不同处理条件下间位芳纶的热氧老化性能研究_杨佑.pdf

研究与开发合成纤维工业，（）：收稿日期：；修改稿收到日期：。作者简介：杨佑（），男，工程师，主要从事高分子及复合材料研发。：。通信联系人。：。不同处理条件下间位芳纶的热氧老化性能研究杨 佑，曹凯凯，杨 军，张志军，王国华，王 进，黄安民（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲）摘 要：以，二甲基乙酰胺（）含量分别为 和 的间位芳纶长丝为原料，分别经浓度为 的稀 溶液、稀盐酸（）溶液和稀氢氧化钠（）溶液浸泡处理，然后在 下进行热氧老化处理，研究热氧老化时间对间位芳纶断裂强度和断裂伸长率的影响。结果表明：含量为 的间位芳纶热氧老化后断裂强度保持率和断裂伸长率保持率较低，含量高对热氧老化后纤维断裂伸长率的影响大于对断裂强度的影响；热氧老化 后，含量为 的间位芳纶的断裂强度保持率仅 ，其截面的空洞和裂纹明显；经过稀 溶液处理的间位芳纶断裂强度保持率和断裂伸长率保持率明显低于经过稀 溶液和稀 溶液处理的间位芳纶；含量为 的间位芳纶经稀 溶液浸泡处理，再经热氧老化 后，其断裂强度保持率和断裂伸长率保持率分别为 和 ，且纤维表面存在明显的被破坏；在间位芳纶实际使用过程中，应避免纤维在碱性环境下使用。关键词：聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 间位芳纶 浸泡处理 热氧老化 力学性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（）聚间苯二甲酰间苯二胺纤维俗称为间位芳纶，因其特殊的化学结构具有许多优异的性能，如高强、质轻、本征阻燃、耐高温、绝缘性能出色、耐磨性好等，广泛应用于电气绝缘、结构材料、高温过滤、安全防护等领域，已成为轨道交通、国防军工、航空航天等关键装备国产化不可或缺的核心基础材料。由于间位芳纶具有优异的耐高温性能，其应用环境通常温度较高，因此开展不同条件下间位芳纶的热氧老化性能研究，探索不同处理条件下间位芳纶热氧老化后的力学性能保持率，对提升间位芳纶的使用寿命具有重要指导意义。作者 制 备 了 不 同，二 甲 基 乙 酰 胺（）含量的间位芳纶长丝，并分别经过一定浓度的稀 溶液、稀盐酸（）溶液和稀氢氧化钠（）溶液处理，研究了 下不同热处理时间对间位芳纶断裂强度和断裂伸长率的影响，为判断不同条件下间位芳纶的热氧老化性能提供了方法。实验 原料及试剂间位芳纶长丝：线密度为（）、断裂强度大于等于 、断裂伸长率大于等于，其中 含量为 的间位芳纶长丝标记为 试样、含量为 的间位芳纶长丝标记为 试样，株洲时代新材料科技股份有限公司产；：分析纯，天津市大茂化学试剂厂产；：分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司产；：分析纯，株洲市星空化玻有限责任公司产。主要设备及仪器非标间位芳纶纺丝设备（含全套纺丝配件）：定制；型高效液相色谱仪：日本岛津公司制；型热老化箱：重庆哈丁科技有限公司制；型电子单纤维强力仪：莱州市电子仪器有限公司制；型扫描电子显微镜（含能谱仪）：德国卡尔蔡司公司制。热氧老化实验（）将不同 含量间位芳纶长丝（和）试样裁剪成长度为 的纤维束，将纤维束缠绕放在坩埚中，再将不同试样和坩埚一起放入高温烘箱中，进行热氧老化处理，处理温度为，处理时间为 ，得到热氧老化后的间位芳纶试样。（）将 试样分别置于浓度为 的稀、稀 和 稀 溶 液 中 浸 泡，自然晾干 后编号为、试样。（）将、试样裁剪成长度为 的纤维束，将纤维束缠绕放在坩埚中，再将不同试样和坩埚一起放入高温烘箱中，在 下处理 ，得到热氧老化后的间位芳纶试样。分析与测试 含量：称取间位芳纶试样（），加入盛有 甲醇的密闭容器中，在（）下超声处理 ，然后采用 的过滤头对溶液进行过滤；根据 规定采用高效液相色谱仪测试滤液中 浓度。按式（）计算纤维中 含量。（）式中：为纤维中 含量，为滤液中 浓度，为甲醇的体积，为称取纤维试样的质量。断裂强度保持率：将处理特定时间的间位芳纶试样从烘箱中取出并自然冷却，在温度（）、相对湿度（）的条件下，调湿 ；从处理后的间位芳纶试样中随机抽取 根试样，根据 规定采用电子单纤维强力仪测试纤维的断裂强度，夹持距离为 ，拉伸速度为 。按式（）计算纤维断裂强度保持率。（）式中：为纤维断裂强度保持率，为纤维处理后的断裂强度，为纤维处理前的断裂强度。断裂伸长率保持率：将处理特定时间的间位芳纶试样从烘箱中取出并自然冷却，在温度（）、相对湿度（）的条件下，调湿 。根据 规定采用电子单纤维强力仪测试纤维的断裂伸长率，夹持距离为 ，拉伸速度为 。按式（）计算纤维断裂伸长率保持率。（）式中：为纤维断裂伸长率保持率，为纤维处理后的断裂伸长率，为纤维处理前的断裂伸长率。形貌结构：将不同处理条件的间位芳纶试样固定在导电胶上，通过喷金处理后，采用扫描电镜（）对试样表面（放大倍数为 ）和截面（放大倍数为 ）进行观察并拍照，加速电压为 。结果与讨论 热氧老化对不同 含量间位芳纶力学性能的影响 不同 含量间位芳纶的 在间位芳纶制备过程中，常用溶剂为，经过凝固成型、水洗干燥和热处理等过程，虽然纤维中 含量大幅减少，但仍会有微量溶剂残留。在 下对不同 含量间位芳纶试样进行热氧老化处理，试样的 随热氧老化时间（）的变化曲线如图 所示。从图 可以看出：相同热氧老化条件下，试样热氧老化后的高于 试样；在热氧老化 前，两者的 差异不大，热氧老化 后 试样的 显著下降，热氧老化 后 试样的 仍有 ，而 试样的 仅有 ，由此可知间位芳纶中 含量的增加会降低其热氧老化后的。这可能是由于 在高温下（超过其沸点）气化，容易在纤维内部或表面形成空洞和缺陷，而 含量越高其气化产生的缺陷越多，导致纤维断裂强度下降越明显。图 不同 含量间位芳纶的 随 的变化 试样；试样 不同 含量间位芳纶的 在 下对不同 含量间位芳纶试样进行热氧老化处理，试样的 随 的变化曲线如图 所示。从图 可以看出：相同热氧老化条件下，试样热氧老化后的 明显高于 试样，特别是在热氧老化前 ，试样的断裂伸长率无明显变化，而 试样热氧老化 后 仅有；试样热氧老化 后 显著下降，后下降速率逐渐减缓，而 试样热氧老化 时 接近至最低点，后 下降趋于第 期 杨 佑等 不同处理条件下间位芳纶的热氧老化性能研究平缓。其原因与断裂强度的下降原因相同。图 不同 含量间位芳纶的 随 的变化 试样；试样 综合图 和图 可知，随着间位芳纶试样中 含量的增加，试样的 下降幅度显著高于，表明 含量的增加对试样热氧老化后的的影响大于对 的影响。不同 含量间位芳纶热氧老化后的截面形貌 在 下分别对、试样进行热氧老化处理，试样老化前后的截面 照片如图所示。从图 可以看出，相比 试样，含量高的 试样热氧老化后截面的空洞和裂纹显著增加，其原因可能是 在高温下（超过其沸点）气化，从纤维内部迁移至纤维表面，进而扩散至大气中，溶剂气化迁移过程中容易在纤维内部或表面形成空洞和缺陷，含量越高，形成的空洞和缺陷越明显。图 不同 含量间位芳纶热氧老化前后的截面 照片 热老氧化对不同浸泡条件下间位芳纶性能的影响 不同浸泡条件下间位芳纶的 从图 可以看出：经过稀 溶液浸泡处理所得 试样的断裂强度下降速率明显高于其他浸泡方式所得试样，热老氧化 后试样的只有 ，后试样脆性极大，无法进行测试，其原因可能是经过稀 溶液处理的纤维在高温下分子链更容易断裂，导致纤维断裂强度下降速率增大；经过稀 溶液和稀 处理所得、试样的断裂强度变化趋势和未浸泡处理的 试样的断裂强度变化趋势相近，经过稀 溶液处理的 试样热老氧化 时断裂强度下降速率略大，但热老氧化 后、试样的 相当，均在 以上。其原因可能是经过稀 和稀 处理的试样在高温下分子链断裂速率增加幅度较小，对试样的断裂强度下降速率无显著影响。图 不同浸泡条件下间位芳纶的 随 的变化 试样；试样；试样；试样 不同浸泡条件下间位芳纶的 从图 可以看出：随着 的延长，不同浸泡条件下间位芳纶的 均下降；经过热老氧化处理，稀 溶液浸泡处理所得试样的断裂伸长率下降速率明显高于 和 试样，后试样的仅有 ，后纤维脆性极大，无法进行测试，其原因可能是经过稀 浸泡处理的纤维在高温下分子链更容易断裂，导致纤维断裂伸长率显著下降；经稀 溶液和稀 处理所得、试样的 变化趋势和未经浸泡处理的试样相近，经稀 处理的 试样的 略高，当热老氧化 后三者的 相当，均在 左 合 成 纤 维 工 业 年第 卷右，其原因可能是经过稀 和稀 处理的纤维在高温下分子链断裂速率增加幅度较小。图 不同浸泡条件下间位芳纶的 随 的变化 试样；试样；试样；试样 不同浸泡条件下间位芳纶热氧老化后的表面形貌在 下分别对、试样进行热氧老化处理 ，老化前后表面形貌见图。图 不同浸泡条件下间位芳纶热氧老化前后的表面 照片 从图 可以看出：试样及不同浸泡条件下的、试样热氧老化处理前表面均较光滑；经过热氧老化处理后，、试样表面略有花斑，试样表面存在大量花斑，而 试样表面存在明显被破坏的情况。由此可知，与、酸性条件相比，间位芳纶在碱性条件下更容易受到损伤，导致在热氧老化过程中纤维的 和 均显著下降，在间位芳纶实际使用过程中，一定要避免纤维在碱性环境下使用。结论 间位芳纶中 含量高会降低热氧老化后其、，热氧老化 后 试样的 仍有 ，而 试样的 只有 ；含量高对热氧老化后断裂伸长率的影响幅度大于断裂强度；热氧老化后，相比 试样，试样截面的空洞和裂纹显著增加。热氧老化处理后，稀 溶液浸泡处理所得 试样的 和 显著下降，热氧老化 后 和 分别为 和 ；热氧老化处理后 试样表面存在明显的被破坏情况。热氧老化处理后，经稀 溶液和稀 溶液浸泡所得、试样的 和 变化趋势与 试样相近，经稀 处理的 试样的 和 略高。参 考 文 献 裘愉发 主要高性能纤维的特性和应用 现代丝绸科学与技术，（）：王丽丽，陈蕾，胡盼盼，等 芳纶 纤维的研制 上海纺织科技，（）：朱美芳，周哲，黄伯云 中国战略性新兴产业新材料（高性能纤维）北京：中国铁道出版社，（）：梁冰，胡祖明，于俊荣，等 可染间位芳纶的制备及性能研究 合成纤维工业，（）：张倩，郑振荣，宋子寅，等 阻燃服装面料中混纺纤维的鉴别 合成纤维工业，（）：韩晨晨，郑振荣，张楠楠，等 阻燃战训服的发展现状及研究进展 合成纤维工业，（）：何宏 芳纶纤维过滤材料的应用 玻璃纤维，（）：丁见收，刘厚洋 阻燃纤维芳纶 性能及应用 现代职业安全，（）：陈磊 间位芳纶纸的开发及其应用 中华纸业，（）：第 期 杨 佑等 不同处理条件下间位芳纶的热氧老化性能研究 陈蕾，胡祖明，刘兆峰 芳纶 纤维制备技术进展高分子通报，（）：陈蕾，刘兆峰 国外间位芳香族聚酰胺低温溶液聚合的研究 东华大学学报（自然科学版），（）：陈蕾，刘尊武，潘婉莲，等 低温溶液缩聚法制备间位芳香族聚酰胺的研究 东华大学学报（自然科学版），（）：帝人株式会社 生产间位型芳香聚酰胺长丝的方法：，（，）：，（），（）（），；，；，；：；（上接第 页），（，；，）：（）（），；（），；（），：；合 成 纤 维 工 业 年第 卷