高強(qiáng)度間位芳綸的制備及力學(xué)性能測(cè)試

任仲愷 楊文華 張愛華

(煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司，山東煙臺(tái)，264006)

1 研究背景

間位芳綸是目前世界上有機(jī)耐高溫纖維中發(fā)展最快、具有高附加值的軍民兩用特種化學(xué)纖維，擁有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、阻燃性、電絕緣性和耐輻射性，是航空、航天、國(guó)防、環(huán)保、化工和海洋開發(fā)等領(lǐng)域中的重要基礎(chǔ)材料[1]。工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部、財(cái)政部聯(lián)合制定了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，其中均明確支持發(fā)展芳綸及其復(fù)合材料。目前全球間位芳綸無(wú)論在生產(chǎn)規(guī)模還是生產(chǎn)技術(shù)上，都有了顯著的發(fā)展，低成本、高性能、差別化將成為未來的主要發(fā)展方向[2]。

2 研發(fā)思路

通過對(duì)聚合過程反應(yīng)釜的徑高比進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種新型反應(yīng)釜；通過對(duì)高黏度流體進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)外反式雙螺帶式攪拌裝置，實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)的快速和均勻。通過優(yōu)化聚合過程添加酰氯的方式，實(shí)現(xiàn)間苯二胺和間苯二甲酰氯的均勻快速反應(yīng)；通過冷媒系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中熱量的快速釋放，減少低聚物產(chǎn)生。

采用濕法加硼紡絲技術(shù)，利用硼元素降低間位芳綸紡絲中的氫鍵結(jié)合力，降低間位芳綸大分子的纏結(jié)程度，在牽伸過程中使纖維結(jié)構(gòu)更均勻、取向度更高；并且降低絲條在凝固浴中的凝固速率，使纖維皮層形成致密結(jié)構(gòu)，提高耐磨性；同時(shí)在水洗過程分段處理，從低溫水洗逐步提高溫度，使纖維中的溶劑緩慢釋放，保證纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，實(shí)現(xiàn)良好的力學(xué)性能和紡織加工性能[4]。

3 高強(qiáng)度間位芳綸的制備與測(cè)試

3.1 聚合物制備

3.1.1原料及設(shè)備

間苯二胺，間苯二甲酰氯，硼氫化鈉，N,N-二甲基乙酰胺，氫氧化鈣，氯化鈣，硼酸。

根據(jù)反應(yīng)所達(dá)到的黏度和轉(zhuǎn)速，對(duì)反應(yīng)釜徑高比進(jìn)行改進(jìn)，所采用的反應(yīng)釜徑高比限定在1.5∶1。攪拌裝置選擇內(nèi)外反向式雙螺帶式攪拌，保證聚合物在反應(yīng)過程中攪拌均勻。

3.1.2聚合物制備工藝

按照含固量占比13%～15%制備紡絲原液，保持反應(yīng)溫度20 ℃～30 ℃，按照反應(yīng)比例加入相應(yīng)的間苯二胺和間苯二甲酰氯反應(yīng)至聚合物黏度增加至250 Pa·s～300 Pa·s時(shí)，加入氫氧化鈣中和pH值至中性，此時(shí)加入硼氫化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的N,N-二甲基乙酰胺溶液，保持20 ℃～30 ℃，攪拌均勻，過濾，得到聚合物溶液。

記錄28d內(nèi)無(wú)臟器功能障礙的天數(shù)、患者ICU時(shí)間及28d病死率。采用GEM.Prem-ier3000血?dú)夥治鰞x監(jiān)測(cè)患者6h、24h、48h、72h的動(dòng)脈血乳酸,同時(shí)對(duì)每位患者的6h血乳酸清除率進(jìn)行計(jì)算。

3.2 紡絲工藝

3.2.1成形方式

上述聚合物溶液在25 ℃恒溫下通過噴絲板噴出，經(jīng)過硼酸和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的N,N-二甲基乙酰胺水溶液進(jìn)行凝固成形，此時(shí)固定噴絲速度在10 m/min以內(nèi)，保證牽伸比為負(fù)，確保纖維中的N,N-二甲基乙酰胺在凝固浴中均勻釋放，提高纖維皮層的結(jié)構(gòu)致密性。

3.2.2水洗方式

上述成形后的纖維先經(jīng)過0 ℃～10 ℃的低溫水洗和慢速拉伸，再經(jīng)過80 ℃～90 ℃的高溫水洗和快速拉伸，實(shí)現(xiàn)纖維內(nèi)部N,N-二甲基乙酰胺的快速釋放和分子取向的整齊分布。

3.2.3熱定形

經(jīng)過水洗后的纖維通過230 ℃高溫下的定形，再次對(duì)分子取向進(jìn)行整理，確保纖維中分子的取向度更高。

3.2.4上油和卷曲

熱定形后的纖維經(jīng)過抗靜電油劑進(jìn)行上油處理，再經(jīng)過卷曲和切斷，得到間位芳綸短纖維。

3.3 性能測(cè)試及表征

采用BROOKFIELD DV-II 型黏度計(jì) 4號(hào)轉(zhuǎn)子在(25±0.5)℃測(cè)試聚合物的黏度。

采用1835型烏氏黏度計(jì)(內(nèi)徑1.07 mm)濃硫酸體系測(cè)試聚合體特性黏數(shù)。

將制備得到的纖維利用JSM-6360LV型電子顯微鏡對(duì)纖維表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

采用Lenzing VIBROSKOP 400型單纖維強(qiáng)力儀對(duì)纖維細(xì)度及強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±4)%[5]。

4 結(jié)果與討論

4.1 聚合物黏度

常規(guī)間位芳綸與高強(qiáng)度間位芳綸聚合體黏度及特性黏數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 各間位芳綸聚合體黏度及特性黏數(shù)對(duì)比

序號(hào)聚合體含固量/%聚合體黏度/Pa·s聚合體特性黏數(shù)聚合體類型1234131513151301452892811.82.13.13.2常規(guī)常規(guī)高強(qiáng)高強(qiáng)

經(jīng)過上述改進(jìn)過的聚合反應(yīng)裝置制得的間位芳綸聚合體溶液黏度穩(wěn)定，聚合度高。

4.2 纖維形態(tài)

采用掃描電鏡對(duì)得到的纖維進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。高強(qiáng)度間位芳綸和常規(guī)間位芳綸電鏡照片如圖1和圖2所示。

圖1 高強(qiáng)度間位芳綸纖維

圖2 常規(guī)間位芳綸纖維

對(duì)比圖1和圖2可以看出，新工藝制得的高強(qiáng)度間位芳綸纖維表面結(jié)構(gòu)致密、光滑，成形效果較好。在紡絲過程中，高強(qiáng)度間位芳綸的生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定，毛絲少，可牽伸倍數(shù)高。

4.3 纖維力學(xué)性能

通過測(cè)試可知，不論聚合力含固量是13%還是15%，高強(qiáng)度間位芳綸的斷裂強(qiáng)度達(dá)4.7 cN/dtex以上，且斷裂伸長(zhǎng)率不低于30%，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 各間位芳綸應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)對(duì)比

序號(hào)線密度/dtex斷裂強(qiáng)力/cN斷裂伸長(zhǎng)率/%斷裂強(qiáng)度/cN·dtex-1楊氏模量/cN·dtex-112342.292.112.212.158.828.2710.8710.3027.1128.2430.1233.583.853.924.924.7960.2858.7262.1459.47

從表2數(shù)據(jù)可知，在本文工藝條件下，通過對(duì)聚合物以及紡絲工藝條件的控制，得到的間位芳綸的強(qiáng)度提升明顯。

4.4 紗線力學(xué)性能

高強(qiáng)度間位芳綸和常規(guī)間位芳綸紡出紗線的力學(xué)性能對(duì)比見表3。兩種芳綸紗線各自所用芳綸對(duì)應(yīng)的聚合體含固量均在13%～15%，任選兩個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試。

表3 兩種間位芳綸紗線力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比

芳綸種類線密度/tex斷裂強(qiáng)力/cN斷裂伸長(zhǎng)率/%常規(guī)1常規(guī)2高強(qiáng)1高強(qiáng)259.059.058.558.51 4801 5121 9802 01419.218.723.824.6

從表3測(cè)試結(jié)果可知，高強(qiáng)度間位芳綸紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率較常規(guī)間位芳綸紗線有了顯著提升。

4.5 面料力學(xué)性能

高強(qiáng)度間位芳綸和常規(guī)間位芳綸制成同規(guī)格面料的力學(xué)性能對(duì)比見表4。兩種芳綸面料各自所用芳綸對(duì)應(yīng)的聚合體含固量均在13%～15%。

表4 兩種間位芳綸面料力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比

芳綸種類單位面積質(zhì)量/g·m-2斷裂強(qiáng)力/N斷裂伸長(zhǎng)率/%撕破強(qiáng)力/N經(jīng)緯向常規(guī)1常規(guī)2高強(qiáng)1高強(qiáng)22102102102101 4801 3121 7851 62129.226.135.832.412295152138經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向

從表4測(cè)試結(jié)果可知，高強(qiáng)度間位芳綸制成的面料斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力較常規(guī)間位芳綸面料有了顯著提升。

5 結(jié)語(yǔ)

高強(qiáng)度間位芳綸的制備不僅需要紡絲工藝的改變，更需要對(duì)聚合物進(jìn)行改性提升，降低紡絲原液含固量的同時(shí)提高黏度，以此增加聚合物分子量。配合紡絲工藝的優(yōu)化，使纖維中分子排列的取向性更高，從而提升纖維表面結(jié)構(gòu)的致密性，達(dá)到提高纖維強(qiáng)度的目標(biāo)。采用此種聚合方式得到的間位芳綸在不改變間位芳綸的本質(zhì)特性的同時(shí)，還能提高所制成面料的耐用程度，延長(zhǎng)面料的使用壽命，降低使用成本。