聚苯硫醚長絲的光及熱穩(wěn)定性研究

姜兆輝+孫航+郭增革+賈瞾+金劍+肖長發(fā)

摘要：聚苯硫醚（PPS）纖維是耐高溫過濾材料的首選原料。本文通過表面形態(tài)觀測和力學(xué)性能測試，研究了聚苯硫醚初生長絲的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。結(jié)果表明，干熱空氣處理對(duì)PPS長絲的斷裂伸長率影響較大，而對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響較??；沸水處理顯著影響纖維的斷裂強(qiáng)度而斷裂伸長率變化較小。因此，PPS長絲適于干熱環(huán)境下的過濾材料。經(jīng)光照處理后，PPS長絲的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率均顯著下降，其光穩(wěn)定性較差，不適于直接暴露在日光下的戶外環(huán)境。

關(guān)鍵詞：PPS纖維；過濾材料；熱穩(wěn)定性；光穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TQ317.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on Photostability and Thermal Stability of PPS Filament

Abstract： PS fiber is an ideal high temperature-resistant filtration material. The paper investigates the photostability and thermal stability of PPS as-spun fiber by means of surface morphology observation and mechanical property test. The results show that after dry and hot air treatment， the elongation at break of PPS fiber varies greatly and the breaking tenacity changed slightly， while boiling water treatment has significant influence on the breaking tenacity but little influence on the elongation at break. Therefore， PPS fiber is suitable for being used as filtration material under dry and hot environment. After light treatment， both breaking tenacity and elongation at break of PPS fiber decrease significantly， and the photostability is poor， so PPS fiber is not suitable for being directly exposed to outdoor environment.

Key words： PPS fiber； filtration material； thermal stability； photostability

聚苯硫醚（PPS）纖維又稱對(duì)苯硫醚纖維或者聚苯撐硫醚纖維，具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性以及優(yōu)異的力學(xué)性能等，因此廣泛用于工業(yè)過濾織物，如水泥廠煙氣過濾材料、熱電廠燃煤鍋爐的除塵袋、垃圾焚燒煙氣過濾材料及工業(yè)阻燃材料等。目前，在高溫過濾領(lǐng)域，PPS纖維是首選過濾材料，但較差的耐光性是制約其發(fā)展的瓶頸。因此，研究PPS纖維的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，對(duì)于其在高溫戶外環(huán)境中的應(yīng)用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PPS初生長絲，中國紡織科學(xué)研究院；甘油，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

1.2 纖維性能測試

1.2.1 直徑測量及表觀形態(tài)觀測

利用帶有CCD（Panasonic，WV-CP500D）照相的HD002C型纖維細(xì)度分析儀，采用投影法測量纖維的細(xì)度；借助甘油將纖維束離散成單纖維狀，測試50根纖維的直徑數(shù)據(jù)，并觀測纖維的縱向表觀形態(tài)。

1.2.2 線密度測試

式（1）中，Tt為實(shí)測線密度，dtex；mi為各實(shí)驗(yàn)樣品所稱質(zhì)量，g；n為纖維長絲根數(shù)；f為實(shí)驗(yàn)樣品測試總次數(shù)；L為單個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的測試長度，m。

式（2）中，Tti為各次測試的線密度，dtex；Tt為平均線密度，dtex。

1.2.3 力學(xué)性能

利用YG001N+型電子單纖維強(qiáng)力儀，實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T14344 —2008《化學(xué)纖維長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》。利用電子單紗強(qiáng)力儀測試5組PPS單纖維的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長、斷裂伸長率等，取其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的算術(shù)平均數(shù)作為該實(shí)驗(yàn)樣品的力學(xué)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)過程中單位線密度預(yù)加張力為（0.05±0.01）cN/dtex，隔距長度為20mm，拉伸速度為20mm/min。

1.2.4 耐熱性能

依據(jù)GB/T6505—2008《化學(xué)纖維長絲熱收縮率試驗(yàn)方法》，采用熱空氣和沸水兩種方式處理。處理后，通過纖維細(xì)度分析儀觀察兩種不同方式處理后PPS長絲表面形態(tài)的變化，并利用電子單纖維強(qiáng)力儀測試其力學(xué)性能。熱空氣處理在150℃的烘箱中，將PPS長絲分別處理 8、16和24h；將PPS纖維對(duì)折平放，用白坯布包好，放入沸水中分別處理10、20、30及40min，自然晾干后進(jìn)行測試。

1.2.5 耐光性能

將PPS長絲分別在光照條件下曝曬5和10天，通過顯微鏡觀測其表面形態(tài)的變化，并測試其力學(xué)性能的變化，以力學(xué)性能的保持率表征PPS纖維的耐光照程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的線密度及表觀形態(tài)

根據(jù)20組線密度測試結(jié)果，PPS長絲的平均線密度為15.61 dtex，變異系數(shù)為0.131%。其條干均勻度較好。依據(jù)式

式（3）中，d為纖維的直徑，mm；δ為纖維的密度值，PPS纖維取1.3g/cm3，據(jù)此纖維直徑的計(jì)算值為39.10μm，而利用纖維細(xì)度分析儀，測試平均直徑為37.05μm，兩者相當(dāng)。因此，線密度取值15.61 dtex較為合理。

圖1為PPS長絲的表觀形態(tài)圖。由圖1（a）可知，PPS纖維表面比較光滑、有光澤，纖維粗細(xì)比較均勻。PPS纖維的橫向截面形態(tài)如圖1（b）所示，可看出PPS纖維截面呈近似圓形結(jié)構(gòu)。目前，市場上除塵過濾材料中的PPS纖維多為圓形截面，但日本東洋紡開發(fā)出了三葉形的PPS纖維，其比表面積遠(yuǎn)大于圓形截面PPS纖維，更適合制作過濾材料。

2.2 纖維的力學(xué)性能

圖 2 為PPS長絲的負(fù)荷-伸長曲線。由圖可知，PPS纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長值較為集中，纖維力學(xué)性能的均一性較好，可任意取樣。本研究共測試5組試樣，每組試樣測試10根纖維，力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示。PPS初生長絲的斷裂強(qiáng)力為15.96cN，斷裂強(qiáng)度為1.02 cN/dtex，斷裂伸長達(dá)83.57mm，對(duì)應(yīng)的斷裂伸長率高達(dá)416.9%，PPS初生長絲具備良好的可加工性。PPS纖維分子結(jié)構(gòu)中苯環(huán)和硫原子交替連接形成的剛性分子鏈賦予其良好的力學(xué)性能。

2.3 纖維的熱穩(wěn)定性

熱空氣處理前后PPS長絲的表觀對(duì)比如圖3所示。由圖可知，經(jīng)熱空氣處理后，PPS纖維表面失去了原有的光澤和柔軟性，變得比較粗糙、硬挺。圖4為150℃熱空氣處理不同時(shí)間后的PPS長絲表觀形態(tài)。處理后纖維的顏色明顯變深，并且出現(xiàn)了輕微的彎曲。隨處理時(shí)間的延長，纖維表面出現(xiàn)輕微的損傷。150℃熱空氣處理24h后，纖維表面斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)少許橫向裂紋，其表面更粗糙。

圖5為150℃熱空氣處理不同時(shí)間后PPS長絲力學(xué)性能的保持率。由圖可知，經(jīng)150℃熱空氣處理后，纖維的斷裂強(qiáng)力略有下降，24h后其強(qiáng)力保持率仍在85%左右?？梢姡?jīng)150℃熱空氣處理后，PPS纖維仍可保持較高的斷裂強(qiáng)力，而斷裂伸長率大幅下降；經(jīng)8h處理后，纖維斷裂伸長保持率僅為13.89%；經(jīng)16和24h處理后，纖維的斷裂伸長保持率小于1%。由于所用纖維為初生長絲，其結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在熱處理過程中發(fā)生了解取向，因此斷裂伸長率顯著降低。

經(jīng)沸水處理后，纖維的表觀形態(tài)如圖6所示。沸水處理后，PPS長絲出現(xiàn)了輕微的收縮，發(fā)生溶脹后直徑略有增大，條干出現(xiàn)輕微彎曲，纖維的光澤度略有下降，但優(yōu)于熱空氣處理后的纖維。經(jīng)沸水處理10min后，纖維遭受大面積的損傷，表面出現(xiàn)許多大大小小的凹坑；當(dāng)沸水處理30min后，纖維表面除了大面積的凹坑之外，又出現(xiàn)了部分橫向裂紋，纖維受損程度逐漸增大；沸水處理時(shí)間達(dá)40min時(shí)，纖維表面的受損程度明顯增大，纖維表面逐漸變得不規(guī)則，并有刻蝕的痕跡?？梢?，PPS纖維在沸水環(huán)境下其表面會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，且損傷程度隨沸水處理的時(shí)間逐漸加重。因此，PPS纖維作為過濾介質(zhì)，不適于濕熱環(huán)境下的過濾。

經(jīng)沸水處理不同時(shí)間后PPS纖維的力學(xué)性能保持率如圖 7 所示。由圖可知，纖維經(jīng)沸水處理之后的斷裂伸長保持率的變化較小，而對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響要大于對(duì)斷裂伸長率的影響。斷裂強(qiáng)力和伸長率均隨沸水處理時(shí)間的延長呈先減小后增大的趨勢。這是因?yàn)殚_始階段初生長絲發(fā)生大分子的解取向，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力和伸長率減小。隨時(shí)間的延長，水分子逐漸滲入纖維內(nèi)部，起到增塑劑的作用，剛性極強(qiáng)的PPS大分子鏈段柔性增強(qiáng)，導(dǎo)致大分子之間的纏結(jié)增多，因而斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率又開始增大。此外，在150℃的熱空氣中處理24h后纖維的斷裂強(qiáng)力保持率仍在90%左右，而在沸水中20min強(qiáng)力保持率可降至60%左右。因此，沸水對(duì)纖維表觀形態(tài)和力學(xué)性能的影響遠(yuǎn)大于干熱空氣，PPS纖維適于干態(tài)的熱空氣環(huán)境。

2.4 纖維的光穩(wěn)定性

光照處理前后纖維的表觀形態(tài)如圖8所示。經(jīng)光照后，纖維表面出現(xiàn)了零星的細(xì)小裂紋。圖9所示為光照前后PPS纖維的負(fù)荷-伸長曲線。由圖9可知，經(jīng)光照后PPS纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率顯著下降。表2為光照處理前后PPS纖維的力學(xué)性能指標(biāo)。由表2可知，光照10天后，斷裂強(qiáng)力保持率僅為47.42%，斷裂伸長保持率為23.03%，并且纖維的斷裂伸長率變異系數(shù)較大，斷裂伸長較不穩(wěn)定。因此，光照對(duì)PPS纖維力學(xué)性能的影響較大。

3 結(jié)論

本文首先通過纖維細(xì)度分析儀觀測了PPS長絲的直徑和橫縱向表觀形態(tài)，然后采用表觀形態(tài)的變化和力學(xué)性能保持率分析表征了PPS纖維的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：

（1）PPS初生長絲的截面近似圓形，縱向較光滑。PPS纖維分子結(jié)構(gòu)中苯環(huán)和硫原子交替連接形成的剛性分子鏈賦予了其良好的力學(xué)性能。PPS初生長絲的斷裂強(qiáng)度為1.02cN/dtex，斷裂伸長率高達(dá)416.9%，具備良好的可加工性；

（2）干熱空氣處理對(duì)PPS纖維的斷裂伸長率影響較大，斷裂伸長保持率小于1%，而斷裂強(qiáng)力保持率在85%左右；沸水處理顯著影響PPS纖維的斷裂強(qiáng)力，而對(duì)斷裂伸長率影響較小。隨沸水處理時(shí)間的延長，纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率均先減小后增大。因此，PPS纖維較適于干熱、而非濕熱環(huán)境下的過濾材料；

（3）經(jīng)過光照處理后，PPS纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率均顯著下降。光照10天后，其斷裂強(qiáng)力保持率僅為47.42%，斷裂伸長保持率為23.03%，PPS纖維的光穩(wěn)定性較差，因此不適于直接暴露于日光下的環(huán)境。

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作者簡介：姜兆輝，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楣δ苄岳w維的結(jié)構(gòu)與性能。

通訊作者：姜兆輝，E-mail：tjjzh_2005@163.com。

作者單位：姜兆輝、孫 航、郭增革、賈 瞾，山東理工大學(xué)紡織服裝學(xué)院；金 劍，中國紡織科學(xué)研究院生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；肖長發(fā)，天津工業(yè)大學(xué)省部共建分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

基金項(xiàng)目：科技部國家科技支撐計(jì)劃（2013BAE01B03）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EMP004）；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J14LA56）；生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)室（江南大學(xué)）基金項(xiàng)目（KLET1401）。