芳綸1313/芳綸1414纖維性能的測試與分析

高秀麗，朱進忠，谷富彩

(河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院, 河南 鄭州 450007)

芳綸1313/芳綸1414纖維性能的測試與分析

高秀麗，朱進忠，谷富彩

(河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院, 河南 鄭州 450007)

測試和研究了4種芳綸纖維的線密度、拉伸與卷曲性能、紅外光譜、熱分析及吸放濕性能.通過分析得出：纖維品種不同，性能也不同，產(chǎn)地對纖維性能也略有影響；與芳綸1414纖維相比，芳綸1313纖維的線密度及離散程度較高，干態(tài)下斷裂強度略低，濕態(tài)下纖維會有損傷，卷曲性能較好，纖維大分子元素的組成相同但結(jié)構(gòu)不同，耐熱性稍差，吸放濕性能較好.

芳綸纖維；力學(xué)性能；熱分析；吸放濕性能

芳綸1313纖維是一種芳香二胺和芳香二酸縮聚而成的芳香基聚酰胺纖維，即聚間苯二甲酰間苯二胺纖維(PMIA)[1].芳綸1414纖維的化學(xué)名稱是聚對苯二甲酰對苯二胺，具有強度高、模量高、密度小、耐高溫等性能，被廣泛應(yīng)用于軍工和民用品的各個領(lǐng)域[2-3].本課題對芳綸纖維的各項性能指標(biāo)進行了測試與對比分析，研究其性能特點，以期為功能性紡織品的開發(fā)利用提供一定的參考.

1 試驗原料及測試條件

試樣為芳綸1313A纖維、芳綸1313B纖維、芳綸1414A纖維、芳綸1414B纖維，A和B表示纖維的產(chǎn)地不同.試樣規(guī)格如表1所示.

所有試樣在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡48 h以上，在溫度為20 ℃、相對濕度為65%的條件下進行試驗[4].采用XD-1型振動式纖維細度儀測定單根纖維的細度；隨機抽取50根纖維試樣，采用南通宏大YG001N+型電子單纖維強力儀進行拉伸試驗，結(jié)果取平均值[5]；采用YG362A型卷曲彈性儀測試纖維的卷曲彈性；采用美國Thermo Fisher公司的Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀，選擇500～4 000 cm-1的波數(shù)進行紅外光譜試驗；采用德國Netzsch公司的STA449 F3型同步熱分析儀測試纖維的熱性能；用GB/T 6503—2008《化學(xué)纖維 回潮率試驗方法》[6]測試纖維的吸放濕性能.

2 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 纖維的線密度

纖維的線密度是纖維重要的形態(tài)尺寸和質(zhì)量指標(biāo)，對后續(xù)的紡紗和織造工藝有很重要的影響.試驗測得4種纖維的線密度，如表2所示.

表1 芳綸纖維試樣的規(guī)格

表2 芳綸纖維的線密度

由表2可以看出，兩種芳綸1313纖維和芳綸1414A纖維的實際線密度比名義線密度大，芳綸1414B纖維的實際線密度比名義線密度小，兩種芳綸1313纖維的線密度明顯比兩種芳綸1414纖維的線密度大.兩種芳綸1313纖維的線密度CV值明顯比兩種芳綸1414纖維的線密度CV值大很多，CV值越大，說明纖維線密度之間的波動較大.

2.2 纖維的拉伸性能

兩種芳綸1313纖維和兩種芳綸1414纖維在干態(tài)和濕態(tài)下的拉伸性能指標(biāo)分別如表3和表4所示.

表3 芳綸纖維的拉伸性能(干態(tài))測試結(jié)果

表4 芳綸纖維的拉伸性能(濕態(tài))測試結(jié)果

Tab.4 Test results of tensile properties of wet Aramid fibers

纖維試樣種類斷裂強力F/cN伸長L/mm斷裂強度P/(cN·dtex-1)伸長率E/%斷裂功W/mJ初始模量M/(cN·dtex-1)芳綸1313A7．294．144．2120．70275．7048．25芳綸1313B8．605．595．0527．78344．3153．46芳綸1414A19．000．8113．194．0573．01756．23芳綸1414B43．890．9330．474．62191．791621．21

由表3可以看出，干態(tài)下4種芳綸纖維斷裂強度的排序為芳綸1414B纖維>芳綸1414A纖維>芳綸1313B纖維>芳綸1313A纖維，芳綸1414B纖維的斷裂強度遠遠大于芳綸1414A纖維.濕態(tài)下，經(jīng)蒸餾水濕處理，4種纖維的斷裂強度都發(fā)生了變化，4種芳綸纖維的平均斷裂強度均比干態(tài)時稍有減少，但芳綸1313纖維的強度下降率比芳綸1414纖維大，芳綸1313纖維的強度受損程度比芳綸1414纖維高，如表4所示.

由表3可以看出，干態(tài)下兩種芳綸1313纖維的平均斷裂伸長率明顯大于兩種芳綸1414纖維，兩種芳綸1313纖維與兩種芳綸1414纖維的平均斷裂伸長率差別不大.干態(tài)下，4種芳綸纖維的平均斷裂伸長率的大小排序為芳綸1313A纖維>芳綸1313B纖維>芳綸1414B纖維>芳綸1414A纖維.由表4可以看出，經(jīng)蒸餾水浸泡后，兩種芳綸1313纖維和芳綸1414纖維的平均斷裂伸長率均略有減少.

由表3可知，4種芳綸纖維干態(tài)下的平均斷裂功排序為芳綸1313B纖維>芳綸1313A纖維>芳綸1414B纖維>芳綸1414A纖維，兩種芳綸1313纖維的平均斷裂功遠遠大于兩種芳綸1414纖維.由表4可知，4種纖維的平均斷裂功都比干態(tài)時減少.

表3中，干態(tài)下初始模量的排序為芳綸1414B纖維>芳綸1414A纖維>芳綸1313A纖維>芳綸1313B纖維.芳綸1414纖維的初始模量遠遠大于芳綸1313纖維，經(jīng)蒸餾水浸泡后，4種纖維的平均初始模量均比干態(tài)時減少，但芳綸1414纖維的初始模量仍遠遠大于芳綸1313纖維.

綜上所述，干態(tài)下芳綸1313纖維和芳綸1414纖維的拉伸性能各項指標(biāo)的差異都很大，表現(xiàn)為芳綸1313纖維的強度與初始模量都遠小于芳綸1414纖維，但伸長率和斷裂功卻比芳綸1414纖維大很多；4種纖維在干濕狀態(tài)下，各項拉伸性能指標(biāo)的差異不大.

2.3 纖維的卷曲性能

由于芳綸1414纖維沒有卷曲，故試驗只測得芳綸1313A纖維和芳綸1313B纖維卷曲性能的各項指標(biāo)，如表5所示.

表5 纖維的各項卷曲性能指標(biāo)

由表5可知，芳綸1313A纖維和芳綸1313B纖維的卷曲數(shù)較多，可紡性好；芳綸1313A纖維和芳綸1313B纖維的卷曲率分別為16.09%與6.06%，即芳綸1313A纖維的卷曲程度較高，更有利于纖維的卷繞成型；芳綸1313A纖維和芳綸1313B纖維的卷曲回復(fù)率分別為13.53%和4.70%，即芳綸1313A纖維的卷曲回復(fù)能力較強、卷曲牢度更好；芳綸1313A纖維和芳綸1313B纖維的卷曲彈性回復(fù)率分別為86.79%和79.48%，即芳綸1313A纖維卷曲后更容易回復(fù)，卷曲耐久性和穩(wěn)定性都比芳綸1313B纖維好.

綜上所述，芳綸1313A纖維的各項卷曲性能都比芳綸1313B纖維好，即芳綸1313A纖維的卷曲彈性較好，發(fā)生卷曲后更容易回復(fù)，而且卷曲的耐久牢度與穩(wěn)定性較好，這樣可以有效防止芳綸1313A纖維在梳理時因卷繞成型困難而影響成條質(zhì)量，可滿足后續(xù)紡紗織造的要求.

2.4 纖維的紅外光譜圖

芳綸1313A纖維、芳綸1313B纖維、芳綸1414A纖維和芳綸1414B纖維的紅外光譜圖分別見圖1至圖4.

圖1 芳綸1313A纖維的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of Aramid fiber 1313A

圖2 芳綸1313B纖維的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of Aramid fiber 1313B

圖3 芳綸1414A纖維的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of Aramid fiber 1414A

圖4 芳綸1414B纖維的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrum of Aramid fiber 1414B

綜上所述，兩種芳綸1313纖維和兩種芳綸1414纖維大分子結(jié)構(gòu)中均含有酰胺基、苯環(huán)等相同的官能團，但由于這兩類纖維的波譜圖不同，所以它們的大分子結(jié)構(gòu)不同.由纖維的分子式可知，這兩類芳綸纖維結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別是取代基在苯環(huán)上分別以間位和對位取代，這種間位和對位結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了兩類纖維各種性能的差異.

2.5 纖維的熱分析

通過熱重法(TG)和差示掃描量熱法(DSC)對芳綸1313A纖維、芳綸1313B纖維、芳綸1414A纖維和芳綸1414B纖維進行熱分析，如圖5至圖8所示.

圖5 芳綸1313A纖維的TG/DSC曲線Fig.5 TG/DSC curve of Aramid fiber 1313A

圖6 芳綸1313B纖維的TG/DSC曲線Fig.6 TG/DSC curve of Aramid fiber 1313B

圖7 芳綸1414A纖維的TG/DSC曲線Fig.7 TG/DSC curve of Aramid fiber 1414A

圖8 芳綸1414B纖維的TG/DSC曲線Fig.8 TG/DSC curve of Aramid fiber 1414B

由圖5至圖8的TG曲線可以看出，這4種纖維的熱失重曲線基本一致，分解過程大致可分為3個階段：起始階段，溫度在100 ℃以內(nèi)，纖維質(zhì)量增加；第二階段，100～250 ℃，纖維質(zhì)量不變；第三階段，250～600 ℃，纖維減少.起始階段，纖維的質(zhì)量增加了7%左右，主要是因為這一階段纖維在高溫環(huán)境下被氧化，纖維質(zhì)量增加；DSC曲線圖中，第三階段存在較大的質(zhì)量損失，吸熱峰較強，250～500 ℃時吸熱蒸發(fā)了芳綸中的水分與活性小分子，使其質(zhì)量減少；500～600 ℃時吸熱致使纖維碳化，大分子鏈段斷裂和重組，加劇了質(zhì)量損失.

從對TG/DSC曲線的定量分析可以看出，第一階段纖維質(zhì)量增加了7%左右.第三階段，兩種芳綸1313纖維明顯的質(zhì)量損失發(fā)生在250 ℃左右，芳綸1313A纖維從280 ℃開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當(dāng)溫度達到500 ℃時，質(zhì)量損失為21.47%;芳綸1313B纖維從230 ℃開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當(dāng)溫度達到500 ℃時，質(zhì)量損失為23.43%.兩種芳綸1414纖維發(fā)生明顯質(zhì)量損失的溫度比兩種芳綸1313纖維高.芳綸1414A纖維從330 ℃開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當(dāng)溫度達到500 ℃時，質(zhì)量損失為6%左右，當(dāng)溫度達到600 ℃時，質(zhì)量損失為49.53%;芳綸1414B纖維從380 ℃開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當(dāng)溫度達到500 ℃時，質(zhì)量損失為3%左右，當(dāng)溫度達到600 ℃時，質(zhì)量損失為49.00%.

從4種纖維發(fā)生質(zhì)量損失的起始溫度與在相同溫度時的質(zhì)量損失和吸熱峰的面積綜合考慮，兩種芳綸1414纖維的耐熱性比芳綸1313纖維好.

2.6 纖維的吸放濕性能

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制芳綸1313A纖維、芳綸1313B纖維、芳綸1414A纖維與芳綸1414B纖維的吸濕和放濕曲線，如圖9和圖10所示.

圖9 吸濕曲線Fig.9 Moisture absorption curve

圖10 放濕曲線Fig.10 Wetting curve

由圖9可以看出，芳綸1313A纖維的回潮率比芳綸1313B纖維大，芳綸1414A纖維和芳綸1414B纖維的回潮率很接近，兩種芳綸1313纖維的回潮率比兩種芳綸1414纖維大很多.4種纖維的吸濕性曲線趨勢基本一致，吸濕曲線的斜率都是由大變小，即吸濕速率都是由大到小.芳綸1313A纖維在70 min時達到吸濕平衡，平衡回潮率為11.50%；芳綸1313B纖維在65 min時達到吸濕平衡，平衡回潮率為4.30%；芳綸1414A纖維在65 min時達到吸濕平衡，平衡回潮率為1.41%；芳綸1414B纖維在55 min時達到吸濕平衡，平衡回潮率為1.23%.從纖維的吸濕速率、平衡回潮率及達到平衡所需要的時間等指標(biāo)綜合考慮，芳綸1313纖維的吸濕性比芳綸1414纖維好.

由圖10可以看出，兩種芳綸1313纖維的起始回潮率比兩種芳綸1414纖維大很多.在放濕過程中，4種纖維的放濕性曲線的趨勢基本一致，呈現(xiàn)先快后慢的特點，即放濕速率由大到小.兩種芳綸1414纖維達到放濕平衡的時間為50～100 min，兩種芳綸1313纖維達到放濕平衡的時間為150～200 min.4種纖維相比，兩種芳綸1313纖維達到平衡的時間明顯比兩種芳綸1414纖維長.4種纖維達到平衡時的回潮率如下：芳綸1313A纖維為11.92%，芳綸1313B纖維為4.69%，芳綸1414A纖維為3.75%，芳綸1414B纖維為7.76%，4種纖維的放濕平衡回潮率均比吸濕平衡回潮率大.

總之，4種纖維的吸濕性稍差，芳綸1313纖維的吸濕性比芳綸1414纖維好，芳綸1313A纖維的吸濕性比芳綸1313B纖維好且放濕平衡回潮率比吸濕平衡回潮率大.

3 結(jié)論

(1)芳綸1313纖維的線密度整體偏大且粗細變化程度也較高，干態(tài)下拉伸性能與芳綸1414纖維差異很大，濕態(tài)下各拉伸性能指標(biāo)都較干態(tài)下降低，但變化不大.

(2)芳綸1313纖維的卷曲性能較好，芳綸1414纖維沒有卷曲.

(3)芳綸1313纖維和芳綸1414纖維的大分子組成元素相同，但結(jié)構(gòu)不同.

(4)芳綸1313纖維的耐熱性和吸放濕性比芳綸1414纖維差，同種類不同產(chǎn)地的芳綸纖維性能也存在差異.

[1] 張增強，葉毓輝．芳綸1313阻燃織物的加工技術(shù)及其展望[J]．現(xiàn)代紡織技術(shù)，2008(2):57-60.

[2] 李建利，張新元，張元，等．大型天線罩用對位芳綸織物的研制[J]．合成纖維，2014，43(9)：24-27.

[3] 王靜，孫潤軍．芳綸1414纖維含量對針刺氈性能的影響[J]．合成纖維，2015，44(2)： 24-27.

[4] 姚穆，周錦芳，黃淑珍．紡織材料學(xué)[M]．北京:中國紡織出版社,1990：355-376．

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法：GB/T 14337—2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.化學(xué)纖維 回潮率試驗方法：GB/T 6503—2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[7] 朱正鋒，齊大鵬，任永芳．對位芳綸織物性能分析[J]．中原工學(xué)院學(xué)報，2011，2(22)：22-24．

[8] 沃西源，涂彬，夏英偉．芳綸纖維及其復(fù)合材料性能與應(yīng)用研究[J]．航天返回與遙感，2005，2(26)：50-55．

Test and analysis on performance of Aramid 1313 fiber and Aramid 1414 fiber

GAO Xiuli，ZHU Jinzhong，GU Fucai

(CollegeofTextiles,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007,China)

Linear density，tensile strength，curling，infrared spectrum，thermal analysis and moisture absorption and desorption properties of the four kinds of Aramid fibers were tested and studied. Through analysis，it is concluded that fibers of different variety and origin have different properties, compared to Aramid 1414 fiber, linear density and discrete degree of Aramid 1313 fiber is larger, the dry strength is slightly lower, wet fiber will be easily damaged, with good crimp properties, they have the same macromolecules elements, but different structures; the heat resistance is poor, the moisture absorption is good.

Aramid fiber; mechanical property; thermal analysis; moisture absorption and desorption

2016-08-25

河南工程學(xué)院紡織科技與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用研究所資助項目(YJJJ2014006)

高秀麗(1974- )，女，河南鄭州人，講師，主要從事新型紡織品設(shè)計與性能檢測分析方面的研究.

TS102.5

A

1674-330X(2017)01-0001-05