芳綸纖維吸濕性能測試與評價

張亞如，徐廣標

(東華大學紡織學院，上海201620)

芳綸纖維(Aramid Fiber)，即芳香族聚酰胺纖維，纖維大分子是由兩個酰胺基團之間通過間位苯基連接，呈柔性結構[1]，具有強度高、模量高、耐高溫等優(yōu)點。芳綸纖維獨特的物理和化學性能，使得其廣泛應用于各個行業(yè)，如:航天航空、汽車制造業(yè)、高溫過濾等[2－5]，目前對于芳綸纖維材料的相關研究大多集中在芳綸纖維的制備、改性及應用等方面[6－9]。因芳綸纖維含有大量的酰胺鍵，吸濕后其內部分子鏈遭到破壞，酰胺鍵易發(fā)生水解，導致其性能發(fā)生變化。在企業(yè)實際存儲及海洋運輸時，由于環(huán)境濕度的改變，芳綸纖維回潮率會隨之改變，從而使得纖維的性能發(fā)生變化。由于目前對芳綸纖維吸濕性能的相關研究較少，本論文將探究芳綸纖維在標準條件下(20±2℃、65±5%RH)的回潮率及回潮率為10%、20%、30%時的吸濕及拉伸性能，并對此進行測試評價，為實際的纖維儲存及運輸提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣

采用三種不同廠家的芳綸1313纖維，具體參數(shù)指標如表1所示，纖維的表面形態(tài)如圖1所示。由圖1可知，芳綸纖維縱向截面有明顯的凹槽，不同廠家生產(chǎn)的芳綸纖維縱向稍有差別，1＃表面較光滑，2＃表面有明顯的豎紋，3＃表面有不規(guī)則紋路。

圖1 芳綸纖維的表面形態(tài)

表1 試樣基本參數(shù)

1.2 試驗方法

1.2.1 纖維吸濕性能

(1)回潮率

采用許敏[10]已驗證的芳綸纖維回潮率測試的改進方法。使用八籃烘箱對纖維進行預烘干處理，即在105±5℃條件下烘至恒重，在標準大氣條件下(20±2℃、65±5%RH)將烘至恒重的纖維進行調濕至濕平衡，稱重記為G，再在105±5℃條件下烘至恒重記為干重G0，由式(1)得纖維回潮率。

(2)吸濕滯后性

試驗測試芳綸1313纖維試樣的吸濕滯后性，其吸濕、放濕過程同時在同一環(huán)境中測試完成，從早上8點開始，每隔兩個小時記錄一次測試環(huán)境的溫濕度直到測試結束，得測試環(huán)境的溫濕度變化范圍(溫度:16.5℃～18.5℃、相對濕度:43.8%～53.3%)。

吸濕:從三個不同廠家的芳綸纖維包中各拿出40g纖維作為試驗樣品，稱取6g作為試樣，將纖維試樣放置在烘箱中烘至絕對干燥，稱重后迅速將纖維轉移至同一實驗室環(huán)境中(溫度變化為16.7℃～18.5℃、濕度變化為43.8%RH～53.3%RH)進入吸濕過程。在此過程中盡量使纖維保持蓬松狀態(tài)，每隔10min稱重一次，直至前后兩次稱重小于0.0001g時，即認為纖維吸濕達到平衡狀態(tài)。

放濕:從上述芳綸纖維樣品中分別取出6g的試樣3份，將其烘至恒重，計算纖維回潮率為10%、20%、30%的濕重，通過均勻地將水噴灑在水平放置的纖維表面來達到計算得到的濕重，噴濕后的纖維放入分裝袋，盡量擠出分裝袋內的空氣密封24h后拿出測試，測試環(huán)境同上，每隔10min稱重一次，直至前后兩次稱重小于0.0001g時，即認為達到放濕平衡。

1.2.2 拉伸性能

根據(jù)GB9997－88化學纖維單纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定，纖維在標準大氣(20±2℃、65±5%RH)狀態(tài)下放置24h，采用XQ－2型纖維強力儀對三種纖維的斷裂強力、斷裂伸長率等指標進行測試。等速拉伸、夾持隔距20mm、拉伸速度20mm/min，每種纖維測試50根，結果取平均值。

纖維在標準大氣(20±2℃、65±5%RH)狀態(tài)下放置24 h，然后放入烘箱內干燥，將其烘至恒重，按照上述纖維放濕加濕方法得到不同纖維回潮率，密封24h后拿出測試，為了避免芳綸纖維在恒溫恒濕(20±2℃、65±5%RH)環(huán)境中放濕過多，纖維強力測試應在樣品拿出密封袋后的10 min內換批次進行測試，每個回潮率梯度實驗按照上述方法重復3遍。

2 結果與討論

2.1 吸濕性能

2.1.1 回潮率

芳綸纖維在標準大氣條件(20±2℃、65±5%RH)下的回潮率如下頁表2所示。

表2 芳綸纖維的回潮率

從表2中可以看出芳綸纖維在標準大氣條件下的回潮率約在7%左右，不同廠家的芳綸纖維相比其回潮率幾乎沒有差異，在0.2%范圍內波動。

2.1.2 吸濕滯后性

根據(jù)在溫度變化范圍為16.7℃～18.5℃、相對濕度變化范圍為43.8%～53.3%的環(huán)境中測得的芳綸纖維吸濕、不同回潮率(10%、20%、30%)放濕達到平衡時的數(shù)據(jù)，繪制芳綸纖維吸濕滯后性曲線如圖2所示，芳綸纖維吸濕、放濕達到平衡的時間及回潮率如表3所示。

圖2 芳綸纖維吸濕、放濕曲線

表3 芳綸纖維吸濕、放濕平衡時間

圖2所示是在外界環(huán)境溫度變化范圍為16.7℃～18.5℃、相對濕度變化范圍為43.8%～53.3%的環(huán)境中測得的芳綸纖維的吸濕、放濕曲線。從圖2中可以看出，三個試樣均符合纖維吸濕滯后性的規(guī)律。芳綸纖維均是在回潮率較大時，開始的放濕速率較大，慢慢的趨于平緩；不同回潮率的同一個廠家的芳綸纖維相比，回潮率高的芳綸纖維的放濕速率大于回潮率低的芳綸纖維，三個廠家的芳綸纖維體現(xiàn)了一致的性能。

由表3數(shù)據(jù)可知，不同廠家的芳綸纖維的吸濕、放濕的時間具有一致性，相差不大，在溫度變化為16.7℃～18.5℃、濕度變化為43.8%RH～53.3%RH的條件下，芳綸纖維由放濕達到平衡使用的時間隨著回潮率的增大而增多，30%回潮率的芳綸纖維達到放濕平衡時需要900min～1000min左右，20%回潮率的芳綸纖維達到放濕平衡時需要700min～900min左右，10%回潮率的芳綸纖維達到放濕平衡時需要400min～750min左右，芳綸纖維放濕達到平衡需要500min～600min。與標準大氣條件下測得的芳綸纖維的回潮率相比，在溫度變化為16.7℃～18.5℃、濕度變化為43.8%RH～53.3%RH的條件下存放的芳綸纖維達到的吸濕平衡回潮率略小一些，對于10%回潮率的放濕平衡，1＃和2＃與標準大氣條件下測得的回潮率相差不大，其余差別較大。

2.2 拉伸性能

芳綸纖維在標準大氣條件下(20±2℃、65±5%RH)及在外界條件變化范圍為溫度16.7℃～18.5℃、相對濕度43.8%～53.3%下不同回潮率(10%、20%、30%)時的斷裂強力指標如圖3所示。

圖3 芳綸纖維斷裂強力變化柱狀圖

圖3 (a)至圖3(d)所示是芳綸纖維斷裂強力指標變化圖。從圖3(a)拉伸曲線中可以看出，以試樣2＃為例，芳綸纖維的斷裂強力隨著回潮率的增大而降低，其斷裂伸長率和初始模量變化不大，具體的斷裂強力數(shù)據(jù)變化如圖3(b)所示。從圖3(b)可知，芳綸纖維在標準大氣條件下調濕24h后測得的纖維強力在為8.35cN～9.23cN之間，三個廠家的芳綸纖維斷裂強力相差不大。

由圖3(b)可知，1＃回潮率為10%時，1＃、2＃、3＃的斷裂強力相對于標準大氣條件下測得的斷裂強力下降分別為12.69%、7.19%、5.20%；回潮率為20%時，其斷裂強力相對于標準大氣條件下測得的斷裂強力分別下降21.80%、19.64%、18.53%；回潮率為30%時，其斷裂強力相對于標準大氣條件下測得的斷裂強力分別下降27.45%、21.20%、25.35%。由此可知，芳綸纖維斷裂強力隨著回潮率的增加其下降程度也隨之增加，三個試樣相比，1＃整體下降的程度較大，2＃、3＃相差不大。

圖3(c)、圖3(d)中可以看出芳綸纖維的斷裂伸長率及初始模量的變化程度不大，但整體來看，斷裂伸長率隨著回潮率的增大呈增大趨勢，其初始模量隨回潮率的增大呈下降趨勢。以上斷裂強力指標的改變主要是由于水分子進入芳綸纖維后，改變了分子間的結合狀態(tài)所致。

3 結論

(1)芳綸纖維在標準大氣條件下的回潮率在7%左右；30%回潮率的芳綸纖維達到放濕平衡時需要900min～1000min左右，20%回潮率的芳綸纖維達到放濕平衡時需要700min～900min左右，10%回潮率的芳綸纖維達到放濕平衡時需要400min～750min左右，芳綸纖維放濕達到平衡需要500min～600min，不同的纖維試樣間存在一定差異；且回潮率高的芳綸纖維的放濕速率大于回潮率低的芳綸纖維。

(2)芳綸纖維在標準條件下的斷裂強力約為8.5cN，斷裂伸長率約為37%，初始模量約為0.6cN/dtex；隨著回潮率的增大，芳綸纖維的斷裂強力下降的程度也隨之增大，不同回潮率斷裂強力的下降程度范圍在5%～27%之間。