芳砜綸紡紗研究進(jìn)展及其應(yīng)用

井沁沁，沈蘭萍

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 引言

芳砜綸纖維(商品名Tanlon，簡稱PSA)是我國具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的一種高性能合成纖維，具有良好的耐高溫、阻燃等性能，在耐高溫、防火領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。另外，芳砜綸的電絕緣性、耐腐蝕、防輻射和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于防護(hù)制品、民用服裝、過濾材料、電絕緣材料、摩擦密封材料等領(lǐng)域。

1 芳砜綸纖維概述

1.1 芳砜綸纖維的結(jié)構(gòu)

芳砜綸(PSA)屬于對位芳綸系列，學(xué)名為聚苯砜對苯二甲酰胺纖維，PSA分子結(jié)構(gòu)由酰胺基(-CONH-)、砜基(-S02-)和苯環(huán)鍵連接而成，其單體具有25%的間位結(jié)構(gòu)和75%的對位結(jié)構(gòu)。苯環(huán)的雙鍵共軛使得酰胺基上氮原子的電子云密度顯著降低，而其大分子鏈上又具有極強(qiáng)吸收電子的基團(tuán)砜基(-SO2-)，且硫原子處于最高氧化狀態(tài)。這些特性使得PSA的大分子結(jié)構(gòu)(圖1)很牢固，在高溫條件下不易被破壞[1]。

圖1 芳砜綸大分子結(jié)構(gòu)

1.2 芳砜綸纖維的性能

1.2.1 基本力學(xué)性質(zhì)

由于芳砜綸獨(dú)特的大分子結(jié)構(gòu)，其與美國杜邦公司生產(chǎn)的芳綸1313相比具有更加優(yōu)良抗熱氧老化性能。芳砜綸纖維的基本力學(xué)性質(zhì)如下表1所示。

表1 芳砜綸纖維基本力學(xué)性質(zhì)

1.2.2 耐熱性和熱穩(wěn)定性

芳砜綸纖維具有良好的耐熱性和熱穩(wěn)定性。芳砜綸纖維在250℃時的強(qiáng)度保持率為70%。雖然在高溫350℃下時，其纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，但是其強(qiáng)度依然能夠保持原來的38%。當(dāng)芳礬綸在250℃和300℃熱空氣中處理100h后，其強(qiáng)度保持率分別為90%和80%。實(shí)驗(yàn)表明，芳砜綸纖維可以長期在200℃高溫環(huán)境中維持其基本物化性能[2]。芳砜綸纖維與其它常見高性能纖維的長期使用溫度對比如圖2所示。

圖2 纖維長期使用溫度

1.2.3 阻燃性

芳砜綸具有良好的阻燃性。芳砜綸織物在燃燒時不收縮或很少收縮，不會產(chǎn)生熔滴，火源撤離時其火焰自熄且極少有陰燃或余燃現(xiàn)象。芳砜綸纖維的極限氧指數(shù)LOI值為33，這使得PSA纖維的阻燃性能優(yōu)于其它常見纖維。芳砜綸與不同纖維的LOI值如表2所示。

表2 芳砜綸與不同纖維LOI值

1.2.4 化學(xué)穩(wěn)定性

芳砜綸在強(qiáng)酸及油中的強(qiáng)度保持率較高，但其耐強(qiáng)堿性能較差。芳砜綸纖維在80℃溫度下，分別用濃度為30%的硫酸、鹽酸、硝酸處理后，其強(qiáng)力變化如表3所示。

表3 芳砜綸纖維在不同強(qiáng)酸作用下強(qiáng)力變化

1.2.5 防輻射性

芳砜綸具有較好的耐輻射穩(wěn)定性。其纖維經(jīng)過Co60丙種射線不同劑量照射下物理性能的變化如表4所示。

表4 芳砜綸纖維不同劑量射線照射下強(qiáng)力變化

1.2.6 電絕緣性

芳砜綸纖維具有良好的電絕緣性，其相應(yīng)絕緣參數(shù)如表5所示。

表5 芳砜綸相關(guān)電絕緣參數(shù)

1.2.7 染色性能

一般情況下，芳綸1313是不可染的，即使在加入特定載體的情況下，其染色的明亮度和色牢度也不理想，而國產(chǎn)芳砜綸在常規(guī)的高溫高壓條件下就可以進(jìn)行染色，且染色種類繁多、色彩鮮艷、色牢度高。同時，染色成本較低，尤其適用于防護(hù)制品的生產(chǎn)。

2 芳砜綸紡紗存在的問題與措施

芳砜綸纖維表面光滑、摩擦系數(shù)小，其體積比電阻和初始模量較高造成纖維卷曲穩(wěn)定性差，使得在紡紗過程中常常表現(xiàn)為：纖維間抱合力差，極易與紡紗機(jī)件摩擦而產(chǎn)生嚴(yán)重靜電現(xiàn)象，紡制后的紗條蓬松、條干差且強(qiáng)力低。因此，芳砜綸的可紡性極差，要想提高芳砜綸制品的生產(chǎn)效率，需要解決的重要問題就是減少芳砜綸紡紗時的靜電現(xiàn)象，從而提高纖維間的抱合力。目前，提高芳砜綸可紡性的主要措施如下。

2.1 合適的纖維長度

選擇合適長度的芳砜綸纖維能在一定程度上提高其可紡性。董澤文等人[3]提出，合適的纖維長度有助于紡紗的順利進(jìn)行，在成紗線密度相同的條件下，分別選擇纖維長度為31mm～52mm和59mm 的芳砜綸纖維進(jìn)行紡紗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長度在31mm～52mm范圍內(nèi)的纖維，其紗線的拉伸性能隨著纖維長度的增加而增加，紗條條干也隨著纖維長度的增加而逐漸改善。但是，當(dāng)紗線長度為59mm及超過59mm時，由于纖維過長，反而更易與紡紗機(jī)件糾纏，從而降低其纖維束的強(qiáng)力，其相應(yīng)紗線的強(qiáng)力和條干惡化。

2.2 預(yù)處理

在紡紗前，可利用紡紗油劑對芳砜綸纖維表面進(jìn)行預(yù)處理。紡紗油劑是一種復(fù)配化學(xué)藥劑，主要由平滑劑、乳化劑和抗靜電劑混合復(fù)配而成，其機(jī)理在于：紡紗油劑中的平滑劑可以提高芳砜綸纖維表面的摩擦系數(shù)，從而減少纖維與紡紗機(jī)件之間的摩擦；抗靜電劑的大分子與芳砜綸纖維表面作用后，可以產(chǎn)生一層水膜，以此來提高芳砜綸纖維的吸濕性，從而降低芳砜綸纖維的體積比電阻，使其表面電荷不易積聚，減少靜電現(xiàn)象。目前常用的油劑有雙S油劑和國產(chǎn)油劑，其主要區(qū)別在于平滑劑和抗靜電劑種類的選擇不同。由于芳砜綸大分子主鏈上的砜基 (-SO2-)是一個強(qiáng)吸電子基團(tuán)，其在鏈端的氨基 (-NH2) 和羧基(-COOH-)的綜合作用下，總體顯示負(fù)電荷。因此，在進(jìn)行油劑復(fù)配時，選擇陽離子抗靜電劑時的抗靜電性能優(yōu)于陰離子抗靜電劑。

2.3 紡紗方式

2.3.1 紡紗技術(shù)

2.3.1.1 集聚紡紡紗

在最近的研究中，華里發(fā)等人[4]將環(huán)錠紡、賽絡(luò)紡和集聚紡三種紡紗方式下的單紗和股線進(jìn)行2次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)后，通過對紗線的條干CV、毛羽指數(shù)和拉伸性能進(jìn)行綜合對比后發(fā)現(xiàn)，三種紡紗方式都能有效改善芳砜綸紡紗條干問題。采用集聚紡紡紗時，無論是單紗還是股線，其條干均勻度和成紗強(qiáng)力最高，賽絡(luò)紡次之，傳統(tǒng)的環(huán)錠紡成紗條干最差。

2.3.1.2 牽切紡紗

牽切紡紗較散纖維紡紗工序簡單，流程短，且經(jīng)牽切制條后的紗條中纖維平行伸直度比散纖維制條好。彭盛越等人[5]發(fā)現(xiàn)，利用牽切制條后芳砜綸纖維細(xì)度變細(xì)，離散度減小，纖維的拉伸性能較好，因而提高了芳砜綸纖維的可紡性。紡紗時可采用比散纖維紡紗較低的捻系數(shù)，提高細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)效率。與芳砜綸散纖維紡紗相比，采用牽切紡紗可以提高紗線的強(qiáng)力。

2.3.1.3 纜型紡紡紗

纜型紡的特殊結(jié)構(gòu)決定了其成紗毛羽少且耐摩擦的特點(diǎn)，纜型紗與傳統(tǒng)單紗相比，其物理性能及織造效率有明顯提高。何文元等人[6]提出，利用纜型紡紡紗芳砜綸纖維時能有效減少紗條的毛羽，提高單紗強(qiáng)力。但是其成紗條干均勻度不如傳統(tǒng)單紗，且其裝置一旦出現(xiàn)問題，會對紗條總體強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

2.3.2 芳砜綸混紡

芳砜綸纖維純紡時，其阻燃性能極其優(yōu)良，但是純紡時，織造困難，且經(jīng)織造加工后的織物強(qiáng)力低，難以滿足產(chǎn)業(yè)及生活中的應(yīng)用。為了更高效解決芳砜綸紡紗時出現(xiàn)的靜電現(xiàn)象等問題，同時為了降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)目前較多采用混紡芳砜綸織物。由于很小比例的芳砜綸纖維就可以發(fā)揮其一定的優(yōu)良性能，因此，可以根據(jù)芳砜綸織物的特定用途，通過將其與其他纖維進(jìn)行一定比例的混紡，不僅能發(fā)揮芳砜綸相關(guān)的優(yōu)良性能，還能提高其織物的服用性能。

2.3.2.1 芳砜綸與芳綸1313混紡

芳綸1313是美國杜邦公司生產(chǎn)的一種耐高溫纖維，是目前所有耐高溫領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一個品種。由于芳綸1313具有低剛度和高伸長的特性，在紡紗時，其纖維抱合力良好，可紡性好，但是其在高溫條件下的尺寸穩(wěn)定性較差，且難以染色。李向紅等人[7]通過對芳砜綸與芳綸1313的性能進(jìn)行研究，并對兩者進(jìn)行混紡處理，設(shè)定5種不同的混紡比進(jìn)行紡紗發(fā)現(xiàn)，隨著芳綸1313纖維含量的增加，芳砜綸/芳綸1313混紡紗的可紡性得到提高，紗線毛羽數(shù)量明顯減少，紗線強(qiáng)力得到有效提高。其中最優(yōu)混紡比為70/30時，紗線條干穩(wěn)定，其混紡紗織物的強(qiáng)力和染色性能得到有效提高。但是，隨著芳綸1313含量越來越多，當(dāng)超過40%左右時，紗條毛羽數(shù)量又明顯增加，紗條條干開始出現(xiàn)明顯惡化。

2.3.2.2 芳砜綸與黏膠混紡

黏膠纖維由于其良好的吸濕性、染色性和可紡性，可將其與芳砜綸進(jìn)行混紡。黏膠纖維的加入能夠在一定程度上提高芳砜綸的可紡性。隨著黏膠纖維含量的增加，混紡紗的強(qiáng)力、條干得到改善。崔啟璐等人[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳砜綸/黏膠混紡比為60/40左右時，經(jīng)過一定的阻燃性、透氣性等后整理過程之后，混紡紗的手感、條干和吸濕透氣等性能相較其它混紡比優(yōu)良；但是當(dāng)黏膠纖維含量超過40%左右時，雖然紗線的吸濕透氣性也隨之提升，混紡紗的阻燃性卻開始下降，不利于阻燃混紡紗的生產(chǎn)。

2.3.2.3 芳砜綸與棉混紡

天然棉纖維由于優(yōu)良的吸濕透氣性、染色性和服用舒適性等性能，可將其與化學(xué)纖維進(jìn)行混紡，從而提高纖維的可紡性，改善化學(xué)纖維服用舒適性等問題。由于芳砜綸纖維的成本較高，一般廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)上阻燃防護(hù)服的生產(chǎn)加工，很少應(yīng)用于家居服領(lǐng)域。但是隨著人們生活水平的提高，對生活質(zhì)量的要求越來越高，這可以體現(xiàn)在人們對日常服裝的要求不再是簡單的穿著，而是希望具有更多的功能來滿足其更高的要求。因此，可以考慮將其應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钪?。比如，人們目前穿著使用的普通圍裙，其耐熱性及熱穩(wěn)定性極差，為了解決這個現(xiàn)狀，可以利用阻燃圍裙來替代目前人們使用的普通圍裙?？紤]到成本問題，通過選擇合適的混紡比，將其與棉纖維進(jìn)行混紡，該混紡織物既具有棉織物的蓬松、柔軟、舒適，又具有芳砜綸優(yōu)良的阻燃性。

2.3.2.4 芳砜綸與羊毛混紡

由于羊毛的彈性、蓬松性、保暖性和透氣性等優(yōu)良性能，其已經(jīng)成為紡織工業(yè)上的重要原料。蘭紅艷等人[9]通過對羊毛性能的研究，初次嘗試將芳砜綸與羊毛進(jìn)行混紡，試驗(yàn)中隨著羊毛含量的增加，紡紗過程中的靜電現(xiàn)象逐漸減少，纖維整體的可紡性得到有效的改善。但是隨著羊毛含量增加到一定值，紗條總體斷頭現(xiàn)象嚴(yán)重，粗細(xì)節(jié)數(shù)量增加，使得紗線強(qiáng)力降低。

總的來說，在實(shí)際生產(chǎn)中將芳砜綸與其它纖維進(jìn)行混紡時，并不是其中某種纖維的含量越高越好，要根據(jù)混紡織物最終的用途進(jìn)行一定的紗線設(shè)計(jì)后，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)織物開發(fā)，該過程需要研究者做到：

(1)選擇合適的混紡紗原料。原料決定性能，在進(jìn)行紗線設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)織物的最終用途，選擇合適的原料。比如，在進(jìn)行消防服的設(shè)計(jì)時，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，織物最外層必須具有相當(dāng)高的阻燃性，因此外層織物可選擇阻燃性好的原料與芳砜綸混紡達(dá)到阻燃要求，而舒適層在阻燃、耐高溫的基礎(chǔ)上，還需要一定的服用舒適性，此時，可將芳砜綸與棉纖維混紡來達(dá)到要求。

(2)選擇合適的混紡比?；旒彵葘旒徏喌脑O(shè)計(jì)起著決定性作用，其在一定程度上影響著混紡紗的性能。如芳砜綸/芳綸1313混紡紗設(shè)計(jì)時，由于芳綸1313與芳砜綸纖維一樣表面比較光滑，在紡紗過程中易產(chǎn)生靜電，所以當(dāng)芳綸1313含量過多時，其纖維與纖維間、纖維與紡紗機(jī)件間的摩擦更頻繁，產(chǎn)生的靜電現(xiàn)象更嚴(yán)重，反而使其紗條毛羽增加、強(qiáng)力降低。另外，在進(jìn)行同一種性能的混紡紗設(shè)計(jì)時，其相應(yīng)性能的混紡比并不是確定的，而是在一定范圍內(nèi)波動的，這是由實(shí)驗(yàn)原料的物理指標(biāo)，如纖維細(xì)度等以及由實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，如溫濕度等決定的，或者后整理過程造成。如在進(jìn)行芳砜綸/黏膠阻燃混紡紗設(shè)計(jì)時，除了選擇60/40的混紡比，也可以選擇含量較低的芳砜綸，可以對其進(jìn)行一定的后整理提高其阻燃性。

(3)選擇合適的紡紗工藝。比如，在進(jìn)行芳砜綸/芳綸1313混紡紗設(shè)計(jì)時，可以采用“輕定量，慢速度”紡紗工藝。而芳砜綸/羊毛混紡紗設(shè)計(jì)時，由于半精梳工藝流程的簡單，使混紡紗減少了與紡紗機(jī)件的摩擦次數(shù)，提高了紡紗效率。因此，利用半精紡工藝系統(tǒng)比精紡工藝系統(tǒng)在提高可紡性方面更占優(yōu)勢。

2.4 纖維表面改性處理

纖維表面改性是指利用物理或化學(xué)方法對纖維表面進(jìn)行一定的處理，從而改善纖維表面性能，是目前對纖維進(jìn)行改性的有效方法。目前常用的纖維表面改性方法有化學(xué)改性和等離子體改性?；瘜W(xué)改性是利用將纖維置于特定的化學(xué)溶劑中，通過化學(xué)溶劑的作用，達(dá)到改變纖維性狀的目的。但是由于化學(xué)改性過程具有污染環(huán)境、成本高、處理后的纖維質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn)，目前人們逐漸傾向于節(jié)能、無污染的等離子體和超聲波改性技術(shù)。

2.4.1 等離子體改性技術(shù)

等離子體改性是在一定溫度、壓力條件下利用等離子體中的活性粒子對纖維表面進(jìn)行轟擊，其主要是通過對纖維表面的改性，來提高纖維表面的潤濕性、粘結(jié)性和染色性。等離子改性與傳統(tǒng)纖維表面改性技術(shù)不同，它只是對材料表面極薄的一層進(jìn)行處理，往往在纖維表面50nm～100nm處發(fā)生物理或者化學(xué)變化，一般不會對纖維及其織物的整體性能產(chǎn)生影響。最近研究表明，無論是在空氣、氧氣、氦氣亦或者氦氣/氧氣環(huán)境下使用等離子體對芳砜綸纖維進(jìn)行表面改性時，都能使纖維的摩擦性能增強(qiáng)，纖維表面極性基團(tuán)增加，從而提高纖維表面潤濕性能[10]。

2.4.2 常溫超聲波改性技術(shù)

常溫超聲波改性技術(shù)是利用超聲波的空化與機(jī)械作用對纖維表面進(jìn)行刻蝕，以此來增加纖維表面的粗糙度和比表面積，增大纖維與樹脂界面間的機(jī)械粘結(jié)力。超聲波的空化作用會產(chǎn)生瞬時的高溫和高壓，在被處理纖維表面引入極性基團(tuán)，提高纖維復(fù)合材料界面的化學(xué)鍵合能力。彭浩凱等人[11]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲波處理后的芳砜綸纖維表面產(chǎn)生溝槽，其纖維表面逐漸變得粗糙，增強(qiáng)了纖維間的摩擦，從而提高纖維之間的抱合力。但是當(dāng)處理時間超過一定值時，纖維表面開始產(chǎn)生一些凸?fàn)畹乃槠炊档土死w維的界面結(jié)合能力，使改性效果適得其反。

等離子體改性能在一定程度上改善芳砜綸纖維的抱合性、吸濕性等性能，解決芳砜綸紡紗時的纏繞和靜電現(xiàn)象。目前超聲波技術(shù)處理纖維及其織物研究越來越深入，多用來提高纖維及其織物的潤濕性，而利用超聲波技術(shù)處理芳砜綸纖維的研究鮮有報道。但是相比傳統(tǒng)化學(xué)改性等方法，該技術(shù)處理芳砜綸具有效率高、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，且其對纖維的改性結(jié)果顯著。同時這兩種方法也有一定的弊端：等離子體處理具有時效性，不能長時間儲存，處理后的芳砜綸纖維強(qiáng)力下降，這對強(qiáng)力要求高的織物而言無疑是不利的；利用超聲波改性對纖維處理時，超聲波的頻率、處理的溫度以及處理時間的輕微改變都會對處理結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，必須將各個指標(biāo)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。

3 芳砜綸的用途

材料的性能決定其用途，國產(chǎn)芳砜綸具有多種優(yōu)良的性能，這就決定了芳砜綸具有廣泛的應(yīng)用潛能。目前芳砜綸已經(jīng)應(yīng)用在了很多領(lǐng)域，并取得了一定的進(jìn)展。

3.1 防護(hù)材料

芳砜綸優(yōu)良的耐高溫、阻燃性能，使其在高溫防護(hù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如消防服、消防戰(zhàn)斗服、防火服、爐前工作服、電焊工作服、防火簾、防火手套；在防輻射領(lǐng)域中防輻射工作服的生產(chǎn)；化工領(lǐng)域應(yīng)用的化學(xué)防護(hù)服。另外，還可用于制備宇航服、特種軍服、軍用蓬布等。

3.2 過濾材料

該過濾材料是指耐高溫、耐化學(xué)試劑、耐腐蝕等方面的過濾材料。由于在冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、電力工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中，都會不可避免地產(chǎn)生一些高溫含粉塵，這些粉塵的平均溫度在200℃左右。因此，用于產(chǎn)業(yè)用的過濾材料必須具有良好的耐高溫性及高溫穩(wěn)定性。而芳砜綸良好的耐熱性和抗熱氧老化穩(wěn)定性，且在270℃以內(nèi)能保持良好的尺寸穩(wěn)定性，以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等。因此，適宜用于這些領(lǐng)域的過濾材料，尤其適用于耐高溫濾料的制備，如煙道氣除塵過濾袋。

3.3 電絕緣材料

芳砜綸可用于電機(jī)絕緣材料、變壓器絕緣材料、防電暈絕緣板、絕緣無紡布、絮片和氈、印刷電路板等方面的應(yīng)用。此外，芳砜綸還可用于蜂窩結(jié)構(gòu)材料、飛機(jī)夾層材料、輪船夾層材料、隔音隔熱和自熄材料、護(hù)墻材料、復(fù)合材料等方面。

4 展望

芳砜綸纖維作為我國自主研發(fā)的高性能纖維，這是我國在高溫防護(hù)領(lǐng)域研究工作中取得的里程碑式的進(jìn)展。這不僅打破了在此之前我國耐高溫纖維全部依賴進(jìn)口的局面,同時也滿足了廣大的市場需求。但是，就芳砜綸自身存在的一些問題而言，又限制它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對芳砜綸性能的深入研究就顯得至關(guān)重要。