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高强度液晶高分子纺丝纤维取向机制研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-27  来源:中国石化设备网  作者:[db:作者]
核心提示:  高强度液晶高分子纺丝纤维取向机制研究韩式方(中国科学院成都分院,成都S10041)伸流动取向特征、定常取向运动和非定常运动。应用拉格朗日方法研究了轴对称纺丝拉伸流动稳定性。得出液晶高分子纺丝拉伸中

  高强度液晶高分子纺丝纤维取向机制研究韩式方(中国科学院成都分院,成都S10041)伸流动取向特征、定常取向运动和非定常运动。应用拉格朗日方法研究了轴对称纺丝拉伸流动稳定性。得出液晶高分子纺丝拉伸中分子取向有较篼的稳定性,其取向运动具有高抗解取向性,较易形成高取向度,这是制成高强度和高模量纤维、薄膜和模塑制品的基础。

  日稳定性分析,抗解取向1熔体纺丝中分子取向液晶高分子的重要应用是生产高强度、高模量纤维,如Kevlar型纤维。另一重要应用是液晶在显示技术中的应用。

  目前液晶显示器已在计算机中广泛使用。然而,液晶高分子的流变学基础和应用基础研究远落后于其开发和应用的发展,例如,液晶高分子材料生产高强度高模量纤维的机理有待进一步研究。同时,在液晶篼分子熔体挤出过程中,显示出反挤出胀大现象,这与一般的高分子熔体显著不同。在液晶连续介质力学中,为了描述其分子取向特性,引进向矢它表征在任意一点邻域内分子的优势取向外力(场)作用于液晶高分子时,既可以产生流体的运动,也可以引起向矢(分子取向directorvector)的取向运动。主链或侧链型液晶高分子的显著特点是在外力场作用下容易形成分子链取向。实1)国家自然科学基金项B验表明,当液晶高分子流体通过喷丝孔、模口或流道,即使在低剪切速率下获得取向,不进行后拉伸也能达到一般高分子经拉伸后所达到的取向度。因此,利用液晶高分子,即热致性液晶高分子或与其共混复合材料的特性,可以生产高强度、高模量的纤维等(l)对于液晶高分子纺丝拉伸流动,设向矢和速度场为以下形式在向矢和速度场(2)和(3)下,向矢输运方程(1)化为dnzdnzdnz设液晶高分子的取向运动比流体运动速度小得多,因此输运方程中的惯性项可以省略,即可用对时间的偏导数代替其全微分,因此由输运方程得出的向矢方程可简化为对于定常液晶高分子纺丝拉伸流动,由上式得出因为是主拉伸方向,所以合理的定常流动解是以下两个解,=1,=0.由喷丝孔挤出时的初始向矢应平行于拉伸方向的单位向量,所以第一个解是合理的3非定常取向运动对于非定常液晶篼分子纺丝拉伸流动,由方程(5)得出积分上式,得到如果初始条件为nzt=0 =1,必须有As0.这一情形对应定常流动解=1,nr =0.由向矢输运方程的-维非定常理论出发,当初始时刻向矢为主拉伸方向上的单位向童时,则该向矢将随时间继续保持该方向的向矢不变。现在假设在过去时刻(<<0)向矢等于拉伸方向上的单位向量。在初始时刻(即观察时刻),当向矢开始微小偏离于该单位向量,即初始条件为(=0=e,由式(9)常数等于即得由该方程的根给出向矢分量和示出扰动向矢分量、和nr随时间;的变化曲线。由取向运动的一维非定常理论可知,在外力作用下,在液晶篼分子纺丝拉伸流动中,若分子取向在过去时刻形成了平行于主拉伸方向的分子取向,在初始时刻发生了有限振幅的扰动,则该扰动也将随时间衰减而趋于0,保持原主拉伸方向的取向在喷丝孔管道内液晶篼分子熔体分子获得取向,庄离开喷丝孔口的非常短的距离内解取向扰动较快趋于,表明具有较强的抗解取向的能量,在轴向拉伸作用下分子较快获得篼取向度。

  液晶高分子纺丝拉伸中具有抗解取向特性,而一般篼分子不具备其性质,这是本研究提出的新概念。稳定的分子篼取向度是液晶高分子或其复合材料制成篼强度、篼模量丝条的埋论上的解释。这是液晶高分子各向异性引起的特殊性质。

  4稳定性分析在此将采用流体力学的拉格朗日方法研究液晶高分子纺丝拉伸的稳定性,该方法曾成功地应用于研究黏弹流体薄板稳定性在式(2)和式(3)下,输运方程(4)可以化为流动的基本解由式(7)给出,设向矢分量为平均值和扰动值两部分之和表示扰动部分。可以理解扰动量是液晶高分子由喷丝孔挤出时解取向所引起的。对非定常取向运动方程(13)进行线性化,即得在方程中的第1项是物质导数,第2项的系数与时间无关,因此,在拉格朗日坐标中可以设方程的解为以下形式其中,f=r=t为拉格朗日坐标。将式(15)代入式(14)即得在拉格朗日坐标系中方程中的全微分可以用偏微分替代,即得积分上式得出该常微分方程的解,设i =时,有P(f)=P,即可确定积分常数,则得因为A,fc和t均为正值,所以-6Afct为负值。因此扰动量振幅P(t)随时间而衰减,不经过后拉伸分子取向也可达到沿主轴方向取向,分子取向是稳定的,不受解取向影响,这一特点显然与一般篼分子熔体纺丝拉伸有区别。这一结论与前面结论是一致的,同时也进一步证实了以上结论。但是应指出,以上稳定性研究中的基本方程(13)已考虑轴对称特点,即属于空间二维问题。本文结论是在以下条件下得出的,即拉伸率是常量,同时取向运动对流体运动没有实质影响。如需要对问题进一步深入研究,应考虑拉伸率不是常量,取向运动对流体运动影响,则必须同时研究流体运动方程和取向运动方程。显然,本研究指出了问题的主要方向,即液晶篼分子纺丝拉伸流体中的取向运动具有保持主拉伸方向取向的能量。得出以下结论,液晶高分子纺丝拉伸分子取向有较高的稳定性,在丝条中较易形成篼取向度,这是制成高强度和高模量纤维、薄膜和模塑制品的机制,以上结论与目前的液晶高分子的应用实践是一致的。

 
 
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