纖維材料動態(tài)熱機械性能分析方法的研究

季 軒，周麗華，王 偉，韓春艷

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

動態(tài)熱機械分析(DMA)是一種在程序控溫下對試樣施加交變應(yīng)力(或應(yīng)變)，測量材料的應(yīng)變(或應(yīng)力)隨溫度、時間或頻率響應(yīng)的熱分析方法。動態(tài)力學(xué)試驗可以獲得材料的儲能模量(E′)、損耗模量(E″)及損耗角正切(Tan δ)等信息，研究其粘彈性特征[1-2]。

DMA是公認(rèn)的靈敏度最高的測定材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的方法[3]，它只需要很少的樣品就能夠在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)進(jìn)行試驗，是研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的有效手段。除了研究材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度外，DMA還應(yīng)用于表征材料的次級轉(zhuǎn)變，表征共混高分子材料的相容性，表征高分子材料的阻尼性能以及評價高分子材料耐環(huán)境能力等領(lǐng)域[4]。

目前，一些學(xué)者在不同的領(lǐng)域?qū)Σ牧系膭討B(tài)熱機械性能分析方法展開了研究。王博等利用動態(tài)熱機械分析儀研究了橡膠的物理性能，研究結(jié)果表明與差示掃描量熱儀(DSC)相比，DMA除了能夠測試材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，還可以根據(jù)頻率外推曲線得到材料在不同頻率下的應(yīng)用情況[5]。樓倩等利用動態(tài)熱機械分析儀對印制電路板(PCB)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的分析方法展開了研究，重點對測試過程的影響因素展開了分析，探索了合適的測試條件[6]。王丹等開展了橡膠加工分析儀(RPA)與DMA測試炭黑填充胎面膠動態(tài)熱機械性能的比對研究，以比較兩種方法的優(yōu)劣[7]。

現(xiàn)在大多數(shù)動態(tài)熱機械分析儀均配備了懸臂、拉伸、壓縮、剪切等不同類型的夾具以滿足樣品的測試需求，但是這些夾具大都要求樣品為樣條、片材、膜等，難以對纖維樣品進(jìn)行直接測試。研究纖維材料動態(tài)熱機械性能分析方法，對于提高儀器利用率，拓展儀器功能有一定的意義。

本文利用動態(tài)熱機械分析儀對纖維材料進(jìn)行分析，從夾持方式、預(yù)加張力、夾持距離、升溫速率等方面對測試結(jié)果的影響因素進(jìn)行了研究，提出了較為可靠的分析方法。

1 試 驗

1.1 試驗設(shè)備

DMA 8000動態(tài)熱機械分析儀，美國Perkin Elmer公司。

1.2 試驗材料

滌綸DT絲，規(guī)格為135D/36F，自制。

1.3 試驗方法

纖維樣品經(jīng)過前處理后，使用拉伸夾具固定在振動軸上，在不同的測試條件下對樣品進(jìn)行動態(tài)熱機械分析。從分析結(jié)果圖譜中，可以求得儲能模量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg(E′)、損耗模量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg(E″)以及tanδ峰值溫度T(tanδ)等特征溫度點。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾持方式對分析結(jié)果的影響

DMA 8000動態(tài)熱機械分析儀的拉伸夾具是由上下兩個獨立部件構(gòu)成，夾片為金屬材質(zhì)，主要夾持材料為薄膜、板材等，難以直接夾持纖維材料。為了讓纖維樣品穩(wěn)定地固定在夾具中，需要對纖維進(jìn)行前處理，將其兩端的厚度增加，使其能夠被金屬夾片夾住不滑脫。本文對兩端打結(jié)法、膠水封端法、錫箔封端法、鋁箔封端法等多種前處理方法進(jìn)行試驗，探索最合適的前處理方法。

兩端打結(jié)法是將纖維兩端通過打結(jié)的方式增加厚度，但是在實際操作中發(fā)現(xiàn)該方法難度較大，在打結(jié)過程中會使纖維束中一些纖維發(fā)生滑移，導(dǎo)致部分纖維松脫；而且，此方法較難控制夾持距離，纖維結(jié)經(jīng)常露出夾具導(dǎo)致試驗失敗。

膠水封端法是用耐熱膠將纖維兩端粘結(jié)，使纖維不易在夾具中滑移的方法，但是在實際操作中發(fā)現(xiàn)，膠水在滴上纖維時會使纖維散開，導(dǎo)致一部分纖維在樣品拉緊時處于松弛狀態(tài)，影響試驗工作的開展。

錫箔封端法和鋁箔封端法都是用金屬片將纖維兩端包裹，增加纖維與夾具間接觸面積的方法，區(qū)別在于所用金屬的材質(zhì)不同。這兩種方法操作簡單，易于控制夾持距離，制得的樣品能夠穩(wěn)定地固定在夾具中。由于鋁箔的耐熱性高于錫箔，為防止在加熱過程中錫箔發(fā)生熔融黏在夾具上，鋁箔封端法是較為合適的前處理方法。

表1 鋁箔封端法測試精密度的試驗結(jié)果

表1為使用鋁箔對纖維封端的精密度試驗結(jié)果，從表中可以看出，樣品的Tg(E′)、Tg(E″)、Tg(Tan δ)均在一定的范圍內(nèi)波動，各溫度點的極差均在1℃以內(nèi)，精密度較好。

2.2 預(yù)加張力對纖維動態(tài)熱機械性能的影響

表2和圖1為不同預(yù)加張力的試驗結(jié)果。從表中可以看出，當(dāng)預(yù)加張力為0.05 cN/dtex時，樣品處于半松弛狀態(tài)，無法得到試驗結(jié)果；當(dāng)預(yù)加張力為0.25～0.45 cN/dtex時，樣品各特征溫度點變化很小，試驗結(jié)果較為穩(wěn)定；當(dāng)預(yù)加張力大于0.55 cN/dtex時，樣品的試驗結(jié)果發(fā)生較大波動，試驗結(jié)果的穩(wěn)定性降低，從圖中可以更加直觀地觀察到這一趨勢。

表2 不同預(yù)加張力的試驗結(jié)果

圖1 不同預(yù)加張力的試驗結(jié)果

2.3 夾持距離對聚酯纖維動態(tài)熱機械性能的影響

表3為不同夾持距離的試驗結(jié)果，從表中可以看出，夾持距離過短時樣品的動態(tài)熱機械性能發(fā)生明顯變化，夾持距離為5 mm和10 mm時樣品的試驗數(shù)據(jù)變化不明顯；夾持距離對樣品Tg(tan δ)影響較小，對Tg(E′)和Tg(E″)影響較大?？紤]到鋁箔封端法在較長的夾持距離條件下能夠制得更加穩(wěn)定樣品，所以夾持距離選擇10 mm為宜。

表3 不同夾持距離的試驗結(jié)果

2.4 升溫速率對纖維動態(tài)熱機械性能的影響

表4為不同升溫速率的試驗結(jié)果。從圖中可以看出，隨著升溫速率的提高，樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，說明選擇一個合適的升溫速率十分重要?？紤]到動態(tài)熱機械分析儀爐體較為巨大，為保證爐體中不同位置的溫度變化相同，應(yīng)該以一個較低的升溫速率進(jìn)行試驗工作。因此選擇2℃/min。

表4 不同升溫速率的試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

a) 使用鋁箔對纖維樣品進(jìn)行前處理，能夠得到較為穩(wěn)定的試驗結(jié)果。

b) 預(yù)加張力控制在0.25～0.45 cN/dtex，試驗結(jié)果較為可靠。

c) 樣品的夾持距離為10 mm時，既能夠保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定可靠，又能夠保證前處理的穩(wěn)定性。

d) 考慮儀器的爐體較大的影響，升溫速率設(shè)置為2℃/min為宜。