聚醚型聚氨酯纤维老化机理及其安全性研究

发布时间：2020-05-23 00:31

【摘要】：聚醚型聚氨酯纤维用作Z箍缩加速器中自适应纤维时会经历高温场和紫外辐射场,同时纤维在染整阶段会经历碱处理过程,由于高温、紫外辐照和碱水浸泡环境的作用,纤维发生老化,致使其各项性能下降且对其使用安全性产生影响,因此,本文从聚氨酯纤维本质安全和使用安全角度出发,通过微波加速老化、碱水加速老化和紫外加速老化实验模拟高温环境、碱水环境和高温高湿紫外环境,对纤维的老化机理和安全性进行研究,主要研究结果如下:(1)使用FTIR、~1H NMR、AFM、DSC、DMA、TG、MCC和万能材料实验机研究了微波环境中纤维的老化机理和性能变化,研究发现,微波老化过程中,纤维两苯环间CH_2被氧化成C=O且其氧化程度随老化时间增加不断增强,同时N-H和C-O-C发生断裂,氢键化作用不断减弱;纤维表面粗糙度增大,平滑表面相继出现凹坑和簇状物;链段移动性下降而相容性增加,纤维T_(g,s)、(35)T_(g,s)、储能模量和微相分离程度呈下降趋势;纤维断裂伸长率、300%弹性回复率和内耗不断减小;纤维热稳定性不断下降,热释放容(HRC)、最大热释放速率(pHRR)和总热释放量(THR)均不断增大,表明长时间在高温环境中使用纤维会增加其燃烧潜能和潜在火灾危险性。(2)通过FTIR、GPC、吸湿行为实验、蠕变性能测试和力学性能测试的方法研究了碱水环境中纤维的老化机理和性能变化,研究发现,碱水老化过程中,纤维中氨基甲酸酯基和脲基发生水解反应,且随老化时间增加,纤维中氢键类型逐渐从分子内NH_(C=O)转变为NH与水分子之间所成氢键,同时链段相容性增大,纤维微相分离程度不断降低而微相混合程度不断增加;纤维重均分子量与数均分子量均减小而分子量分布变宽;未老化纤维和老化60h纤维的吸湿行为符合菲克定律而老化120h、180h、240h和300h纤维的吸湿行为均已偏离菲克定律;纤维内耗减小且链段体积松弛过程变快,蠕变应变增大而链段松弛表观活化能、断裂伸长率和300%弹性回复率均下降。(3)使用FTIR、SAXS、AFM、DMA、万能材料实验机和事故树分析法研究了高温高湿紫外环境下纤维的协同老化机理和系统危险性,研究发现,纤维协同老化过程中涉及六个反应,(1)为在紫外辐照环境中,水和氧在纤维中发生反应生成过氧化氢,(2)为受高温高湿作用,纤维中生成醇类和羧酸的反应,(3)为聚氨酯纤维中解聚所产生异氰酸酯和(2)所产生醇类生成聚氨酯的后固化反应,(4)为老化产物醇类与硬段所发生的重聚合反应,(5)为受紫外辐照作用,纤维中生成醌式结构的反应,(6)为紫外辐照产生的断链和断键反应。紫外光强为0.6-0.9W/m~2时,高温环境加速了分子的热运动,尤其是纤维中端基和小分子基团的微布朗运动,高湿环境使分子致密结构变得松散无序从而易被攻击,两者促进了与高湿环境相关的反应(1)、(2)、(3)和(4)的发生而抑制了反应(5)和(6),紫外光强为1.2-1.5W/m~2时,紫外光的破坏性相对变强,抑制了与高湿环境相关反应(1)、(2)、(3)和(4)的发生,促进了反应(5)和(6)的发生,同时高温环境也加速了分子的热运动;在高温高湿环境中,紫外光强为0.6-0.9W/m~2时,辐照可提高纤维的微相分离程度,内耗、T_(g,s)和旋转半径增大,紫外光强为1.2-1.5W/m~2时,辐照会破坏纤维的微相分离结构,内耗、T_(g,s)和旋转半径减小;协同老化过程中,纤维断裂伸长率和300%弹性回复率均下降;对于用作Z箍缩加速器中自适应纤维的聚氨酯纤维,要解决纤维力学失效问题,既要严把纤维生产质量关,确保纤维的初始结构完善,性能优良,又要做好预防与管理,制定严格的检查制度并采取有力的奖惩措施。
【图文】：

聚氨酯纤维,老化实验,预聚合,扩链反应

（a）40D 纤维（b）105D 纤维图 2-1 老化实验所用聚氨酯纤维NNCOCOOnHNHNCOOOOONHNCOH2NNH2NHNHNHOHNHNNHOOOOOxyOH预聚合反应扩链反应NNCOCO图 2-2 聚氨酯纤维的制备过程

聚氨酯纤维,扩链反应,老化实验,参考标准

NHOHH2NNH2NHNHNHOHNHNOOOx扩链反应图 2-2 聚氨酯纤维的制备过程微波老化实验用 2450MHz，，800W 的格兰仕微波炉，如图 2-3 围为 100-120℃，纤维老化时间分别为 5min，10m验参考标准 GB/T7141-2008[48]执行。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ340.1

【参考文献】