國產(chǎn)對位芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)分析

陳國強(qiáng)

(江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201)

國產(chǎn)對位芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)分析

陳國強(qiáng)

(江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201)

文章利用掃描電鏡、紅外光譜儀和X衍射儀對國產(chǎn)對位芳綸和Kevlar49對位芳綸纖維進(jìn)行微觀形貌觀察、分子結(jié)構(gòu)分析并計算兩種纖維的聚合度，為國產(chǎn)對位芳綸的理論研究提供一定的參考依據(jù)。

對位芳綸；微觀形貌；紅外光譜；X衍射；聚合度

對位芳綸因其低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于電子通訊、航空航天、體育休閑和汽車工業(yè)等多領(lǐng)域[1]，本文以國產(chǎn)對位芳綸與Kevlar49對位芳綸纖維進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)對比實驗分析，為國產(chǎn)對位芳綸纖維性能的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料與儀器

國產(chǎn)對位芳綸纖維(神馬實業(yè)股份有限公司產(chǎn))；Kevlar49纖維(美國杜邦公司產(chǎn))。規(guī)格為70 tex/188f。JSM-6360LV型掃描電鏡、Nicolet460紅外-拉曼光譜儀、XD-3 X射線衍射儀、NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 微觀形貌觀察

調(diào)節(jié)哈氏切片器步長，使兩種對位芳綸纖維以每次半格的步長旋進(jìn)，切成薄片，制作成掃描電鏡實驗切片。對切片進(jìn)行噴金90 s。在加速電壓為橫截面18 kV，縱截面20 kV下利用JSM-6360LV型掃描電鏡對2種對位芳綸纖維的微觀形貌進(jìn)行觀察。

1.2.2 紅外光譜分析

調(diào)節(jié)哈氏切片器步長，將兩種對位芳綸纖維以每次半格的步長旋進(jìn)，切成薄片，同KBr混合磨成粉末，制成KBr壓片。以4 cm-1的分辨率利用Nicolet460紅外-拉曼光譜儀對實驗樣品進(jìn)行掃描，每個樣品掃描36次。

1.2.3 X衍射測試

調(diào)節(jié)哈氏切片器步長，使兩種對位芳綸纖維以每次半格的步長旋進(jìn)，切成薄片，制成纖維碎末壓片。利用XD-3 X射線衍射儀進(jìn)行X衍射測試；實驗電壓30 kV,電流20 mA；實驗起始角為5°；終止角為45°；步寬為0.02°；波長為0.154 nm；X射線管為Cu靶；掃描速度為4°/min。

利用Gauss+Lor Area函數(shù)對X衍射曲線進(jìn)行分峰疊加處理，分析計算出分出各峰的積分面積，使用式(1)[2]對X衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)晶度計算。

式(1)

式(1)中，Xd代表纖維的結(jié)晶度；Sa代表纖維的無定形峰的面積；Scr代表4個結(jié)晶峰的面積。

依據(jù)式(2)，Scherrer方程[3]計算晶粒的尺寸大小。

式(2)

式(2)中，L為晶粒尺寸；β為衍射峰的半高寬；λ為X衍射的入射波長，取值為0.154；k為謝洛常數(shù)，取0.89。

1.2.4 聚合度的測試

稱取兩種纖維各1.5 g，調(diào)節(jié)哈氏切片器步長，使2種對位芳綸纖維以每次半格的步長旋進(jìn)，切成薄片，分別溶解在81 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%H2SO4里，在30℃±0.2℃條件下靜置待其完全溶解后，利用NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計在30℃±0.2℃的恒溫水浴中依據(jù)GB/T 1632—93的國家標(biāo)準(zhǔn)對位芳綸纖維的粘度η[4]進(jìn)行測量，每種實驗樣品測量三次，取其平均值為最終粘度值，依據(jù)下列公式(3)分別計算出兩種纖維的特性黏度[η][5],依據(jù)公式(4)[6]計算粘均相對分子量Mη，依據(jù)公式(5)[7]計算聚合度DPη。

式(3)

式(4)

DPη=Mη/238

式(5)

式中，[η]—特性黏度，ηsp—增比黏度，ηr—相對黏度，c—溶液濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌觀察

由圖1、圖2可知，Kevlar49對位芳綸纖維較國產(chǎn)對位芳綸纖維顏色較為明亮。兩種對位芳綸纖維的橫截面上均呈現(xiàn)不規(guī)則的幾何圓形，但Kevlar49對位芳綸纖維橫截面較國產(chǎn)對位芳綸纖維有較深的鋸齒邊，表面不同深度和不同廣度的溝槽結(jié)構(gòu)，不像國產(chǎn)對位芳綸纖維那么光滑，所以其摩擦性和導(dǎo)濕導(dǎo)氣明顯優(yōu)于國產(chǎn)對位芳綸纖維。

圖1 國產(chǎn)對位芳綸纖維

圖2 Kevlar49對位芳綸纖維

2.2 紅外光譜

由圖3可知，兩種對位芳綸纖維在1640 cm-1處呈現(xiàn)較強(qiáng)的吸收譜帶均由C=O伸縮振動引起的，證明此處為酰胺Ⅰ帶。在酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的吸收譜帶的位置上，即1540 cm-1和1260 cm-1位置，O=C-N與N-H的變形耦合引起了較強(qiáng)的吸收峰，但是相比酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ，酰胺Ⅲ的吸收譜帶要弱許多；在838 cm-1和696 cm-1的吸收譜帶說明在兩種對位芳綸纖維中均含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)基團(tuán)。在650 cm-1和520 cm-1，N-C=O面內(nèi)彎曲振動和C=O面外彎曲振動引起另外兩個吸收峰，也證實酰胺Ⅲ的存在。在720 cm-1，即酰胺Ⅴ吸收譜帶位置，N-H面外彎曲振動使得產(chǎn)生了較強(qiáng)吸收譜帶。由上述分析可知，兩種對位芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)均由聚對苯二甲酰對苯二胺大分子構(gòu)成，均為全芳香族酰胺纖。

圖3 芳綸纖維

2.3 X衍射

由圖4與圖5分析計算可知，國產(chǎn)對位芳綸纖維與Kevlar49對位芳綸纖維的結(jié)晶峰的角度分別對應(yīng)在2θ為18.2°、20.5°、22.9°、28.5°與18.5°、20.5°、22.8°、28.6°，其中第一、第二、第四位置的波峰分別對應(yīng)的是2種對位芳綸纖維結(jié)晶峰的角度位置，而第三個波峰的位置對應(yīng)的是2種對位芳綸纖維的無定形區(qū)。由此可知，兩種對位芳綸纖維的基本結(jié)構(gòu)大致相同，也驗證了上述紅外光譜分析中驗證的兩種對位芳綸纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本相同的分析。

圖4 國產(chǎn)對位芳綸纖維X衍射曲線及其擬合結(jié)果

圖5 Kevlar49對位芳綸纖維X衍射曲線及其擬合結(jié)果

對兩種纖維4個峰的單個面積分別進(jìn)行積分可知，國產(chǎn)對位芳綸纖維與Kevlar49對位芳綸纖維對應(yīng)的4個積分峰的IntArea分別為544.18、2583.63、4402.53、1165.16與295.93、2110.22、3144.92、1242.41，利用式1計算可知，國產(chǎn)對位芳綸纖維與Kevlar49對位芳綸纖維的結(jié)晶度分別為49.4%與53.7%。

通過式(2)計算出國產(chǎn)對位芳綸纖維與Kevlar49對位芳綸纖維的晶粒尺寸分別為1.65 nm、4.44 nm、13.38 nm與2.26 nm、5.83 nm、10.99 nm。國產(chǎn)對位芳綸纖維的晶粒尺寸相差較大，最大值與最小值之間的差值達(dá)到了11.73 nm，而Kevlar49對位芳綸纖維晶粒尺寸較為均勻，最大值與最小值之間的差值為8.73 nm，結(jié)構(gòu)較國產(chǎn)對位芳綸纖維穩(wěn)定。

2.4 聚合度

由式(3)、(4)、(5)計算出2對位芳綸纖維的粘度、分子量和聚合度，計算結(jié)果如表1所示。從表中可以看出Kevlar49對位芳綸纖維的分子量和聚合度均高于國產(chǎn)對位芳綸纖維，由此可知Kevlar49對位芳綸纖維的均端末方距大于國產(chǎn)對位芳綸纖維，纖維具有更高的強(qiáng)度和模量。

表1 聚合度測試結(jié)果

3 實驗結(jié)論

3.1 Kevlar49對位芳綸纖維較國產(chǎn)對位芳綸纖維顏色較為明亮。兩種對位芳綸纖維的橫截面上均呈現(xiàn)不規(guī)則的幾何圓形，但Kevlar49對位芳綸纖維橫截面較國產(chǎn)對位芳綸纖維有較深的鋸齒邊，表面不同深度和不同廣度的溝槽結(jié)構(gòu)。

3.2 兩種對位芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)均由聚對苯二甲酰對苯二胺大分子構(gòu)成，均為全芳香族酰胺纖。

3.3 兩種對位芳綸纖維的結(jié)晶峰角度位置大致相同，但國產(chǎn)對位芳綸纖維的結(jié)晶度低于Kevlar49對位芳綸纖維，晶粒尺寸最大值與最小值之間差值大于Kevlar49對位芳綸纖維，因此分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定差于Kevlar49對位芳綸纖維。

3.4 Kevlar49對位芳綸纖維的分子量、聚合度和均端末方距均大于國產(chǎn)對位芳綸纖維，因此強(qiáng)度與模量更高。

[1] VOLOKHINA A V.High-strength aramid fibres made from polymer blends [J].Fibre Chemistry, 2000, 32 (4): 230—234.

[2] Ahtee M, Hattula T, Mangs J, et al.An X-ray diffraction method for determination of crystallinity of wood pulp [J]. Paperi Ja Puu,1988,41(8):475—480.

[3] Bohn A, Fink H P, Ganster J, et al. X-ray texture investigations of bacterial cellulose [J].Macromol Chem Phys, 2000,201(5):1913—1921.

[4] 魏家瑞，唐愛民，孫智華.超聲波預(yù)處理對對位芳綸纖維結(jié)構(gòu)的影響[J].材料工程，2009,(4):61—66.

[5] 陳稀，黃象安.化學(xué)纖維實驗教程[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1988.

[6] 王楊.芳綸纖維的磷酸溶液處理對其纏繞用樹脂基體的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.

[7] 高濤.聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)特性黏度測定的研究[J].合成纖維，1983,(6):2—6.

Analysis of Domestic Para-aramid Molecular Structure

ChenGuoqiang

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

The PPTA fibers and Kevlar49 fibers made in China and USA respectively were tested by SEM, infrared spectroscopy and X-ray diffraction for cross section, molecular structure and degree of polymerization. All these experiments were studied to apply valuable references for research of Chinese PPTA fibers.

para-aramid; micro-morphology; infrared spectrum; X diffraction; degree of polymerization

2015-02-28

江西省高等學(xué)校教改課題項目(JXJG-14-26-5)

陳國強(qiáng)(1985—)，男，山東濰坊人，講師。

TS156.6

A

1009-3028(2015)03-0049-04