中 国 纺 织 大 学 学 报
JO U R N A L O F C H IN A T E X T IL E U N IV E R S IT Y
第 15 卷第 3 期 (19 8 9 年)
V o l
.
15 N o
.
3 (1 , 8 9)
PE
,
PP 晶格内应力和晶胞
变化的关系 ‘
胡 祖 明 张 安 秋 江 浩
(化学纤维研究所)
提 共
高聚物在纺丝及后拉伸过程中 , 由于大分子运动缓慢, 有相当一部分内应力尚未得到松弛 , 即被
冻结在里面。 本文以 PE 和 PP 为对象 , 采用声速法 、 T M A 法 、 密度梯度法、 W A X S 法和计算机分
峰技术 l1, “] , 对这两种纤维进行分析 , 发现 PE 与 PP 的晶格应变相差很大。 主要原因是 PE 的理论
模量比 PP 大一个数量级。 本文计算了 PP 的晶区模量 , 并与文献报道的理论模量作比较 , 发现有
两种因素影响结晶尺寸和结晶度。 本文得到的结论与文献报道的 PE T ,
A 研究结果 ‘,,’ 1极为
相似。 作者认为 : 晶格内应力存在于各种高分子材料中 , 它是造成晶格应变的主要原因。
关. 润 : 应力 , 晶胞 , 晶格稳定性 , 聚乙烯纤维 , 聚丙烯纤维 ; 热机械分析。
实 验
一 、 试样
上塑十九厂提供的聚乙烯(PE ) 、聚丙烯(PP)纤维。 纤度为 40 5 d te x , 经不 同温度松弛热
定型 , 定型时间 16 分钟 , 见表 1 。
衰 1 PE 与 PP 试样松弛热定型温度
T叻le
P拒卜O
R el a x ed hea t
一 s et 七in g 七批Per a tIZ r e o f PE an d PP sa 功Pl田
PE
P E ~ 1 】 PE 一2 ! PE 一3 } PE 一4 P E ~ 5
常温 } 8 0 ℃ 1 9 0 ℃ { 10 0 ℃ { 1 1 0℃ } 1 20 ℃
ppp p _ 八八 p p _ 111 PP一2 ! PP 一3 I P护一4
10 0℃ } 1 20 ℃ 1 140
料一口!一度一材一编一温
二 、 洲试仪器及主要
1
. 广角X 衍升 (W A X S )沮呀试 R ig a k u 3 0 15 衍射仪 , Ou k 。 , N i 滤片 , 电压 : 4 0 k V , 电流 :
16 坦A , 发射狭缝 (D S ): 1 。 , 接收狭缝 (R S ): 0 . 3 , 2 0 扫描范围: 8 。一3 2 0 ; 3 6 。一4 6 。 。
(1 ) PE
,
PP 衍射角测定: 用 Si 粉作内标 , 对 PE , PP 的主要衍射峰进行 Z e 校准 , 扣除
空气散射后 , 在 IBM PO / X T 计算机上分峰, 得到衍射峰位 。
(2 ) PE
,
PP 晶格常数的计算: 由布拉格公式变换得 .
该文于 198 7年 3 月 31 日收到 .
. 国家自然科学基金资助的课题.
一 59 一
J
、、: = 1
.
5蛇 / 2 sin 口。.
其中: e 、、: 为分峰测得的峰位 , 入= 1 . 5 42 旧u k 。) 。
PE 为正交晶系 , 故有方程 [5] :
l/ d
Z = hZ /
a Z + 无2/ 62 + 22/ c Z
分别将(1 10) 、 (20 卯 、 (2 0幻品面的峰位代入式 (2) , 计算 a , 石, C 三轴的长度。
PP 为单斜晶系 , 其中口笋 9 0 。 , 故有方程 [51 :
仁)
(2)
奋=识奇)+杀+ 刹揣)一架糯誓 (3)分别将 口值 , (1 10) , (040 ) , (111)晶面的峰位代入式(3) , 计算 a , 6 , e 三轴长度。
(3 ) 晶粒尺寸的计算: 由谢乐方程 I5] 变换得 :
D =
其中: K 为常数 , 约等于 1 , 入= l . 54 2 A , a
K 入
日e o s 6
为衍射角 , 日为衍射峰半宽 , 刀为晶粒尺寸。
(4 ) 晶区取向 : 用 R ig a k u 3 015 衍射仪对 PE 的 (2 0 0 ) , (0 2 0夕, PP 的(11 0) , (0 4 0)晶面分
别作位向角扫描 , 得到衍射强度对位向角的分布曲线 , 代入式 (4 )中 , 用 IBM PO / X T 计算机
分别计算 反寻币值 :
(4侈(6(7c o sZ甲。、: ,
而乎币二几二 1 一历石而丁:PE [6 !
PP 【6 ]
一 e o sZ q7 2 00 . 。
co 护叭二== 1 一 1 . 0 9 9
对对
代入取向度公式 :
2
. 热机械性能刚定
F 二
1
2
而而丽 : 一 0 . 90 1 石淤币而 。
一
(3
eo sZ甲二 : 一 1)
中国纺织大学化学纤维研究所自制 X R F 一2 型纤维热机械分析仪
(T MA )
, 纤维长度 4 c m , 量程 40 9 , 升温速率 10o C / m in , 空气气氛 。 测得温度一收缩应力曲
线 , 最大热收缩应力即内应力 。
3
. 晶区模量的计葬 将 w A X S 法测得各试样的 。 轴长度分别减去定型温度最 高的试
样的 。 轴长度 , 得到 刁。 , 以 刁。/ 。 = 。 为 C 轴应变 , 代入公式 :
E 二 0 / e 侈)
其中 。为内应力 , E 是晶区模量 。
4
, 纤维取 向的浏定 中国纺织大学自制纤维声速仪 , 分别测 30 Oln , 巧 c Zn 两个传播时
间 , 计算延迟时间 , 代入公式 (9) :
e = L x 10
一 3
/ (T 一 刁‘) x lo 一 6 (k m / s) (。少
其中: L 是样品长度(In ) , T 是频率仪读数 , 水 是延迟时间。则取向因子 F 。= 1 一 (O 。/ 。)2 , 其
中 C 。 是未取向试样的声速 , O是实测试样在纤维方向上的声速 。 对 PE : C 。 = o . 39 k m /s , 对
刊户: O 。 = 1 . 4 5 k m 阳.
5
. 密度梯度法浏结晶度 用 乙醇和水配制梯度管 , 在 26 士 0 . so C 恒温下测定纤维 密度 。
取其倒数为比容 , 则有公式 :
V
。 一 V
‘ 二 下弃一万
一 6 0 一
其中: 二。 为密度法测得的结晶度 , V 。 为完全无定型试样的比容 , V 。 为完全结晶试样的比容, F
为实测比容。 对 PE , V 。 = 1
.湘 c m 3馆 , V 一 1 . 00 om . / go
结果和 讨论
1
. 对 PE , PP 两组试样进行 W A X S 扫描 , 主要 晶面的衍射角如表 2 所示 。 从表 2 的数
据可看出 , PE 各晶面的衍射角数据基本不变 , 在一个固定值左右跳动 。 而 PP 的数据变化较
大 , 且规律性很好 , 随着热定型温度的提高 , 衍射角均增大 。 通过计算得到 PE , PP 晶胞参数
的实测值 , 如图 1 , 2 , 3 及表 3 所示 (PE 一0 , 即刁 为 30 ℃ 常温试样) 。 文献值见表 4o
表 2 陀 与 尸P 各主要晶面及衍射角
T 曲le 2 Pea k l丫旧i桩o ns 时 PE , PP
PPP EEE 孙k落落 PE 一 OOO PE 一 111 PE 一 222 PE ~ 333 PE 一444 PE . 555
11111 1 000 2 1
.
5 666 2 1
.
5 333 2 1
.
6 000 2 1
.
5 444 2 1
.
5 000 2 1
.
5 777
22222 0 000 2 3
.
8 000 23
.
7 999 2 3
.
8 777 23
.
8 111 2 3
.
7999 2 3
.
8 777
00000 2 000 36
.
2333 36
.
2 111 3 6
.
2 888 36
.
2 777 3 6 2666 3 6
.
2 888
22222 0 111 4 2
.
, 555 4 2
.
9 777 4 2
.
8 888 4 2
.
8 888 4 2
.
8 999 4 2
.
8 888
PPPPPP 耘k 乙乙 PP一000 PP 一111 P P一 222 PP一333 PP一 44444
11111 1000 1 3
.
1666 13
.
2666 1 3
.
4 999 1 3
.
5 777 13
.
5 ,,,
00000 4 000 16
.
0666 16
.
1333 16
.
3 777 16
.
4 333 16
.
4 99999
111113 000 1 7
.
5222 1 7
.
6 444 1 7
.
8 444 17
.
9666 18
.
0 00000
11111 1111 2 0
.
5000 20
.
6 444 2 0
.
8 444 Zo
.
gttt 2 0
.
9 77777
裹 3 PE 与 p尸的晶轴长度及晶胞体积
T 的le 8 o ell 那r a m e七er a n d v o lu m e o f PE , PP 份y血l(E x钾r im en 七)
PPPEEE 项 目目 PE 一000 P E 一111 P E 一222 P E 一 333 PE 一 444 PE 一555
。。。(人))) 7 . 4 111 7 . 4 111 7 . 4 000 7 . 4 111 7 . 4 111 7 . 4 111
bbbbb (A ))) 4
.
9666 4
.
9 777 4
.
9 555 4
.
9 666 4
.
9 777 4
.
9 666
eeeee (人))) 2 . 5 444 2 . 5 444 2 . 5 444 2 。 5 444 2 . 5 444 2 . 6 444
VVVVV (人a))) 9 3 . 444 9 3 . 555 9 3 . 000 9 3 . 444 93 . 555 9 3 . 444
误误误差气男))) 0 . 444 0 . 444 0 . 444 0 . 555 O 。555 0 . 555
PPPPPP 项 目目 PP一 000 P P一 lll P P一333 P P一333 PP一 44444
aaaaa (A ))) 6
.
9 333 6
.
8 ,, 6
.
8 222 6
.
7999 6
.
7 99999
bbbbb (A ))) 2 1
.
4 777 2 1
.
4 222 2 1
.
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.
2 111 2 1
.
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.
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.
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!!!!! V (A
, ))) 9 8 777 9 7 222 9 4666 9 3 555 9300000
{{{{{ 误差.( % ))) 习
.
333 2
.
111 1
.
555 1
.
555 1
.
33333
. 误差 = 名!, 实脸值一 Ze 计算值七名叨 实 脸值 x 100 另
可明显看出 , PE 无论是晶轴还是晶胞体积 , 基本上都无变化 , 而 rP 则表现出明显的规律
性变化 , 即随热定型温度的升高晶轴长度及晶胞体积都有收缩 。
若采用简单的串联模型 , 可以认为贯穿晶区 、无定型区的应力基本相等 。 对 PE 来说 , 由
一 61 一
裹 4 P〔, PP 晶胞参数文献值闭
T a ble 4 0 ell Pa r a m ete
r a n d vo lu m o o f PE
,
1
」
P o r少, 七a l(I, u l)115 ]一记 )
PPPEEE aaa 奋奋 CCC PPPP 口口 bbb CCC 声声
............................. 最最最最最最最最最最最最最最最最最最施施施 7 . 4 000 4 。9 333 2 . 53444 参参 6 . 6 555 20 . 9 666 6 5000 9 9 . 333参参参 7 . 3666 4 。 9 444 2 . 5 3 444 数数 6 . 6 666 2 0 . 7 888 6 . 4 9 555 9 9 . 6 222
数数数 7 . 4 1888 4 . , 菊菊 2 . 5 4 666 (单郭))) 6 . 6 555 址0 7 333 6 , 5000 9 9 . 000
(((正文))) 7 . 吐饰饰 4 . 9朋朋 2 . 5 4 77777 已。 6 444 2 0 . 8 888 6 . 5 111 9 8 。777
6666666666666诵999 20 . 9 888 6 , 50 444 9 9 . 555
平平 均均 7 . 3 9666 4 . , 3 999 2 . 54 000 平 均均 6 。肠888 2 0 . 8 6 666 6 . 50 222 9 9 . 2222
.‘1.61.4幼,.0
自‘的‘,‘:
7.06.8劫..’公
:之芝甫
图 1 PE 晶轴长度与热处理温度的变化关系
Fig
.
1 Ce ll Pa r a m e te
r o f PE a s a fu n e tio n
o f he a t一 tr e a tm en t tem Pe r a t让r e
6.0 卜扩嘴犷亩- 俞气命气性犷靛仑
图 2 PP晶轴长度与热处理温度的变化关系
F ig
.
2 C e ll Pa r a tn e t e r o f PP a s a fu n e tio n
o f he a t一t r e a t口e n t te m Pe r a tu r e
孟
I以劝
,s0州殉920 !1oo即
图 3
Fig
.
3
名。卜责喻气岔责端产分瑞七
PE
,
PP 晶胞体积与热处理温度的关系
Ce ll v o lu m e o f PE
,
PP a s a fu n e tio n
o f 五e a t一t r e a tm e n t t e m Pe r a tu r e
于其晶格模量极高, 因此晶格常数变化极小 。
从 X 光衍射仪上反映不出 , 而表现为比较稳定
的晶格常数。 PP 则不然 , 由于晶格模量比 PE
小一个数量级(见J表 5) , 因此晶轴易拉长 , 在衍
射仪上可反映出来。 只有在松弛热定型时才通
过缚结分子的运动得以松弛 。热定型温度越高 ,
松弛越充分 , 反映在晶格上就是随着热定型温
度上升 , 晶轴收缩 , 晶胞体积减小 , 晶区密度随
之上升。
2
. 图 4 、 图 5 是 PE 和 PP 各主要晶面方
向的平均晶粒尺寸随热处理温度的变化 。 从图
4 可见 , 随热处理温度上升 , PE 各晶面的平均
尺寸均呈上升趋势 。 因为随热处理温度的升高 , 无定型区分子运动变得愈来愈容易 , 使各晶区
都有生长 , 从而反映为各晶面方向的平均晶粒尺寸略有上升 。 至于图 5 中的 PP , 一方面和 PE
一样 , 随着热处理温度上升 , 其平均晶粒尺寸要增大 ; 另一方面 , 由于内应力的释放 , 撕裂 J’原
一 62 一
表 5 尸E , 尸尸理论及实测晶格模量 ;8 }
I
Tab le 5 Id ea l
a
·
n d m ea s u r ed
e T了s七a l m o d一lu s o f PE , 卫P
PPPEEE 理 论 模 至至 作 者者 实 测 模 蚤蚤 方 注注
111118 2 G P aaa T re1 0 口上上 2 3 5 G Paaa X 一 ra yyy
333334 0 G P aaa 岛内 ,, 1 5 0 G Paaa X 一 ra yyy
22222 9 0 G Paaa 宫泽泽 2 5 5 G Paaa X 一 ra y(一 17O C )))
22222 5 6 O P日日 小岛田夕夕 3 58 G Paaa R a m a nnn
33333 15
.
5 G Paaa 田代乡乡 2 , 0 G Paaa R a m a UUU
222229 7 G PSSS B O U d re a U XXX 3 2 9 G Paaa N C U tro nnn
平平 均均均均 2 7 0 G Paaa
444 9 G Paaa 朝比奈于于 3 4 G Paaa
222 8 G Paaa 宫 泽泽泽
333 3 G Paaa 宫 泽泽泽
图 4 PE 晶粒尺寸随热处理温度的变化
F i‘. 4 C r y s t a llin e si z e o f PE a s a fun e tio n
o f 五e a t一t r e a tm e n t te m p e r a tu r e
图 5 PP 晶粒尺寸随热处理温度的变化
Fig
.
5 C r y s ta llin e s iz e o f PP a s a fu n e ti‘)n
o f h e a t一t r e a tm e n t t o m Pe ra t u re
有部分晶体中的缺陷点 , 从而使其平均晶粒尺讨有所下降。 在热处理温度较低的试样中, 后一
因素占主导地位 , 因此反映为平均晶粒尺寸有所下降。 随着热处理温度的上升 , 内应力基 2阵释
放完全 , 这时前一因素占主导地位 , 因此又反映为平均晶粒尺寸的回升。
3
. 图 6 是 PE , PP 结晶度与热处理温度的关系曲线 。 从 PE 的曲线上看出 , 与一般概念
一样 , 随着热处理温度上升 , 结晶度亦增加 。 从 PP 曲线看 , 随着热处理温度升高 , 试样结品度
先是基本不变 , 然后上升 , 这一点和 X 光法测得的晶粒尺寸很相关。 其机理是 : 开始时撕裂造
成的结晶度下降和晶体生长造成的结晶度上升平衡 , 从而结晶度基本不变 , 以后随着热处理温
度上升 , 大分子砌入晶格使结晶度上升 。
4
. 对 PE , PP 进行位向角扫描 , 计算晶体取向, 再分别用声速法测定纤维总取向, 结果
如图 7 示 。 从中看出, 无论 PE 或 PP , 随热处理温度上升 , 晶区取向基本不变 , 而总取向下降
较大 。 从而可知 , 随热定型温度上升无定型取向下降。 另外还注意到 , PE 随热处理温度上升 ,
无定型取向度的下降速度明显快于 PP 的下降速度 。 这是由于 PP 带着一个甲墓侧基团 , 大
分子内旋转势能远远高于不带基团的 PE , 从而不 易 内旋转 , 不利于分子解取向。
5
.
PE
,
PP 的热收缩应力和热处理温度的关系如图 8 所示 (其中 PE 一0 , PE 一l 两试样的
热收缩应力较大 , 超出量程)。 由于 PE 晶格模量很大 , 比 PP 大约一个数量级 (见表 5) , 所
以虽然表现出较大的热收缩应力 , 但其应变很小, 难以被X 光衍射仪测出 。 在假设晶区和无
一 63 一
PE x 光快洲州洲笼 几
PB 密度 护~ 、 、
0 . . , 勺入、、
润 . ~ 二‘ ~ ”汽冲、
s0 卜 0- .⋯
0 2 0 4 0 6 0 80 10 0 120 140 七 0.7 扩
.喻~峨尸贪嘴万俞叮犷翁花
x 一 x -一PE X 光法 · - - - · -一PP X 光法
x 一 x 一P E 密度
图 6 PE , PP 结晶度与热处理温度的变化关系
Fig
.
6 C r了s ta llin ity o f PE , PP a s a fu n e tio n
o f h e a t一t r e a tm e n t te m Pera tu r e
x 一 x 一PE 晶区取向 , x 一 x 一PE 总取向
口一口一PP 晶区取向 , 口一口一PP 总取向
图 7 PE , PP 取向度与热处理温度的关系
F ig
.
7 O r ie n ta tio n o f PE
,
PP a s a fu n e tio n
o f h e a t一t r e a tm e n t te m Pe r a t u r e
E11p
-工
PPl十.咋rl昨.昨乙叫X ]
图 8
Fig
.
8
夕‘1 4 0 6 0 8 0 10 0 1 2 0 14 0 ℃
PE
,
PP 最大热收缩应力与
理温度的关系
M a x im u m
势处
sh rin k in g s t r e s s
o f PE
,
PP a s a fu n e tio n o f
h ea t一 t r e a t m e n t te m Pe ra t u r e
定型区相互串联的基础上 , 如果 TMA 仪升温速度
较快 , 则所测得的应力基本上可认为是作用在晶格
上使其拉长的力 。 由此计算出PP 的晶区模量列于表
6 中 , 从中看到计算所得PP 的晶区模量比表 5 所列
理论模量低 1 . 5 个数量级 。 这可能是由于 : ¹ 理论
晶区模量一般是指常温时的晶区模量 ; 本文得到的
晶区模量是在加热状态下测得的, 反映了高分子晶
体模量随温度升高而下降。 º在热机械仪测收缩应
力时 , 虽然升温速度较快 , 但还有应力松弛现象 , 使
测得的模量偏低 。
表 6 PP 的晶格热模量
T a b le 6 M ea su r od e r 了s tal m o d u lu s o f p p i n heat ed e o n d i七io n
P P一0 PP一2 PP一3 PP -4
品格{健最 (G P a )
结 论
工. 无论 PE 或 PP , 随着松弛热定型温度升高 , 其晶区取向度均基本保持恒定 , 而非晶区
取向度呈下降趋势 , 并且 PE 的下降速度大于 PP 的下降速度。
2
. 随着松弛热定型温度的升高 , 内应力得以松弛, PP 的 。 , b , 。 三晶轴均有收缩 , 晶胞
体积下降。 而由于 PE 的晶区模量很高 , 其晶格形变难以为 X 衍射仪所察觉。
3. PP 的晶粒尺寸 , 随松弛热处理温度的升高先有下降, 然后回升。 这主要是由干开始
一 6 4 一
时应力释放撕裂结晶的速度大于结晶的生长速度 , 后来结晶生长又 占了主要 地 位所 致。 在
P E 中 , 由于晶区模量很大 , 应力不足以撕裂结晶 , 始终以结晶生长为主 , 从而使 PE 的晶粒尺
寸、结晶度均皇单调上升。
4
. 可利用 TM A 快速升温测得热收缩应力和 W A X S 测得晶格应变 , 计算材料的晶区模
量 。 所得的晶区模量比常温下的理论模量要低约 工. 5 个数量级。
参 考
anPE
文
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o x i漪5 in a叮 p o lym 份 w h ioh 15 七h e m a i n r ea s o n t o e a u s e la七t i e e d e fo rm at i血 .
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