聚苯硫醚長絲的光及熱穩定性研究

姜兆輝+孫航+郭增革+賈瞾+金劍+肖長發

摘要：聚苯硫醚（PPS）纖維是耐高溫過濾材料的首選原料。本文通過表面形態觀測和力學性能測試，研究了聚苯硫醚初生長絲的熱穩定性和光穩定性。結果表明，干熱空氣處理對PPS長絲的斷裂伸長率影響較大，而對斷裂強度的影響較??；沸水處理顯著影響纖維的斷裂強度而斷裂伸長率變化較小。因此，PPS長絲適于干熱環境下的過濾材料。經光照處理后，PPS長絲的斷裂強力和斷裂伸長率均顯著下降，其光穩定性較差，不適于直接暴露在日光下的戶外環境。

關鍵詞：PPS纖維；過濾材料；熱穩定性；光穩定性

中圖分類號：TQ317.2 文獻標志碼： A

Study on Photostability and Thermal Stability of PPS Filament

Abstract： PS fiber is an ideal high temperature-resistant filtration material. The paper investigates the photostability and thermal stability of PPS as-spun fiber by means of surface morphology observation and mechanical property test. The results show that after dry and hot air treatment， the elongation at break of PPS fiber varies greatly and the breaking tenacity changed slightly， while boiling water treatment has significant influence on the breaking tenacity but little influence on the elongation at break. Therefore， PPS fiber is suitable for being used as filtration material under dry and hot environment. After light treatment， both breaking tenacity and elongation at break of PPS fiber decrease significantly， and the photostability is poor， so PPS fiber is not suitable for being directly exposed to outdoor environment.

Key words： PPS fiber； filtration material； thermal stability； photostability

聚苯硫醚（PPS）纖維又稱對苯硫醚纖維或者聚苯撐硫醚纖維，具有優良的耐化學腐蝕性、耐熱性以及優異的力學性能等，因此廣泛用于工業過濾織物，如水泥廠煙氣過濾材料、熱電廠燃煤鍋爐的除塵袋、垃圾焚燒煙氣過濾材料及工業阻燃材料等。目前，在高溫過濾領域，PPS纖維是首選過濾材料，但較差的耐光性是制約其發展的瓶頸。因此，研究PPS纖維的熱穩定性和光穩定性，對于其在高溫戶外環境中的應用具有較強的指導意義。

1 實驗部分

1.1 原料

PPS初生長絲，中國紡織科學研究院；甘油，天津市致遠化學試劑有限公司，分析純。

1.2 纖維性能測試

1.2.1 直徑測量及表觀形態觀測

利用帶有CCD（Panasonic，WV-CP500D）照相的HD002C型纖維細度分析儀，采用投影法測量纖維的細度；借助甘油將纖維束離散成單纖維狀，測試50根纖維的直徑數據，并觀測纖維的縱向表觀形態。

1.2.2 線密度測試

式（1）中，Tt為實測線密度，dtex；mi為各實驗樣品所稱質量，g；n為纖維長絲根數；f為實驗樣品測試總次數；L為單個實驗樣品的測試長度，m。

式（2）中，Tti為各次測試的線密度，dtex；Tt為平均線密度，dtex。

1.2.3 力學性能

利用YG001N+型電子單纖維強力儀，實驗依據GB/T14344 —2008《化學纖維長絲拉伸性能試驗方法》。利用電子單紗強力儀測試5組PPS單纖維的斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長、斷裂伸長率等，取其各項力學性能指標的算術平均數作為該實驗樣品的力學性能指標。實驗過程中單位線密度預加張力為（0.05±0.01）cN/dtex，隔距長度為20mm，拉伸速度為20mm/min。

1.2.4 耐熱性能

依據GB/T6505—2008《化學纖維長絲熱收縮率試驗方法》，采用熱空氣和沸水兩種方式處理。處理后，通過纖維細度分析儀觀察兩種不同方式處理后PPS長絲表面形態的變化，并利用電子單纖維強力儀測試其力學性能。熱空氣處理在150℃的烘箱中，將PPS長絲分別處理 8、16和24h；將PPS纖維對折平放，用白坯布包好，放入沸水中分別處理10、20、30及40min，自然晾干后進行測試。

1.2.5 耐光性能

將PPS長絲分別在光照條件下曝曬5和10天，通過顯微鏡觀測其表面形態的變化，并測試其力學性能的變化，以力學性能的保持率表征PPS纖維的耐光照程度。

2 結果與討論

2.1 纖維的線密度及表觀形態

根據20組線密度測試結果，PPS長絲的平均線密度為15.61 dtex，變異系數為0.131%。其條干均勻度較好。依據式

式（3）中，d為纖維的直徑，mm；δ為纖維的密度值，PPS纖維取1.3g/cm3，據此纖維直徑的計算值為39.10μm，而利用纖維細度分析儀，測試平均直徑為37.05μm，兩者相當。因此，線密度取值15.61 dtex較為合理。

圖1為PPS長絲的表觀形態圖。由圖1（a）可知，PPS纖維表面比較光滑、有光澤，纖維粗細比較均勻。PPS纖維的橫向截面形態如圖1（b）所示，可看出PPS纖維截面呈近似圓形結構。目前，市場上除塵過濾材料中的PPS纖維多為圓形截面，但日本東洋紡開發出了三葉形的PPS纖維，其比表面積遠大于圓形截面PPS纖維，更適合制作過濾材料。

2.2 纖維的力學性能

圖 2 為PPS長絲的負荷-伸長曲線。由圖可知，PPS纖維的斷裂強力和斷裂伸長值較為集中，纖維力學性能的均一性較好，可任意取樣。本研究共測試5組試樣，每組試樣測試10根纖維，力學性能數據如表1所示。PPS初生長絲的斷裂強力為15.96cN，斷裂強度為1.02 cN/dtex，斷裂伸長達83.57mm，對應的斷裂伸長率高達416.9%，PPS初生長絲具備良好的可加工性。PPS纖維分子結構中苯環和硫原子交替連接形成的剛性分子鏈賦予其良好的力學性能。

2.3 纖維的熱穩定性

熱空氣處理前后PPS長絲的表觀對比如圖3所示。由圖可知，經熱空氣處理后，PPS纖維表面失去了原有的光澤和柔軟性，變得比較粗糙、硬挺。圖4為150℃熱空氣處理不同時間后的PPS長絲表觀形態。處理后纖維的顏色明顯變深，并且出現了輕微的彎曲。隨處理時間的延長，纖維表面出現輕微的損傷。150℃熱空氣處理24h后，纖維表面斷斷續續出現少許橫向裂紋，其表面更粗糙。

圖5為150℃熱空氣處理不同時間后PPS長絲力學性能的保持率。由圖可知，經150℃熱空氣處理后，纖維的斷裂強力略有下降，24h后其強力保持率仍在85%左右?？梢?，經150℃熱空氣處理后，PPS纖維仍可保持較高的斷裂強力，而斷裂伸長率大幅下降；經8h處理后，纖維斷裂伸長保持率僅為13.89%；經16和24h處理后，纖維的斷裂伸長保持率小于1%。由于所用纖維為初生長絲，其結構并不穩定，在熱處理過程中發生了解取向，因此斷裂伸長率顯著降低。

經沸水處理后，纖維的表觀形態如圖6所示。沸水處理后，PPS長絲出現了輕微的收縮，發生溶脹后直徑略有增大，條干出現輕微彎曲，纖維的光澤度略有下降，但優于熱空氣處理后的纖維。經沸水處理10min后，纖維遭受大面積的損傷，表面出現許多大大小小的凹坑；當沸水處理30min后，纖維表面除了大面積的凹坑之外，又出現了部分橫向裂紋，纖維受損程度逐漸增大；沸水處理時間達40min時，纖維表面的受損程度明顯增大，纖維表面逐漸變得不規則，并有刻蝕的痕跡?？梢姡琍PS纖維在沸水環境下其表面會出現不同程度的損傷，且損傷程度隨沸水處理的時間逐漸加重。因此，PPS纖維作為過濾介質，不適于濕熱環境下的過濾。

經沸水處理不同時間后PPS纖維的力學性能保持率如圖 7 所示。由圖可知，纖維經沸水處理之后的斷裂伸長保持率的變化較小，而對斷裂強力的影響要大于對斷裂伸長率的影響。斷裂強力和伸長率均隨沸水處理時間的延長呈先減小后增大的趨勢。這是因為開始階段初生長絲發生大分子的解取向，導致斷裂強力和伸長率減小。隨時間的延長，水分子逐漸滲入纖維內部，起到增塑劑的作用，剛性極強的PPS大分子鏈段柔性增強，導致大分子之間的纏結增多，因而斷裂強力和斷裂伸長率又開始增大。此外，在150℃的熱空氣中處理24h后纖維的斷裂強力保持率仍在90%左右，而在沸水中20min強力保持率可降至60%左右。因此，沸水對纖維表觀形態和力學性能的影響遠大于干熱空氣，PPS纖維適于干態的熱空氣環境。

2.4 纖維的光穩定性

光照處理前后纖維的表觀形態如圖8所示。經光照后，纖維表面出現了零星的細小裂紋。圖9所示為光照前后PPS纖維的負荷-伸長曲線。由圖9可知，經光照后PPS纖維的斷裂強度和斷裂伸長率顯著下降。表2為光照處理前后PPS纖維的力學性能指標。由表2可知，光照10天后，斷裂強力保持率僅為47.42%，斷裂伸長保持率為23.03%，并且纖維的斷裂伸長率變異系數較大，斷裂伸長較不穩定。因此，光照對PPS纖維力學性能的影響較大。

3 結論

本文首先通過纖維細度分析儀觀測了PPS長絲的直徑和橫縱向表觀形態，然后采用表觀形態的變化和力學性能保持率分析表征了PPS纖維的熱穩定性和光穩定性，得出如下結論：

（1）PPS初生長絲的截面近似圓形，縱向較光滑。PPS纖維分子結構中苯環和硫原子交替連接形成的剛性分子鏈賦予了其良好的力學性能。PPS初生長絲的斷裂強度為1.02cN/dtex，斷裂伸長率高達416.9%，具備良好的可加工性；

（2）干熱空氣處理對PPS纖維的斷裂伸長率影響較大，斷裂伸長保持率小于1%，而斷裂強力保持率在85%左右；沸水處理顯著影響PPS纖維的斷裂強力，而對斷裂伸長率影響較小。隨沸水處理時間的延長，纖維的斷裂強度和斷裂伸長率均先減小后增大。因此，PPS纖維較適于干熱、而非濕熱環境下的過濾材料；

（3）經過光照處理后，PPS纖維的斷裂強力和斷裂伸長率均顯著下降。光照10天后，其斷裂強力保持率僅為47.42%，斷裂伸長保持率為23.03%，PPS纖維的光穩定性較差，因此不適于直接暴露于日光下的環境。

參考文獻

[1] 張強. PPS與膜裂PTFE水刺耐高溫過濾材料的制備與性能研究[D]. 上海：東華大學，2014.

[2] 孟瀟，陳勇，孫曉祎，等. 線性高分子聚苯硫醚的合成及溶助劑循環利用的研究[J]. 現代化工，2012，32（2）：36-40.

[3] 黃煒，鄭奎照，鄭輝東，等. 電袋復合除塵器內煙氣成分對聚苯硫醚濾料的影響[J]. 高分子材料科學與工程，2013， 29（11）：36-41.

作者簡介：姜兆輝，男，博士，講師，主要研究方向為功能性纖維的結構與性能。

通訊作者：姜兆輝，E-mail：tjjzh_2005@163.com。

作者單位：姜兆輝、孫 航、郭增革、賈 瞾，山東理工大學紡織服裝學院；金 劍，中國紡織科學研究院生物源纖維制造技術國家重點實驗室；肖長發，天津工業大學省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室。

基金項目：科技部國家科技支撐計劃（2013BAE01B03）；山東省自然科學基金（ZR2014EMP004）；山東省高等學?？萍加媱濏椖浚↗14LA56）；生態紡織教育部重點室（江南大學）基金項目（KLET1401）。