熱定型溫度對(duì)芳綸Ⅲ結(jié)構(gòu)與性能的影響

劉克杰，彭 濤，楊文良，楊 雷，王鳳德

(中藍(lán)晨光化工研究院研發(fā)中心特種纖維研究室，四川成都610041)

熱定型溫度對(duì)芳綸Ⅲ結(jié)構(gòu)與性能的影響

劉克杰，彭 濤，楊文良，楊 雷，王鳳德

(中藍(lán)晨光化工研究院研發(fā)中心特種纖維研究室，四川成都610041)

研究了不同熱定型溫度對(duì)芳綸Ⅲ的力學(xué)性能、結(jié)晶度、取向度及熱性能的影響。結(jié)果表明:隨著熱處理溫度的提高，芳綸Ⅲ彈性模量增大，而拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率則增大到峰值后開始逐步下降;纖維結(jié)晶度隨溫度升高而增大;纖維取向度在經(jīng)過(guò)熱定型后有小幅度提高;不同熱定型處理溫度下，纖維的熱分解溫度均為533℃，分解速率差別較小。

芳香族聚酰胺纖維 熱定型溫度 性能 結(jié)構(gòu)

對(duì)位芳綸是典型的高強(qiáng)高模耐高溫特種纖維。目前產(chǎn)業(yè)化的對(duì)位芳綸主要有芳綸1414、Technora及雜環(huán)類芳綸(芳綸Ⅲ)，其中芳綸Ⅲ的強(qiáng)度最高，表面性能最優(yōu)，綜合性能最好。芳綸Ⅲ增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度最高，最適合應(yīng)用于制作高性能復(fù)合材料。因此，芳綸Ⅲ廣泛用于航空航天、國(guó)防軍工及其他特種材料領(lǐng)域。

在芳綸Ⅲ制備過(guò)程中，熱定型溫度對(duì)纖維性能有著重要影響。芳綸Ⅲ類似于俄羅斯的Armos纖維，Armos纖維在生產(chǎn)時(shí)采用間歇熱定型工藝，這種工藝存在生產(chǎn)效率不高，勞動(dòng)量大的缺點(diǎn)。中藍(lán)晨光化工研究院有限公司開發(fā)了獨(dú)具特色的連續(xù)熱定型工藝，生產(chǎn)工序簡(jiǎn)化，更適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且纖維強(qiáng)度與模量比俄羅斯Armos纖維更優(yōu)。作者通過(guò)對(duì)芳綸Ⅲ熱定型的研究，探索了熱處理溫度對(duì)芳綸Ⅲ力學(xué)性能、結(jié)晶度、取向度、熱分解性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

芳綸Ⅲ原絲:中藍(lán)晨光化工研究院有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用相同的芳綸Ⅲ原絲，用放絲機(jī)穩(wěn)定放絲，經(jīng)過(guò)熱定型甬道，通過(guò)伺服五輥，然后用收絲機(jī)卷繞收絲。固定其他工藝參數(shù)不變，改變甬道溫度340～420℃，制備相應(yīng)溫度條件下的芳綸Ⅲ。

1.3 分析測(cè)試

力學(xué)性能:采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司的CMT6503型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，拉伸速度 25.4 mm/min，預(yù)加張力 0.02 cN/tex［1］，夾持距離170 mm。

結(jié)晶度(Xc):Philips公司X'pert pro MPD衍射儀測(cè)試。管電壓40 kV，管電流40 mA，Cu靶，波長(zhǎng)0.154 06 nm，掃描速度為 2(°)/min，2θ掃描5°～50°。廣角 X射線衍射(WAXD)掃描，采用計(jì)算機(jī)分峰法計(jì)算纖維Xc，分峰擬合函數(shù)為Gauss函數(shù)［2－3］。

取向度:采用東華大學(xué)SCY-Ⅲ聲速取向儀，多點(diǎn)測(cè)試法測(cè)定纖維試樣聲速值，其中芳綸Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)自由擠出絲條的聲速值為 1.256 km/s［4］，由莫斯萊公式［2－4］計(jì)算纖維試樣的聲速取向因子(f)［5－8］。

熱失重(TG)與微商熱重(DTG)分析:采用美國(guó)TA公司Q500熱重分析儀測(cè)試。測(cè)試溫度50～900℃，升溫速率10℃/min，N2氣氛，速率100 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維力學(xué)性能

由表1可見，芳綸Ⅲ屬于高強(qiáng)高模低伸長(zhǎng)率的脆性材料。隨著熱處理溫度增加，纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，在一定溫度下，達(dá)到最大值，隨后則隨溫度升高而下降;在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，纖維彈性模量則隨溫度增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵?00℃以下時(shí)，斷裂強(qiáng)度增加速率大于斷裂伸長(zhǎng)率增加速率，而溫度高于400℃以后，斷裂強(qiáng)度減小速率小于斷裂伸長(zhǎng)率減少速率的緣故，另外在聚集態(tài)結(jié)構(gòu)上溫度升高有利于纖維結(jié)晶度增大，從而纖維模量呈增大趨勢(shì)。因此，可根據(jù)纖維的不同應(yīng)用領(lǐng)域，改變相應(yīng)的工藝參數(shù)，得到應(yīng)用于不同用途的芳綸Ⅲ。

表1 熱定型溫度對(duì)纖維力學(xué)性能的影響Tab.1 Influence of heat-setting temperature on mechanical properties of fiber

2.2WAXD 分析

由圖1可見，隨著熱定型溫度的提高，纖維的衍射峰強(qiáng)度越大，峰形越尖銳，峰寬越窄，這定性說(shuō)明了纖維的Xc隨著溫度的升高而增大。

表2中經(jīng)計(jì)算機(jī)分峰擬合后定量計(jì)算出的Xc與圖1衍射峰譜圖反映的結(jié)果完全一致。

表2 不同熱定型溫度芳綸Ⅲ的XcTab.2 Xcof aramid fiberⅢ at different heat-setting temperature

圖1 不同熱定型溫度下芳綸Ⅲ的WAXD曲線Fig.1 WAXD patterns of aramid fiber Ⅲat different heat-setting temperature

芳綸Ⅲ屬剛性分子鏈的嵌段共聚物。WAXD測(cè)試結(jié)果表明，隨著溫度的升高，纖維剛性分子鏈的柔順性增加，在相同的熱定型時(shí)間里，鏈段向結(jié)晶表面擴(kuò)散并定向排列的速度更快，高聚物的結(jié)晶能力增強(qiáng)，因此纖維Xc更高。

2.3 纖維的聲速取向分析

由表3可以看出，芳綸Ⅲ原絲已經(jīng)有較高的取向度，達(dá)到87.9%。這是因?yàn)榉季]Ⅲ在經(jīng)過(guò)噴絲板、拉伸輥的拉伸形成原絲的過(guò)程中，整個(gè)剛性分子鏈在外力作用下易成伸展?fàn)顟B(tài)且會(huì)沿力的方向排列，形成較高的整體取向。芳綸Ⅲ原絲在通過(guò)熱定型甬道后，纖維取向度進(jìn)一步提高，但提高幅度較小。這是因?yàn)槔w維原絲在熱定型甬道中形成成品絲過(guò)程中，由于熱定型溫度在芳綸Ⅲ的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(275℃)以上［9］，纖維分子鏈的鏈段在外力作用下會(huì)進(jìn)一步調(diào)整構(gòu)象，沿纖維軸向排列，并同時(shí)消除纖維內(nèi)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)缺陷，從而形成較均一致密的結(jié)構(gòu)，所以取向度有小輻度提高。

表3 原絲及不同熱定型溫度下的芳綸Ⅲ的取向度Tab.3 Orientation degree of as-spun fiber and aramid fiberⅢat different heat-setting temperature

圖2 不同熱定型溫度下的芳綸Ⅲ的TG與DTG曲線Fig.2 TG and DTG patterns of aramid fiber Ⅲat different heat-setting temperature

2.4 TG 分析

由圖2與表4可看出，5種熱處理溫度條件下所得的芳綸Ⅲ分解溫度相同均為533℃;分解速率略有差別，800℃的質(zhì)量保持率數(shù)據(jù)顯示，隨著熱定型溫度的升高，芳綸Ⅲ分解速率略微減小，纖維的熱穩(wěn)定性更高。

由DTG曲線可見，5種溫度下纖維的起始反應(yīng)溫度、最大反應(yīng)速率溫度以及反應(yīng)終止溫度基本相同，且曲線幾乎重合。

表4 芳綸Ⅲ的TG分析結(jié)果Tab.4 TG analysis results of aramid fiber Ⅲ

在不同熱定型溫度下制備的芳綸Ⅲ的力學(xué)性能、Xc、取向度都是不同的，由TG及DTG分析可見，其熱分解溫度相同且分解速率差別也不大。這說(shuō)明芳綸Ⅲ的耐熱性能取決于高聚物的大分子鏈結(jié)構(gòu)，而纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)其影響很小。

3 結(jié)論

a.在熱定型溫度340～420℃，隨著溫度的增加，纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均升高，達(dá)到最大值后則開始逐步下降;而纖維的彈性模量則隨溫度的升高而增大。

b.在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，纖維的Xc隨著熱定型溫度的升高而增加。

c.芳綸Ⅲ原絲在經(jīng)過(guò)熱定型甬道后，纖維取向度有小幅度提高。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，不同溫度對(duì)纖維的取向度影響較小。

d.在不同實(shí)驗(yàn)熱定型溫度下，芳綸Ⅲ的熱分解溫度均為533℃，分解速率差別較小。

［1］紡織工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB/T 19975—2005高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

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Effect of heat-setting temperature on structure and properties of aramid fiberⅢ

Liu Kejie，Peng Tao，Yang Wenliang，Yang Lei，Wang Fengde
(High Performance Fiber Section，Research＆Development Center，China Bluestar Chengrand Chemical Industry Institute，Chengdu610041)

The effect of heat-setting temperature on the mechanical properties，crystallinity，orientation degree and thermal property of aramid fiberⅢ was studied.The results showed that the elastic modulus of aramid fiberⅢ increased and the tensile strength and elongation at break increased to a peak value and then gradually decreased when the heat-setting temperature was increased;the fiber crystallinity rose with the temperature;the orientation degree slightly increased after heat setting;the thermal decomposition temperature of the fiber was 533 ℃ and the decomposition rate varied a little with heat-setting temperature.

aramatic polyamide fiber;heat-setting temperature;properties;structure

TQ342+.729

A

1001-0041(2012)05-0006-03

2012-02-28;修改稿收到日期:2012-07-17。

劉克杰(1973—)，男，碩士，從事芳綸等特種纖維的研發(fā)工作。E-mail:lkj29@126.com。