корреляция между d-расстоянием смектической (001') дифракции, экстраполированной на точку сужения и прочность вытянутого волокна. Это указывает на то, что молекулярные цепи, которые несут нагрузку при вытягивании, также несут большую часть приложенного напряжения во время испытаний полученного волокна на растяжение. Кроме того, рассмотрение зависимости d-промежутка от напряжения вытягивания и распределения молекулярной массы волокна показало, что молекулярные цепи с молекулярной массой более 23000 г/моль несут на себе большую часть растягивающей силы, приложенной к волокну.

Волокна из поли(этилентерефталата) (ПЭТ) составляют более половины всех производимых в настоящее время волокон. Благодаря этому огромному производству были проведены многочисленные исследования структуры и свойств ПЭТ-волокон. В последнее время контроль физической собственности стал крайне желательным с точки зрения охраны окружающей среды. В частности, прочность волокна на разрыв должна не только соответствовать требованиям использования, но и снижаться как можно быстрее после утилизации, чтобы минимизировать ущерб окружающей среде, например, при ловле рыбы-призрака.

Для оценки физических свойств волокон было предложено множество структурных моделей1,2,3,4,5,6. Большинство из них представляют собой структуры размером в несколько нанометров, называемые микрофибриллами, в которых кристаллические и аморфные фазы попеременно расположены вдоль оси волокна. Согласно этим моделям, к натянутым связям в аморфных фазах, соединяющим кристаллиты, интенсивно прилагается растягивающая сила. Свойства при небольших деформациях, такие как модуль Юнга и напряжение термической усадки, можно точно оценить с помощью моделей, использующих усредненные структурные параметры, такие как кристалличность и ориентация молекул. И наоборот, свойства при больших деформациях, в частности прочность волокна, плохо оцениваются, поскольку исходная структура изменяется при деформации растяжения вплоть до разрушения. Однако количество натянутых цепей, несущих растягивающую силу, не сильно изменяется в результате растягивающей деформации. Поэтому мы сосредоточились на зародыше натянутой цепи, промежуточной так называемой «смектической фазе»7. Смектическая фаза имеет фибриллярную форму с соотношением сторон ~ 10 и, как полагают, преобразуется в микрофибриллы в получаемом волокне путем ориентационной кристаллизации8. Поскольку смектическая фаза состоит из пучков ориентированных молекулярных цепей, эта фаза в основном воспринимает растягивающую силу во время процесса вытягивания волокна до кристаллизации, вызванной ориентацией9, и эти пучки ориентированных молекулярных цепей также несут растягивающую силу, приложенную к полученному волокну при разрыве. .

Полимер с высокой молекулярной массой обычно используется для получения высокопрочного ПЭТ-волокна10, но чрезмерно высокая молекулярная масса отрицательно влияет на ориентацию молекул вдоль оси волокна из-за перепутывания молекулярных цепей. Эта плохая молекулярная ориентация уменьшает количество молекулярных цепей, несущих растягивающую силу, приложенную к волокну, снижая прочность волокна на разрыв. Соответственно, подходящее распределение молекулярной массы имеет важное значение при разработке ПЭТ-волокон с заданными свойствами растяжения. В частности, прочность волокна определяется количеством молекулярных цепей, несущих растягивающую силу через переплетения, а цепи с высокой молекулярной массой, как правило, являются цепями, несущими растягивающую силу. Таким образом, концепция молекулярной массы критической цепи, способной выдерживать растягивающую силу, может служить руководством для оптимизации молекулярно-массового распределения волокон.