特殊條件下芳綸的拉伸性能探討

盛冠忠 張奇鵬 樓永平 金燕飛

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，紹興，312000;2.諸暨市璜山金新織造廠，諸暨，311800)

芳綸是一種高性能纖維，它具有高的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度、耐摩擦、高的耐破壞力等優(yōu)良的物理性能［1］。芳綸除了廣泛應(yīng)用于紡織產(chǎn)品外，還可作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料［2］。芳綸制品(如大型容器、流體輸送管道等［3］)在使用過程中會(huì)遇到不同的環(huán)境條件，尤其是在一些特殊的條件(如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和高溫等)下，芳綸的拉伸性能是否會(huì)發(fā)生變化應(yīng)引起注意［4-5］。另外，船舶、沿海設(shè)施以及海洋鉆井平臺(tái)使用的設(shè)備，會(huì)受到海水長(zhǎng)時(shí)間的侵襲［6］。芳綸對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗能力強(qiáng)，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其對(duì)強(qiáng)酸的抵抗能力較弱［7］。本文將模擬芳綸制品在特殊環(huán)境如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和鹽水浸泡下，探討芳綸拉伸性能及表面形態(tài)的變化情況。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器與材料

芳綸(黃色，柯橋錢清原料市場(chǎng)購(gòu)買);氫氧化鈉(含量不低于95%，化學(xué)純);硫酸(含量95% ～98%，化學(xué)純);普通食鹽。電熱爐，燒杯(50、100 mL)，量筒(25、100 mL)，酒精燈，鐵架臺(tái)，電子天平。HH-6型電熱水浴鍋(上海特成機(jī)械設(shè)備有限公司)，YG747型通風(fēng)式快速八籃恒溫烘箱(常州第一紡織設(shè)備有限公司)，等速伸長(zhǎng)(CRE)拉伸試驗(yàn)儀(江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 失重率測(cè)試

將試驗(yàn)處理前后的纖維試樣分別稱量、記錄，計(jì)算其失重率。計(jì)算方法如下:

式中:Y——纖維試樣失重率，%;m0——試驗(yàn)處理前纖維試樣的質(zhì)量，g;m1——試驗(yàn)處理后纖維試樣的質(zhì)量，g。

1.2.2 纖維拉伸性能測(cè)試

參照GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試芳綸的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率［8］。測(cè)得試驗(yàn)用芳綸的拉伸斷裂強(qiáng)度為29.14 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為 5.73%。

1.2.3 掃描電鏡測(cè)試

采用日本JSM－5800型掃描電鏡觀察芳綸表面形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件下芳綸的失重率變化

在溫度100℃，浴比1∶30，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸、堿和鹽處理后，芳綸的失重率變化情況如圖1所示。

圖1 不同條件下芳綸的失重率變化

由圖1可知，在高溫100℃下，隨著處理時(shí)間的增加，芳綸的失重率增大;芳綸失重率的大小為酸＞堿＞鹽;而且在H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%、處理時(shí)間90 min時(shí)，芳綸被酸溶化。

有一種溫暖，像綿綿不絕的溪流，始終在天地人間流淌，那就是天使的情，天使的愛。無論是白天，陽光艷麗，還是夜晚，星星閃爍，白衣天使的職責(zé)與使命，就是讓人類的生命之火永不熄滅，讓生命的光芒永遠(yuǎn)璀璨。雖然在守護(hù)生命尊嚴(yán)、關(guān)愛生命色彩的時(shí)空里，天使要經(jīng)歷風(fēng)雨，但白衣天使的微笑與溫暖始終如一，依然亙古永恒!

2.2 不同條件下芳綸的拉伸性能分析

2.2.1 酸性條件下芳綸的拉伸性能分析

根據(jù)芳綸經(jīng)過H2SO4處理后纖維失重率變化規(guī)律，選取H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間三個(gè)因素，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)。因子水平見表1，正交試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2各因素極差的大小得出，對(duì)芳綸斷裂強(qiáng)度的影響大小依次為B＞C＞A，即溫度＞時(shí)間＞H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù);對(duì)芳綸斷裂伸長(zhǎng)率的影響大小依次為B＞A＞C，即溫度＞H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞時(shí)間。由此可知，在酸性條件下，溫度對(duì)芳綸拉伸性能的影響最大。

表1 酸性條件下因子水平表

表2 酸性條件下正交試驗(yàn)表及結(jié)果分析

纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率越大越好。由表2可知，以斷裂強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，芳綸的優(yōu)化條件為 8%H2SO4、28 ℃(室溫)、30 min;以斷裂伸長(zhǎng)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，優(yōu)化條件為12%H2SO4、28℃(室溫)、30 min。根據(jù)圖1中，纖維失重率隨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大的規(guī)律，得出芳綸的優(yōu)化條件為8%H2SO4、28℃(室溫)、30 min。

2.2.2 堿性條件下芳綸的拉伸性能分析

根據(jù)芳綸經(jīng)過NaOH處理后纖維失重率變化規(guī)律，選取NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間三個(gè)因素，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)。因子水平見表3，正交試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 堿性條件下因子水平表

表4 堿性條件下正交試驗(yàn)表及結(jié)果分析

由表4各因素極差的大小得出，對(duì)芳綸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響大小依次為E＞F＞D，即溫度＞時(shí)間＞NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由此可知，在堿性條件下，溫度對(duì)芳綸拉伸性能的影響最大。

纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率越大越好。由表4可知，以斷裂強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，芳綸的優(yōu)化條件為8%NaOH、28℃(室溫)、20 min;以斷裂伸長(zhǎng)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，優(yōu)化條件為8%NaOH、28℃(室溫)、45 min。根據(jù)圖1中，纖維失重率隨時(shí)間增大而增大的規(guī)律，得出芳綸的優(yōu)化條件為8%NaOH、28 ℃(室溫)、20 min。

根據(jù)芳綸經(jīng)過鹽水處理后纖維失重率變化規(guī)律，選取NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間三個(gè)因素，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)。因子水平見表5，正交試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果見表6。

表5 鹽水條件下因子水平表

表6 鹽水條件下正交試驗(yàn)表及結(jié)果分析

由表6各因素極差的大小得出，對(duì)芳綸斷裂強(qiáng)度的影響大小依次為H＞I＞G，即溫度＞時(shí)間＞NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù);對(duì)芳綸斷裂伸長(zhǎng)率的影響大小依次為I＞G＞H，即時(shí)間 ＞NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù) ＞溫度。由此可知，在鹽水條件下，溫度和時(shí)間對(duì)芳綸拉伸性能的影響最大。

纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率越大越好。由表6可知，以斷裂強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，芳綸的優(yōu)化條件為24%NaCl、50℃、30 min;以斷裂伸長(zhǎng)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，優(yōu)化條件為24%NaCl、50℃、90 min。根據(jù)圖1中，纖維失重率隨時(shí)間增大而增大的規(guī)律，得出芳綸的優(yōu)化條件為24%NaCl、50℃、30 min。

2.3 不同條件下芳綸的表面形態(tài)

選擇芳綸的原樣和正交試驗(yàn)中斷裂強(qiáng)度值最小的一組試樣，觀察在不同條件下芳綸的表面形態(tài)，見圖2。

圖2 不同條件下芳綸的表面形態(tài)

由圖2(a)可知，芳綸表面光滑、均勻。在不同條件下，纖維表面發(fā)生了彎折現(xiàn)象，表面顯得不均勻，有一些不規(guī)則的蝕痕，隨機(jī)分布，深度不一;纖維的表面呈一種不規(guī)則的脫落，有許多明顯的不均勻剝離蝕痕;同時(shí)，纖維表面有條紋、溝槽形成，光滑度降低［見圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)］。

3 結(jié)語

(1)在高溫100℃下，隨著時(shí)間的增加，芳綸的失重率增大;對(duì)纖維失重率影響程度的大小為酸＞堿＞鹽。

(2)通過正交試驗(yàn)，得出了芳綸在酸性、堿性及鹽水條件下以拉伸性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的優(yōu)化條件。

(3)通過掃描電鏡觀察經(jīng)過不同條件處理后芳綸的表面形態(tài)，纖維表面發(fā)生了彎折現(xiàn)象，表面呈一種不規(guī)則的脫落，纖維表面光滑度降低。

［1］章偉，李虹.高性能纖維性能分析［J］.北京紡織，2005，26(1):54-55.

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［8］紡織工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心.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，2011.