對位芳綸織物性能分析

朱正鋒，齊大鵬，任永芳，田玉玲，溫欣婷，姜明濤

（1．中原工學(xué)院；2．河南省功能性紡織材料重點實驗室，鄭州450007）

對位芳綸織物性能分析

朱正鋒1，2，齊大鵬1，2，任永芳1，2，田玉玲1，2，溫欣婷1，2，姜明濤1，2

（1．中原工學(xué)院；2．河南省功能性紡織材料重點實驗室，鄭州450007）

以中國神馬集團生產(chǎn)的對位芳綸纖維束和美國杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar49纖維束為實驗材料，織造不同規(guī)格的芳綸平紋織物，并測試織物的抗靜電性能和極限氧指數(shù)．通過纖維的紅外光譜測試和粘度檢測并計算其聚合度，比較分子結(jié)構(gòu)的差異，分析造成抗靜電性能和極限氧指數(shù)差別的原因．研究表明：2種纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)成分相同，但國產(chǎn)對位芳綸纖維的聚合度低于Kevlar49纖維．由于聚合度和纖維細度的差異，導(dǎo)致了國產(chǎn)對位芳綸織物的表面電阻大于Kevlar49織物，極限氧指數(shù)小于Kevlar49織物．

對位芳綸；紅外光譜；聚合度；抗靜電性能；極限氧指數(shù)

對位芳綸（PPTA）是一種高強、高模、低密度、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的高科技纖維，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通訊、汽車工業(yè)、體育休閑等領(lǐng)域［1－3］．本文以中國神馬集團生產(chǎn)的對位芳綸纖維束和美國杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar49纖維束為實驗材料，利用劍桿織機織造不同規(guī)格的芳綸平紋織物，并測試織物的抗靜電性能和極限氧指數(shù)．通過纖維紅外光譜測試和粘度檢測并計算其聚合度，比較分子結(jié)構(gòu)的差異，分析造成抗靜電性能和極限氧指數(shù)差別的原因，為對位芳綸的推廣和使用提供理論依據(jù)．

1 實 驗

1．1 實驗材料

國產(chǎn)對位芳綸纖維束 （中國神馬集團生產(chǎn)），規(guī)格為70tex／187f；Kevlar49纖維束（美國杜邦公司生產(chǎn)），規(guī)格為170tex／959f．

1．2 實驗儀器

Nicolet460紅外－拉曼光譜儀（美國尼高力公司）；GA193－600型全自動單紗整經(jīng)機；SGA598型劍桿小樣織機；LCK－305織物表面電阻測試儀；LLY－07A織物阻燃性能測試儀；LCK－09氧指數(shù)儀．

1．3 實驗方法

1．3．1 紅外光譜測試

把纖維剪碎后，同KBr混合，磨成粉末，制成KBr壓片，利用Nicolet460紅外－拉曼光譜儀檢測，分辨率為4 cm－1，每個樣品掃描36次．

1．3．2 聚合度計算

稱取國產(chǎn)對位芳綸纖維束和Kevlar49纖維束各1．5 g，利用質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸，配成質(zhì)量分數(shù)為1%的溶液；用 NDJ－1旋轉(zhuǎn)粘度計在（30±0．2）℃恒溫水浴中按 GB／T 1632－93規(guī)定測量其粘度η［4］，每種纖維束測3次，求其平均值，以此得到對位芳綸纖維的特性粘度［η］［5］；依據(jù)式（2）［6］計算粘均相對分子 量Mη；依據(jù)式（3）［7］計算粘均聚合度DPη．

式中：ηr為相對粘度；c為溶液濃度．

1．3．3 小樣織造

利用GA193－600型全自動單紗整經(jīng)機、SGA598型劍桿小樣織機織造幅寬為20 cm的3種規(guī)格的平紋組織小樣．為保證織物具有相同的緊度，織物的經(jīng)緯密規(guī)格設(shè)計如下：①國產(chǎn)對位芳綸纖維純紡織物，經(jīng)密為170根／10 cm，緯密為200根／10 cm；②用美國杜邦Kevlar49纖維束為經(jīng)紗、國產(chǎn)對位芳綸纖維束為緯紗織成的交織織物，經(jīng)密為120根／10 cm，緯密為200根／10 cm；③ Kevlar49 純 紡 織 物，經(jīng) 密 為120根／10 cm，緯密為130根／10 cm．1．3．4 織物表面電阻測試

試樣尺寸及數(shù)量：φ90 mm，1組3塊；測量定時：60 s；相對濕度：65%；溫度：20℃．1．3．5 極限氧指數(shù)測試

將試樣裁剪成長6 cm、寬5．7 cm大小后夾在試樣夾上；將試樣夾放在燃燒筒內(nèi)，打開氧氮供氣閥，選定合適的預(yù)設(shè)初始氧濃度，待氧氮濃度平衡后開始點火；待織物持續(xù)燃燒時開始計時，若織物燃燒完，則表明氧濃度過高，需調(diào)低氧濃度．如此反復(fù)數(shù)次，即可找到準確的試樣氧指數(shù)．

2 結(jié)果與討論

2．1 紅外光譜

2種纖維的紅外光譜測試結(jié)果如圖3所示．

圖3 紅外光譜圖

由圖3可以看出：國產(chǎn)對位芳綸纖維和美國杜邦Kevlar49纖維在1 640 cm－1處的吸收譜帶均比較強，它們是由C＝O伸縮振動引起的，即酰胺Ⅰ譜帶；1 540 cm－1和1 260 cm－1處的吸收譜帶分別是由O＝C－N、N－H的變形耦合振動引起的，即酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ譜帶，酰胺Ⅲ吸收譜帶比酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ吸收譜帶弱得多；650 cm－1和520 cm－1處的吸收譜帶分別是由N－C＝O面內(nèi)彎曲振動和C＝O面外彎曲振動引起的，即酰胺Ⅲ吸收譜帶；而720 cm－1處的吸收譜帶是由N－H面外彎曲振動引起的，是酰胺Ⅴ吸收譜帶．因此，可以認定國產(chǎn)對位芳綸纖維和美國杜邦Kevlar49纖維結(jié)構(gòu)基本一致，均由聚對苯二甲酰對苯二胺構(gòu)成．

在838 cm－1和696 cm－1附近處的吸收峰可以證明2種纖維中苯環(huán)結(jié)構(gòu)的存在；在3 300～2 800 cm－1處都沒有C－H伸縮振動吸收峰，表明2種纖維分子結(jié)構(gòu)中沒有－CH3、－CH2－等飽和鍵．因此，2種纖維均為全芳香族酰胺．

2．2 聚合度

利用NDJ－1旋轉(zhuǎn)粘度計在（30±0．2）℃的恒溫水浴中按GB／T 1632－93規(guī)定測量得到國產(chǎn)對位芳綸纖維的粘度為6．787 Pa·s，Kevlar49纖維的粘度為15．367 Pa·s．由聚合度與粘度的關(guān)系式進行計算可知，國產(chǎn)對位芳綸纖維的分子量和聚合度分別為18 898．76和 79．4，小 于 Kevlar49 纖 維 的 分 子 量27 934．31和聚合度117．4．測試結(jié)果如表1所示．由此可以推斷Kevlar49纖維比國產(chǎn)對位芳綸纖維具有更高的結(jié)晶取向度和更好的力學(xué)性能．

表1 粘度測試結(jié)果

2．3 織物表面電阻

織物表面電阻測試結(jié)果如表2所示．

表2 織物表面電阻測試結(jié)果

由表2可知，電阻值排序為：國產(chǎn)對位芳綸纖維束純紡織物＞美國杜邦Kevlar49纖維束與國產(chǎn)對位芳綸纖維束交織織物＞美國杜邦Kevlar49纖維束純紡織物．因而抗靜電性能排序為：國產(chǎn)對位芳綸纖維束純紡織物＜美國杜邦Kevlar49纖維束與國產(chǎn)對位芳綸纖維束交織織物＜美國杜邦Kevlar49纖維束純紡織物，國產(chǎn)對位芳綸織物的導(dǎo)電性低于Kevlar49織物．從纖維角度分析，這是由于Kevlar49纖維的聚合度大于國產(chǎn)對位芳綸纖維的聚合度，晶區(qū)與非晶區(qū)間隔密度增大，導(dǎo)致電阻增大，降低了導(dǎo)電性能．從織物角度分析，這是由于國產(chǎn)對位芳綸纖維的細度大于Kevlar49纖維的細度，在緊度相同的情況下，Kevlar49纖維束中的纖維根數(shù)明顯增加，在同等測試條件下，相當(dāng)于增加了空氣介質(zhì)層數(shù)，增大了織物的表面電阻．

2．4 極限氧指數(shù)

極限氧指數(shù)測試結(jié)果如表3所示．

表3 阻燃性能測試結(jié)果

由表3可知，國產(chǎn)對位芳綸織物和Kevlar49織物均具有良好的阻燃性能，織物的阻燃性排序為：美國杜邦Kevlar49纖維束純紡織物＞美國杜邦Kevlar49纖維束與國產(chǎn)對位芳綸纖維束交織織物＞國產(chǎn)對位芳綸纖維束純紡織物．從纖維角度上講，由于Kevlar49纖維具有較高的聚合度和結(jié)晶度，增大了結(jié)晶區(qū)與非晶區(qū)的間隔密度，從而起到了更好的阻燃效果．從織物角度上講，雖然三者緊度相同，但是由于各自的纖維束規(guī)格不同，使得國產(chǎn)對位芳綸織物的經(jīng)緯密均大于Kevlar49纖維織物，而Kevlar49纖維的細度比較小，從而其纖維密度要遠遠大于國產(chǎn)對位芳綸纖維束的纖維密度．隨著纖維間空氣介質(zhì)層數(shù)的增加，導(dǎo)致熱阻的增加，造成了較小的燃燒速率，所以，Kevlar49纖維織物的阻燃性要高于國產(chǎn)對位芳綸織物．因此，3種織物的阻燃性排序為：美國杜邦Kevlar49纖維束純紡織物＞美國杜邦Kevlar49纖維束與國產(chǎn)對位芳綸纖維束交織織物＞國產(chǎn)對位芳綸纖維束純紡織物．

3 結(jié) 語

（1）通過紅外光譜測試和粘度的檢測并計算其聚合度，得出國產(chǎn)對位芳綸纖維和美國杜邦Kevlar49纖維結(jié)構(gòu)基本一致，均由聚對苯二甲酰對苯二胺構(gòu)成，但國產(chǎn)對位芳綸纖維聚合度小于美國杜邦Kevlar49纖維的聚合度．

（2）由于國產(chǎn)對位芳綸纖維的聚合度小于Kevlar49纖維，而其纖維細度大于Kevlar49纖維，造成了國產(chǎn)對位芳綸織物的表面電阻大于Kevlar49織物，其極限氧指數(shù)小于Kevlar49織物．

［1］Volokhina A V．High－strength Aramid Fibres Made from Polymer Blends［J］．Fibre Chemistry，2000，32（4）：230－234．

［2］Memeger，W Jr．“Mimetic”Molecular Composites of Kevlar49 Aramid／Poly（P－phenyleneter Ephthalamide）［J］．Journal of Materials Science，1999，34（4）：801－809．

［3］Mikhail，Vskaya A P，Dyankovat Y U，et al．Preparation of Para－aramid Fabrics for Finishing Operations［J］．Fibre chemistry，2002，34（1）：62－65．

［4］Tassinari．Advances in Militray Protective Clothing［J］．American Textile，1991，20（3）：32－38．

［5］Cunniff．An－analysistem Effects in Nonwoven－fabrics under Ballistic－Impact［J］．Non－woven Industry，1991，22（4）：28－30．

［6］Wilde．Photographic Investigation of High Speed Impact on Nylon Fabric［J］．Industry Fabric Product Review，1993，69（1）：42－43．

［7］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．

Analysis of Fabrics Made by PPTA

ZHU Zheng－feng1，2，QI Da－peng1，2，REN Yong－fang1，2，TIAN Yu－ling1，2，WEN Xin－ting1，2，JIANG Ming－tao1，2
（1．Zhongyuan University of Technology；2．Henan Key Laboratory of Functional Textiles Material，Zhengzhou 450007，China）

Taking Aramid 1414 fibers made in China and Kevlar49 fibers made in the USA as experimental materials were used in this paper．Different norms of plain clothes were weaved to test the properties of antistatic agent and LOI．The differences of molecule structures were tested and contrasted through infrared spectrum and degree of polymerization by the detections of viscosity to explain the distinctions of antistatic agent and LOI．Research shows that molecule structures of this two fibers are same，but the degree of polymerization of Aramid 1414 fibers made in China is inferior to Kevlar49．The properties of China Aramid 1414 fabrics’surface resistance and LOI are inferior to Kevlar49 fabrics all on account of polymerization and fiber fineness．

para－aramid；infrared spectrum；polymerization；antistatic agent；LOI

TS101．923

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．006

1671－6906（2011）02－0022－03

2011－03－07

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目（102300410032）

朱正鋒（1957－），男，河南三門峽人，教授