產(chǎn)業(yè)用高性能纖維的理化性能分析

魏孟媛 隋陽(yáng)華 薛文良

(1.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海，200135;2.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

高性能纖維(high performance fibers)是近年來(lái)纖維高分子材料領(lǐng)域迅速發(fā)展的一類特種纖維，通常是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐環(huán)境、耐摩擦、耐化學(xué)藥品等特性的纖維。這類纖維主要應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用紡織品中，特別是國(guó)防尖端工業(yè)領(lǐng)域用紡織品和復(fù)合材料。

高性能纖維的品種很多，主要分為高強(qiáng)高模纖維和功能型纖維兩大類。目前工業(yè)用紡織品的高強(qiáng)高模纖維主要有碳纖維和芳綸，工業(yè)用紡織品中用量最大的功能型纖維是耐高溫和阻燃纖維。本文主要分析了碳纖維、芳砜綸 (PSA)、芳綸1414(PPTA)、芳綸1313(PMIA)的理化性能。

1 纖維的表面形態(tài)分析

如圖1所示。

圖1 纖維的形態(tài)特征

采用光學(xué)投影顯微鏡法觀察、鑒別紡織纖維是一種最直觀的方法。將適量的纖維置于載玻片上，加上一滴去離子水為介質(zhì)，蓋上蓋玻片，放在光學(xué)顯微鏡(OLYMPS BX51型)的載物臺(tái)上，在放大倍數(shù)為100倍的條件下觀察纖維的縱面形態(tài)結(jié)構(gòu)，

由圖1可知，碳纖維較粗，在顯微鏡下完全不透光，呈黑色長(zhǎng)桿狀，與其他常用纖維有較大差異，因此顯微鏡法可作為定性區(qū)分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。PSA和PMIA纖維在縱向表面上有一條清晰的條紋，而PPTA纖維表面形態(tài)則與大部分合成纖維相似，均為光滑圓形截面。因此，單純通過(guò)顯微鏡法無(wú)法區(qū)分 PSA、PPTA和PMIA纖維。

2 纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分析

紅外吸收光譜法是定性鑒定化合物及其結(jié)構(gòu)的重要方法之一。取適量纖維，使用紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet Is 10型)，采用衰減全反射法(ATR)，掃描波數(shù)范圍:為4 000 ～400 cm－1，得到各種纖維的紅外特征譜圖，如圖2所示。

圖2 纖維的紅外光譜圖

從圖2(a)中可以看出，碳纖維為無(wú)機(jī)纖維，沒(méi)有官能團(tuán)，所以其紅外光譜沒(méi)有特征吸收峰，這與其他常用纖維的紅外吸收有較大不同。因此，紅外光譜法可作為定性區(qū)分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。

圖2(b)所示為PSA纖維的紅外光譜圖，其特征譜帶非常明顯:酰胺中N—H鍵伸縮振動(dòng)吸收峰為3 300～3 430 cm－1范圍內(nèi)的單峰，具有仲酰胺吸收譜帶的典型特征;羰基的伸縮振動(dòng)峰在1 666 cm－1附近;苯環(huán)骨架的伸縮振動(dòng)峰在1 590和1 530 cm－1附近;颯基的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰在1 300 cm－1附近;颯基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰在1 150 cm－1附近。通過(guò)上述特征譜帶分析就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PSA纖維的快速定性鑒別［1-3］。

從圖2(c)和圖2(d)可以看出，因 PPTA和PMIA纖維具有相同的化學(xué)基團(tuán)，它們的紅外吸收光譜非常相似;但由于前者是對(duì)位結(jié)構(gòu)而后者是間位結(jié)構(gòu)。因此，PMIA纖維在1 485和1 605 cm－1處苯環(huán)的特征吸收峰有異于PPTA纖維。由此可見(jiàn)，紅外光譜法也是有效鑒別PPTA和PMIA纖維的有效手段［4-8］。

3 纖維的熱性能

3.1 燃燒法

燃燒法是鑒別紡織纖維常用的方法，它簡(jiǎn)單易行，不需要任何儀器設(shè)備，但需要有一定的經(jīng)驗(yàn)。纖維的組成成分不同，它們對(duì)燃燒所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)及燃燒特征是不同的，據(jù)此可對(duì)纖維進(jìn)行鑒別。用鑷子夾住少量纖維，緩慢靠近酒精燈火焰，觀察纖維靠近火焰、接觸火焰和離開(kāi)火焰時(shí)的狀態(tài)情況;當(dāng)纖維火焰熄滅時(shí)，嗅其氣味;當(dāng)纖維冷卻后，觀察殘留物的狀態(tài)。高性能纖維燃燒狀態(tài)的描述如表1所示。

表1 纖維的燃燒特征

碳纖維遇熱不熔不縮，在火焰中像燒鐵絲一樣發(fā)紅，離開(kāi)火焰后不燃燒，燃燒時(shí)會(huì)釋放出辛辣味，燃燒后的殘留物與原碳纖維狀態(tài)相似。可見(jiàn)，碳纖維的燃燒狀態(tài)與其他常用纖維有較大不同，因此，燃燒法可作為定性區(qū)分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。

3.2 熱失重法

利用德國(guó)Netzsch公司生產(chǎn)的STA449C型熱分析儀對(duì)纖維進(jìn)行TGA測(cè)試。試驗(yàn)條件一為:氮?dú)鈿夥?，氣流速度?0 mL/min;保護(hù)氣體亦為氮?dú)?，流速?0 mL/min;溫度范圍為25～1 400℃，升溫速率為20℃/min。試驗(yàn)條件二為:在20 mL/min氮?dú)鈿夥障聫?5℃升溫至600℃，升溫速率為20℃/min，保護(hù)氣體10 mL/min氮?dú)?然后將氣氛切換為20 mL/min氧氣，并在600℃下保持10 min。

由圖3(a)可以看出，碳纖維在氮?dú)鈿夥障略? 000℃左右時(shí)才開(kāi)始呈現(xiàn)輕微失重的現(xiàn)象，且當(dāng)溫度升至1 250℃時(shí)也只有約12%的失重。由此可知，在氮?dú)鈿夥障绿祭w維的耐熱性能非常好。但是，如果在600℃時(shí)將氣氛切換成20 mL/min氧氣，即使在溫度遠(yuǎn)低于1 000℃(圖中的600℃)也會(huì)迅速完全失重，這是碳纖維的獨(dú)特性能。可見(jiàn)，熱失重法也不失為鑒別碳纖維的有效方法之一。

由圖3(b)可以看出，PSA、PPTA和PMIA三種纖維的TGA譜圖比較相似，它們的TGA曲線都可劃分成兩個(gè)階段。其中第一階段的失重率較大，是試樣的分解，為最主要的失重階段。PSA纖維的起始分解溫度為445.2℃，低于PPTA纖維的分解溫度542.5℃，略高于PMIA纖維的分解溫度422.1℃;三種纖維終止溫度時(shí)的殘?jiān)坎罹嗖淮螅謩e為41.29%、42.71%、44.51%。PSA 纖維失重率為10%時(shí)的溫度為403℃，低于PPTA纖維，略低于PMIA纖維。綜上所述，根據(jù)TGA曲線分析，PSA纖維的耐熱穩(wěn)定性和PMIA纖維較為接近，低于PPTA纖維。

圖3 高性能纖維的TGA曲線

4 其他性能

4.1 纖維的廣角X衍射測(cè)試

本文采用日本理學(xué)公司的D/max-2500PC型X-光衍射儀，試驗(yàn)條件為:CuKα靶，電壓40 kV，電流350 mA，掃描速度 10°/min，掃描范圍 5°～60°。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4(a)中可以看出，無(wú)論是腈綸基碳纖維還是纖維素基碳纖維，都只在2θ=24°處出現(xiàn)一個(gè)特征衍射峰，因此廣角X衍射法(WAXD)也是定性鑒別碳纖維的方法。從圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)中可以看出，PSA、PPTA和PMIA纖維的特征峰都不止一個(gè)，詳細(xì)情況參見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，PSA纖維在2θ=18.7°和2θ=41.5°處兩個(gè)特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng) 101、002晶面;PPTA 纖維在 2θ=22.6°、2θ=22.9°和 2θ=28.6°處的三個(gè)特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)110、200和004 晶面;而 PMIA 纖維在 2θ=17.8°、2θ=23.5°和2θ=27.2°處的三個(gè)特征衍射峰，也分別對(duì)應(yīng)110、200和004晶面。結(jié)合圖4和表2可以看出，WAXD可有效區(qū)分碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和 PMITA 纖維［9-11］。

圖4 高性能纖維的WAXD圖譜

表2 纖維的特征衍射峰

4.2 纖維的化學(xué)溶解性能

溶解法是鑒別纖維材料最常用的方法之一，具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是根據(jù)纖維的溶解特性，在一定條件下，不同纖維在特定溶劑中表現(xiàn)出不同的溶解特性。對(duì)于混紡產(chǎn)品，如果纖維的溶解性能不同，也可以采用溶解法對(duì)纖維成分進(jìn)行定量檢測(cè)。

將少量纖維試樣置于小燒杯中，注入適量溶劑或溶液，在常溫下?lián)u動(dòng)5 min，觀察纖維的溶解情況。對(duì)于有些在常溫下難于溶解的纖維，將裝有試樣和溶劑或溶液的小燒杯加熱至沸騰并保持3 min，觀察纖維的溶解情況。碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和PMIA纖維的溶解情況如表3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)碳纖維較粗，在顯微鏡下完全不透光，呈黑色長(zhǎng)桿狀。顯微鏡法可作為定性區(qū)分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。但是，單純通過(guò)顯微鏡法無(wú)法對(duì)PSA、PPTA和PMIA纖維進(jìn)行區(qū)分。

表3 纖維的溶解性能

(2)紅外吸收光譜法可快速區(qū)分碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和PMIA纖維，因此，它是鑒別這幾種纖維的有效途徑之一。

(3)碳纖維在氮?dú)鈿夥障? 450℃時(shí)只有約12%的失重，而在氧氣氣氛下即使只有600℃也會(huì)迅速完全失重。PSA、PPTA和PMIA纖維也呈現(xiàn)出不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和裂解溫度。因此TGADSC同步熱分析也可以作為這幾種纖維的定性判別手段。

(4)碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和PMIA纖維在廣角X衍射下會(huì)呈現(xiàn)不同的特征衍射峰，因此通過(guò)WAXD圖譜即可實(shí)現(xiàn)對(duì)這四種纖維的定性鑒別。

(5)這四種纖維的化學(xué)溶解性能各有差異，可通過(guò)這些差異對(duì)其混紡織物進(jìn)行定量分析。

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