X射线散射实验方法及在高分子与纤维微观结构的应用

zhaozl023

基于同步辐射的X射线小角散射技术（SAXS）不仅可以实现原位检测材料微观结构的实时演变过程，对微区域结构进行测量，同时SAXS技术还可以和多种其它测试技术结合，对样品的结构进行多方面表征。但是对于各向异性散射体系，SAXS数据处理分析方面还面临着很大的挑战。主要研究了高分子纤维为代表的各向异性体系散射的特性和数据处理方法，并且利用SAXS研究了高性能纤维材料、高分子及其复合材料的微观结构。取得的主要成果和结论如下：1. 对于纤维体系，设计实验证明了：除了微孔和微纤是引起streak以外，边缘散射也是重要原因，同时测量出了边缘散射的强度。考虑边缘散射并不是纤维内部结构的反映，因此我们基于纤维表面折射，建立了边缘散射模型并进行了计算模拟，发现边缘散射的模拟值符合实验测量值，验证了模型的正确性，为纤维体系的SAXS数据预处理提供了理论参考。并对已消除边缘散射的PET纤维内部微观结构进行了分析，得出了微孔和片晶的尺寸相关参数；2. 根据纤维的二维散射图样，结合“Effler Invariant”，“Shioya. M”和“Ruland streak”等传统方法，提出了缺陷模型，确立缺陷为微孔并具有择优取向的圆柱状，并引入微孔的尺寸分布函数，通过对二维散射图进行全谱拟合分析，得出其尺寸分布函数的相关参数。利用广角（WAXD）和小角散射（SAXS）技术，对聚丙烯腈基碳纤维制备过程不同阶段纤维的微晶和微孔进行研究。WAXD结果表明：在碳化过程中，微晶尺寸变大，并沿着纤维轴方向的取向度变好。采用传统方法对微孔结构进行了分析，在制备过程中微孔的平均弦长，长度逐渐增大，而其沿着纤维轴方向的取向角减小。运用二维SAXS数据分析方法，得到微孔的尺寸分布函数。3. 我们还将SAXS技术应用于高分子——辐照交联的聚四氟乙烯（XPTFE）拉伸形变过程的原位结构表征，结果分析表明XPTFE的力学性能提高的主要原因是电子束辐照使得分子链交联致使网状结构的形成；发现对于在拉伸的初级阶段，屈服点之前，PTFE和交联的PTFE，都是无定形分子链先发生解缠结。高于屈服点时，对于未辐照的聚四氟乙烯（PTFE）主要形成了微孔和微纤，对于高辐射剂量的XPTFE，片晶间的滑移倾斜是形变机制，对于低辐射剂量的XPTFE，片晶并没有滑移、倾斜；并总结出了交联密度对微观结构的影响：片层的长周期结构随着交联密度的增大而减小；但在拉伸过程中，对于不同辐射剂量的XPTFE的长周期都有所增加。4. 此外，我们将高性能纤维与高分子结合，利用静电纺丝的SiO2纤维提高了高密度聚乙烯（HDPE）的力学性能，研究了SiO2纤维含量和剪切力外场对微观结构和力学性能的影响，研究表明，在有剪切力外场下，SiO2纤维沿着流动方向完整的排列，从而使得聚合物依附其表面结晶，形成shish-kebab结构，以及取向度更好，使得其力学性能增加。