產業用高性能纖維的理化性能分析

魏孟媛 隋陽華 薛文良

(1.上海出入境檢驗檢疫局，上海，200135;2.東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

高性能纖維(high performance fibers)是近年來纖維高分子材料領域迅速發展的一類特種纖維，通常是指具有高強度、高模量、耐高溫、耐環境、耐摩擦、耐化學藥品等特性的纖維。這類纖維主要應用于產業用紡織品中，特別是國防尖端工業領域用紡織品和復合材料。

高性能纖維的品種很多，主要分為高強高模纖維和功能型纖維兩大類。目前工業用紡織品的高強高模纖維主要有碳纖維和芳綸，工業用紡織品中用量最大的功能型纖維是耐高溫和阻燃纖維。本文主要分析了碳纖維、芳砜綸 (PSA)、芳綸1414(PPTA)、芳綸1313(PMIA)的理化性能。

1 纖維的表面形態分析

如圖1所示。

圖1 纖維的形態特征

采用光學投影顯微鏡法觀察、鑒別紡織纖維是一種最直觀的方法。將適量的纖維置于載玻片上，加上一滴去離子水為介質，蓋上蓋玻片，放在光學顯微鏡(OLYMPS BX51型)的載物臺上，在放大倍數為100倍的條件下觀察纖維的縱面形態結構，

由圖1可知，碳纖維較粗，在顯微鏡下完全不透光，呈黑色長桿狀，與其他常用纖維有較大差異，因此顯微鏡法可作為定性區分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。PSA和PMIA纖維在縱向表面上有一條清晰的條紋，而PPTA纖維表面形態則與大部分合成纖維相似，均為光滑圓形截面。因此，單純通過顯微鏡法無法區分 PSA、PPTA和PMIA纖維。

2 纖維的聚集態結構分析

紅外吸收光譜法是定性鑒定化合物及其結構的重要方法之一。取適量纖維，使用紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet Is 10型)，采用衰減全反射法(ATR)，掃描波數范圍:為4 000 ～400 cm－1，得到各種纖維的紅外特征譜圖，如圖2所示。

圖2 纖維的紅外光譜圖

從圖2(a)中可以看出，碳纖維為無機纖維，沒有官能團，所以其紅外光譜沒有特征吸收峰，這與其他常用纖維的紅外吸收有較大不同。因此，紅外光譜法可作為定性區分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。

圖2(b)所示為PSA纖維的紅外光譜圖，其特征譜帶非常明顯:酰胺中N—H鍵伸縮振動吸收峰為3 300～3 430 cm－1范圍內的單峰，具有仲酰胺吸收譜帶的典型特征;羰基的伸縮振動峰在1 666 cm－1附近;苯環骨架的伸縮振動峰在1 590和1 530 cm－1附近;颯基的不對稱伸縮振動吸收峰在1 300 cm－1附近;颯基的對稱伸縮振動吸收峰在1 150 cm－1附近。通過上述特征譜帶分析就可以實現對PSA纖維的快速定性鑒別［1-3］。

從圖2(c)和圖2(d)可以看出，因 PPTA和PMIA纖維具有相同的化學基團，它們的紅外吸收光譜非常相似;但由于前者是對位結構而后者是間位結構。因此，PMIA纖維在1 485和1 605 cm－1處苯環的特征吸收峰有異于PPTA纖維。由此可見，紅外光譜法也是有效鑒別PPTA和PMIA纖維的有效手段［4-8］。

3 纖維的熱性能

3.1 燃燒法

燃燒法是鑒別紡織纖維常用的方法，它簡單易行，不需要任何儀器設備，但需要有一定的經驗。纖維的組成成分不同，它們對燃燒所產生的化學反應及燃燒特征是不同的，據此可對纖維進行鑒別。用鑷子夾住少量纖維，緩慢靠近酒精燈火焰，觀察纖維靠近火焰、接觸火焰和離開火焰時的狀態情況;當纖維火焰熄滅時，嗅其氣味;當纖維冷卻后，觀察殘留物的狀態。高性能纖維燃燒狀態的描述如表1所示。

表1 纖維的燃燒特征

碳纖維遇熱不熔不縮，在火焰中像燒鐵絲一樣發紅，離開火焰后不燃燒，燃燒時會釋放出辛辣味，燃燒后的殘留物與原碳纖維狀態相似。可見，碳纖維的燃燒狀態與其他常用纖維有較大不同，因此，燃燒法可作為定性區分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。

3.2 熱失重法

利用德國Netzsch公司生產的STA449C型熱分析儀對纖維進行TGA測試。試驗條件一為:氮氣氣氛，氣流速度為20 mL/min;保護氣體亦為氮氣，流速為10 mL/min;溫度范圍為25～1 400℃，升溫速率為20℃/min。試驗條件二為:在20 mL/min氮氣氣氛下從25℃升溫至600℃，升溫速率為20℃/min，保護氣體10 mL/min氮氣;然后將氣氛切換為20 mL/min氧氣，并在600℃下保持10 min。

由圖3(a)可以看出，碳纖維在氮氣氣氛下在1 000℃左右時才開始呈現輕微失重的現象，且當溫度升至1 250℃時也只有約12%的失重。由此可知，在氮氣氣氛下碳纖維的耐熱性能非常好。但是，如果在600℃時將氣氛切換成20 mL/min氧氣，即使在溫度遠低于1 000℃(圖中的600℃)也會迅速完全失重，這是碳纖維的獨特性能。可見，熱失重法也不失為鑒別碳纖維的有效方法之一。

由圖3(b)可以看出，PSA、PPTA和PMIA三種纖維的TGA譜圖比較相似，它們的TGA曲線都可劃分成兩個階段。其中第一階段的失重率較大，是試樣的分解，為最主要的失重階段。PSA纖維的起始分解溫度為445.2℃，低于PPTA纖維的分解溫度542.5℃，略高于PMIA纖維的分解溫度422.1℃;三種纖維終止溫度時的殘渣量差距不大，分別為41.29%、42.71%、44.51%。PSA 纖維失重率為10%時的溫度為403℃，低于PPTA纖維，略低于PMIA纖維。綜上所述，根據TGA曲線分析，PSA纖維的耐熱穩定性和PMIA纖維較為接近，低于PPTA纖維。

圖3 高性能纖維的TGA曲線

4 其他性能

4.1 纖維的廣角X衍射測試

本文采用日本理學公司的D/max-2500PC型X-光衍射儀，試驗條件為:CuKα靶，電壓40 kV，電流350 mA，掃描速度 10°/min，掃描范圍 5°～60°。測試結果見圖4。

從圖4(a)中可以看出，無論是腈綸基碳纖維還是纖維素基碳纖維，都只在2θ=24°處出現一個特征衍射峰，因此廣角X衍射法(WAXD)也是定性鑒別碳纖維的方法。從圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)中可以看出，PSA、PPTA和PMIA纖維的特征峰都不止一個，詳細情況參見表2。

從表2中可以看出，PSA纖維在2θ=18.7°和2θ=41.5°處兩個特征衍射峰，分別對應 101、002晶面;PPTA 纖維在 2θ=22.6°、2θ=22.9°和 2θ=28.6°處的三個特征衍射峰，分別對應110、200和004 晶面;而 PMIA 纖維在 2θ=17.8°、2θ=23.5°和2θ=27.2°處的三個特征衍射峰，也分別對應110、200和004晶面。結合圖4和表2可以看出，WAXD可有效區分碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和 PMITA 纖維［9-11］。

圖4 高性能纖維的WAXD圖譜

表2 纖維的特征衍射峰

4.2 纖維的化學溶解性能

溶解法是鑒別纖維材料最常用的方法之一，具有簡單、快速、準確性高的優點。其基本原理是根據纖維的溶解特性，在一定條件下，不同纖維在特定溶劑中表現出不同的溶解特性。對于混紡產品，如果纖維的溶解性能不同，也可以采用溶解法對纖維成分進行定量檢測。

將少量纖維試樣置于小燒杯中，注入適量溶劑或溶液，在常溫下搖動5 min，觀察纖維的溶解情況。對于有些在常溫下難于溶解的纖維，將裝有試樣和溶劑或溶液的小燒杯加熱至沸騰并保持3 min，觀察纖維的溶解情況。碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和PMIA纖維的溶解情況如表3所示。

5 結語

(1)碳纖維較粗，在顯微鏡下完全不透光，呈黑色長桿狀。顯微鏡法可作為定性區分碳纖維和其他常用纖維的一種有效方法。但是，單純通過顯微鏡法無法對PSA、PPTA和PMIA纖維進行區分。

表3 纖維的溶解性能

(2)紅外吸收光譜法可快速區分碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和PMIA纖維，因此，它是鑒別這幾種纖維的有效途徑之一。

(3)碳纖維在氮氣氣氛下1 450℃時只有約12%的失重，而在氧氣氣氛下即使只有600℃也會迅速完全失重。PSA、PPTA和PMIA纖維也呈現出不同的玻璃化轉變溫度和裂解溫度。因此TGADSC同步熱分析也可以作為這幾種纖維的定性判別手段。

(4)碳纖維、PSA纖維、PPTA纖維和PMIA纖維在廣角X衍射下會呈現不同的特征衍射峰，因此通過WAXD圖譜即可實現對這四種纖維的定性鑒別。

(5)這四種纖維的化學溶解性能各有差異，可通過這些差異對其混紡織物進行定量分析。

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