幾種化學纖維熱性能對比

歐陽春 吳立群

(中國海誠工程科技股份有限公司研發中心，上海，201702)

化學纖維簡稱化纖，是以天然或人工合成的高分子物質為原料、經過化學或物理方法加工而制得的纖維的統稱。因所用高分子化合物來源不同，可分為以天然高分子物質為原料的人造纖維和以合成高分子物質為原料的合成纖維。化纖通常應用于紡織領域，但是隨著科技的進步，化纖作為特種材料因其優良的耐熱、絕緣、抗化學腐蝕等特性，被廣泛應用到各種領域，包括墻紙和禮盒包裝等各類裝飾材料［1］;RO膜、微濾膜［2］等以及汽車發動機上的空氣過濾紙［3］等過濾材料;電池隔膜［4］、堿性電池隔膜等各類電池隔膜材料以及絕緣紙［5］等絕緣阻隔材料;防彈衣、防彈頭盔以及航空航天材料等軍工材料［6-7］。因此，研究化纖的特性十分必要，其中熱性能是化纖最重要的性能之一。

本研究選擇天絲纖維、滌綸纖維、丙綸纖維及芳綸纖維為研究對象，其中，天絲纖維為纖維素纖維，屬人造纖維，而其他3種均為合成纖維。采用熱重分析儀以及差熱掃描量熱儀對4種化學纖維的熱性能進行測試，分析纖維在升溫過程中的變化規律以及在高溫下的降解規律，以期為化學纖維應用于較高溫度條件下提供理論依據。

1 實驗

1.1 原料

天絲纖維，1.7D×4 mm;滌綸纖維，0.3D×5 mm;丙綸纖維1.0D×5 mm;芳綸纖維為對位芳綸漿粕。

1.2 儀器

熱重分析儀 (TG)，TA公司;Q500差熱掃描量熱儀 (DSC)，Perkin Elmer Co，Pyris 1。

1.3 實驗方法

TG分析:氮氣氣氛，天絲纖維、滌綸纖維、丙綸纖維在升溫速率20、30、40、50℃/min下從室溫升至800℃，芳綸纖維在相同的升溫速率下從室溫升至1000℃。

DSC分析:氮氣氣氛，4種化學纖維，在升溫速率為10℃/min下由室溫升至300℃，然后降至室溫，而后再升至300℃，以第2次升溫的DSC曲線為分析對象。

2 結果與討論

2.1 DSC分析

對4種化學纖維進行DSC分析，圖1為4種纖維的DSC曲線。從圖1可以看出，天絲纖維和芳綸纖維沒有出現明顯吸熱峰和放熱峰，說明這兩種纖維在這個溫度范圍內穩定性較高，不出現明顯的相變以及晶型的轉變等變化。而滌綸纖維及丙綸纖維在升溫過程中出現明顯的吸熱峰:滌綸纖維的吸熱峰出現在242～264℃之間，峰值溫度為255℃，該溫度段為滌綸纖維的熔化溫度;丙綸纖維的吸熱峰出現在151～171℃之間，峰值溫度為161℃，即該丙綸纖維的熔點為161℃。滌綸纖維及丙綸纖維在熱加工處理時，可根據DSC的吸熱峰的溫度范圍來確定熱加工的溫度。

2.2 TG分析

2.2.1 升溫速率對化學纖維熱解特性的影響

對4種化學纖維在不同升溫速率下進行熱失重分析，升溫速率分別為20、30、40、50℃/min，得到如圖2所示的TG曲線。由圖2可知，隨著升溫速率的提高，4種化學纖維的快速分解階段不斷向高溫區偏移，即隨著升溫速率的升高，4種化學纖維的快速熱解溫度也不斷提高。從圖2中天絲纖維的TG曲線可以看出，不同升溫速率下天絲纖維熱解后剩余殘渣的量基本一致，丙綸纖維也呈現同樣的規律，但丙綸纖維熱解后幾乎沒有殘渣存在，熱解后剩余殘渣無限接近于0。不同升溫速率對滌綸纖維和芳綸纖維熱解后殘渣的量有顯著影響，滌綸纖維殘渣的量隨升溫速率的升高呈增多趨勢，而芳綸纖維熱解后的殘渣量隨升溫速率的變化并不呈規律性。天絲纖維和芳綸纖維在100℃左右均出現較小失重，該溫度段的失重主要為水分蒸發所致，天絲纖維屬纖維素纖維，具有較好的親水性，而芳綸纖維也具有較好的親水性;滌綸纖維和丙綸纖維在100℃左右并未出現明顯的失重，說明滌綸纖維和丙綸纖維親水性較差。在同一升溫速率下，芳綸纖維的熱分解溫度最高，其次為丙綸纖維和滌綸纖維，天絲纖維分解溫度最低。天絲纖維為天然高分子，其耐熱性較其他3種合成高分子的纖維差。

圖1 4種化學纖維DSC曲線

2.2.2 纖維的熱分解動力學模型

用熱重分析儀研究反應動力學的方法有等溫法和非等溫法。等溫法實驗時間長，相對誤差較大，已很少使用。非等溫動力學法具有測定快速、溫度范圍寬等優點，使用較為廣泛［8-9］。本實驗采用具有代表性的Kissinger法非等溫動力學方法，通過測定在不同升溫速率條件下的參數，獲得有關動力學參數。通過研究化學反應速率隨時間、溫度和轉化率的變化，求出反應活化能和反應級數等動力學參數。

圖2 4種化學纖維不同升溫速率下的TG曲線

表1 4種化學纖維采用Kissinger法所得活化能E和頻率因子A計算結果

Kissinger法公式［10］見式 (1)。

式中，Tp為峰值溫度，K;E為反應活化能，kJ/mol;A為頻率因子;R為氣體常數，J/(mol·K);β為恒定升溫速率，K/min。

Kissinger法的優點是只在不同升溫速度下做DTG曲線，而無需知道所測試樣的反應機制即可求得表觀活化能。圖3為4種化學纖維的DTG曲線。

當反應速度達到最大時，升溫速度對DTG峰底溫度的影響服從關系式 (1)。根據圖3曲線的峰值溫度及式 (1)可以分別計算出ln和1/Tp，對其運用最小二乘法進行擬合可得直線，如圖4所示，利用直線的斜率和截距可以求出活化能E和頻率因子A，計算結果見表1。

表1中4種化學纖維熱解的線性擬合相關系數均在0.99以上，相關性都較高。4種化學纖維的熱解活化能分別為 128.66、125.12、153.58、211.19 kJ/mol，頻率因子lnA分別為 36.29、34.11、36.93、41.80。芳綸纖維的熱解活化能最高，滌綸纖維活化能最低。綜合熱解溫度及熱解活化能來看，芳綸纖維的熱穩定性最高，而天絲纖維的熱穩定性較差，在生產耐熱材料時可以考慮采用芳綸纖維。

3 結論

3.1 通過差熱掃描量熱法對天絲纖維、滌綸纖維、丙綸纖維、芳綸纖維4種化學纖維的差熱掃描量熱法(DSC)熱性能進行分析，發現天絲纖維和芳綸纖維在室溫至300℃范圍內不出現明顯的吸熱峰，即在此溫度范圍內不出現相變，有較好的穩定性;而滌綸纖維和丙綸纖維分別在255℃和161℃出現吸熱峰，該吸熱峰為兩種化學纖維的吸熱熔化段，滌綸纖維熔點較丙綸纖維要高出很多。

3.2 通過熱重分析法 (TG)對4種化學纖維的TG分析發現，隨著升溫速率的提高，4種化學纖維的熱分解溫度也隨之提高;同一升溫速率下，不同化學纖維的熱分解溫度由高到低依次為芳綸纖維、丙綸纖維、滌綸纖維、天絲纖維。

3.3 采用Kissinger法對4種化學纖維進行熱解動力學計算，得到天絲纖維、滌綸纖維、丙綸纖維、芳綸纖維的熱分解表觀活化能分別為128.66、125.12、153.58、211.19 kJ/mol，芳綸纖維的熱解活化能最高，其熱穩定性最高。

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