基于纤维异形度的PTFE烧结膜分裂度的研究

作     者：倪郑晓 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈廷;徐玉康

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：PTFE 异形度 膜裂纤维 烧结膜 分裂度 

摘      要：聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)纤维因具有优异的耐腐蚀性、良好的热稳定性(熔融温度为327℃,分解温度超过400℃)、突出的耐高低温性(可在-260～260℃的环境中长期使用),被广泛应用于工业烟尘的过滤材料,尤其是垃圾焚烧、燃煤电厂、水泥厂等行业的烟尘过滤。然而,因具有高熔体粘度(1010Pa·s～1012 Pa·s),PTFE纤维无法通过常规的熔融纺丝工艺制备获得,膜裂法成为目前PTFE纤维制备的常规方法。PTFE膜裂纤维成型的主要工艺流程为糊料制备、预成型、挤压成型、压延成膜、除油、热牵伸、裂膜成纤与卷绕,其中经热牵伸制备获得的烧结膜的可分裂度对PTFE膜裂纤维的结构及性能具有显著影响。本研究基于纤维异形度评估PTFE烧结膜分裂度,为PTFE膜裂纤维产业化工艺提供理论依据。本研究首先通过调控进入膜裂梳针辊的烧结膜温度,进而制备获得不同的PTFE膜裂纤维,该纤维在表观形态及截面形态上具有较大差异,可用于后续形态表征分析以评估烧结膜的分裂程度。其次对纤维纵横向形态进行分析,发现PTFE膜裂纤维纵向上纤维呈扁平状、直径离散较大、纤维边缘粗糙、表面有裂隙,且纤维表面存在沟槽,分裂痕迹显著,纤维截面形态呈不规则多边形。相较于膜裂纤维理论纵横向形态,随着进入梳针辊时烧结膜的温度从12℃升高至135℃,PTFE膜裂纤维截面扁平细长特征增加、外轮廓凹凸程度增加、纤维间缠结度高、纤维细度增加,表明随着进入梳针辊烧结膜温度的增加,其分裂程度降低。然后对纤维异形度进行分析,先采用气流法测量不同PTFE膜裂纤维的线密度,随着烧结膜温度从12℃升高至135℃,PTFE膜裂纤维的平均线密度从3.43 dtex增加至3.95 dtex,表明烧结膜的分裂程度随其温度的升高而降低。因此,本研究进一步引入3个异形度指标相对径向异形度DR、截面异形度SR和周长系数XL。其中,相对径向异形度的数值越高,表明膜裂纤维截面越偏向扁平、细长状;截面异形度的数值越大,表明膜裂纤维截面相对于外接圆截面的充满度越低;周长系数的数值越高,表明膜裂纤维截面轮廓边缘线的曲折程度越高、轮廓线形状越复杂。本研究中,随着进入梳针辊的烧结膜温度从12℃增加至135℃,制备获得的PTFE膜裂纤维截面的相对径向异形度、截面异形度及周长系数的平均值分别从53.974%增加至70.200%、从50.433%增加至65.196%、从1.154增加至1.313,由此可知,随着进入梳针辊的烧结膜温度的增加,制备获得的PTFE膜裂纤维的截面形态变化为截面形状越偏向扁平细长状、纤维截面相对于外接圆截面的充满度降低、纤维边缘的曲折程度越高、外轮廓越复杂。最后通过方差分析,研究进入梳针辊时烧结膜的温度对制备获得的PTFE膜裂纤维的异形度的影响显著性;再通过相关性分析,研究膜裂纤维异形度与进入梳针辊时烧结膜温度间的量化关系。研究结果显示,烧结膜温度对纤维异形度有显著影响(P0.05),相对径向异形度、截面异形度与周长系数的Pearson相关系数分别为0.373、0.359与0.412,均呈现出线性正相关关系,且相关性显著(P0.01)。本研究还采用一元线性回归方法构建不同温度的烧结膜制成的PTFE膜裂纤维的异形度指标回归模型,回归系数分别为0.505、0.461与0.006,且P值均小于0.01,因此回归方程可显著正向预测进入梳针辊的烧结膜为某一温度时制成的PTFE膜裂纤维异形度(相对径向异形度、截面异形度及周长系数)的数值。