PBO纖維力學(xué)強(qiáng)度表征其耐酸性的研究

劉姝瑞　譚艷君　霍倩　韓軍強(qiáng)

摘要：為研究PBO纖維的耐酸性，本文采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸、硝酸、鹽酸分別對(duì)PBO纖維處理不同時(shí)間，通過(guò)對(duì)處理后纖維力學(xué)性能的表征，并根據(jù)耐酸性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PBO纖維的耐酸性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，60%的硫酸處理24 h，纖維強(qiáng)力保持率為20.95%；40%的硝酸處理24 h，纖維強(qiáng)力保持率為39.05%；37%鹽酸處理24 h，纖維強(qiáng)力保持率為34.1%。PBO纖維經(jīng)酸處理前后的力學(xué)性能直觀的反應(yīng)纖維的耐酸性。

關(guān)鍵詞：聚對(duì)苯基苯并二噁唑纖維；強(qiáng)力保持率；耐酸性

中圖分類號(hào)：TS195.54文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-265X（2017）04-0015-05Research on Acid Resistance Property of PBO fiber

Characterized by Its Mechanical Strength

LIU Shuruia， TAN Yanjuna， HUO Qianb， HAN Junqianga

（a.School of Textile and Materials， b.Cooperative Innovational Center for Technical

Textiles Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）Abstract：In order to study acid resistance property of PBO fiber， H2SO4， HNO3 and HCl with different concentration were used to treat PBO fiber for different time. Mechanical properties of the treated fiber were characterized. Acid resistance property of PBO fiber was tested according to acid resistance test criteria. The results show that after the PBO fibers were treated by 60% H2SO4， 40% HNO3 and 37% HCl for 24 hours， the strength retention rates are 20.95%， 39.05%， and 34.1% respectively. And the mechanical properties of PBO fiber before and after acid treatment can vividly reflect acid resistance property of PBO fiber.

Key words：polypphenylene benzobisoxazole fiber； strength retention rate； acid resistance property

PBO纖維因其良好的性能被廣泛應(yīng)用，主要用途[89]為增強(qiáng)材料、耐熱防護(hù)服、防彈防護(hù)設(shè)備及服裝等。防護(hù)產(chǎn)品是PBO一大特色應(yīng)用，而目前尚無(wú)對(duì)PBO纖維耐酸性測(cè)試的研究，因此對(duì)PBO纖維的耐酸性研究十分重要。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：PBO纖維（日本Toyobo公司）。

藥品：鹽酸、硫酸、硝酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇（分析純，西安三浦化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：YG（B）006型電子單纖強(qiáng)力儀（寧波紡織儀器廠），KYKY2800掃描電子顯微鏡（中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司），JA3003N電子天秤（上海精密科學(xué)儀器有限公司），A0035電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

用電子天平稱取0.02 g清洗干燥后的PBO短纖維若干份，并配制2 mol/L氫氧化鈉溶液，用于PBO纖維酸處理后對(duì)PBO的清洗。

配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸溶液各25 mL，然后分別量取3 mL配置好的溶液倒入清洗干凈的燒杯中，各量取4份，放入0.02 g PBO纖維，使纖維完全浸泡在溶液中，將燒杯放在避光環(huán)境中。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%，硝酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%，鹽酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、25%、37%，各溶液分別處理2、6、15、24 h。

酸處理后，用配制的氫氧化鈉溶液洗滌多次，再用大量蒸餾水沖洗，直到洗滌液呈中性。

2結(jié)果與討論

2.1硫酸對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

2.1.1硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響如圖1所示。纖維強(qiáng)力和強(qiáng)力保持率隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。20%的硫酸對(duì)PBO纖維強(qiáng)力的影響較小，經(jīng)過(guò)24 h處理的纖維強(qiáng)力保持率仍然在75%以上，說(shuō)明PBO纖維耐20%的硫酸性能較好。40%的硫酸處理PBO纖維，強(qiáng)力下降迅速，此時(shí)處理時(shí)間為2 h，纖維強(qiáng)力保持率為56.25%，而處理6 h強(qiáng)力保持率為44.36%，強(qiáng)力下降55.64%，說(shuō)明40%的硫酸對(duì)纖維強(qiáng)力下降影響十分巨大，幾乎不再具備服用性能。60%的硫酸處理PBO纖維，可看到纖維強(qiáng)力損傷特別大，強(qiáng)力保持率均在21%以下，處理2 h的纖維強(qiáng)力僅剩7.31 cN，此時(shí)的纖維幾近溶解。說(shuō)明纖維不耐60%的硫酸。

2.1.2硫酸處理時(shí)間PBO纖維力學(xué)性能的影響

不同處理時(shí)間對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響如圖2所示。隨著處理時(shí)間的增加，纖維強(qiáng)力下降，纖維強(qiáng)力保持率降低。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理的前2 h，是纖維強(qiáng)力下降最快的階段。3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸處理6 h后，纖維強(qiáng)力下降開(kāi)始趨緩，說(shuō)明硫酸對(duì)纖維強(qiáng)力的影響主要在前6 h。20%的硫酸處理2 h，纖維強(qiáng)力保持率為86.62%，下降了13.38%；處理6 h，強(qiáng)力保持率為83.27%，相較于處理2 h的PBO纖維來(lái)說(shuō)，強(qiáng)力下降了3.87%；處理15 h，纖維強(qiáng)力保持率81.41%，與處理2 h相比，強(qiáng)力下降6.02%；處理24 h，強(qiáng)力保持率77.31%，強(qiáng)力下降22.69%，相較于處理2 h的纖維強(qiáng)力，下降了10.75%；說(shuō)明時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)硫酸處理纖維強(qiáng)力的影響較小，判斷纖維耐酸性，可以只用測(cè)試?yán)w維前6 h的強(qiáng)力變化趨勢(shì)。

圖2硫酸處理時(shí)間對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

總的來(lái)說(shuō)，酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維的損傷較大，PBO纖維不耐濃硫酸，在60%濃硫酸的作用下，幾乎溶解。處理時(shí)間對(duì)PBO纖維強(qiáng)力有一定影響，時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)力損傷越大，纖維處理6 h以后，強(qiáng)力下降幾乎呈線性，3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸處理6 h以后，下降趨勢(shì)幾乎一樣，說(shuō)明時(shí)間對(duì)PBO纖維強(qiáng)力的影響幾乎與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系不大。因此在對(duì)PBO纖維進(jìn)行耐硫酸測(cè)試時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)，觀察其前6 h強(qiáng)力變化即可。

2.2硝酸對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

2.2.1硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響如圖3所示。硝酸對(duì)PBO纖維的作用十分強(qiáng)烈，隨著硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維強(qiáng)力顯著降低，強(qiáng)力保持率也顯著降低，20%的硝酸作用于纖維15 h，纖維強(qiáng)力保持率僅為61.7%，40%的硝酸處理PBO纖維2 h，強(qiáng)力保持率為55.73%，硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維強(qiáng)力的影響很大，處理2 h的和處理6 h的強(qiáng)力下降速率幾乎一致，15 h和24 h的趨勢(shì)、下降速率幾乎也一致，說(shuō)明硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與強(qiáng)力之間存在一定的線性關(guān)系。硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，PBO纖維強(qiáng)力損傷極大，尤其是處理15 h和24 h，PBO纖維強(qiáng)力為0，15 h纖維只剩殘?jiān)?4 h纖維幾乎溶解。總體來(lái)講，PBO纖維耐硝酸性效果不好。

2.2.2硝酸處理時(shí)間對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

不同處理時(shí)間對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著處理時(shí)間的增加，纖維強(qiáng)力和強(qiáng)力保持率均有所下降。但是在處理15 h以后，纖維強(qiáng)力下降幅度很小，說(shuō)明硝酸對(duì)PBO纖維的作用主要集中在前15 h。60%的硝酸處理15 h，強(qiáng)力已經(jīng)為0，24 h PBO纖維幾乎溶解。因此硝酸處理PBO纖維的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

綜上所述，PBO纖維只在較短處理時(shí)間（2～6 h）對(duì)20%的稀硝酸保持較好的單纖強(qiáng)力。用硝酸處理PBO纖維，處理時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，濃度不應(yīng)過(guò)高，應(yīng)在20%左右；對(duì)纖維進(jìn)行耐硝酸性測(cè)試，只需要測(cè)試其前6 h的強(qiáng)力保持率。

2.3鹽酸對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

2.3.1鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響如圖5所示。隨著鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維強(qiáng)力迅速下降，纖維強(qiáng)力保持率降低。對(duì)于處理2 h的PBO纖維來(lái)說(shuō)，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～37%之間，強(qiáng)力下降速率基本一致，而處理6 h、15 h及24 h的PBO纖維，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～37%的強(qiáng)力下降速率較大，說(shuō)明其強(qiáng)力下降速率隨著鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高而增大。37%的濃鹽酸處理PBO纖維6 h以上，其強(qiáng)力均低于17.5 cN，強(qiáng)力保持率低于50%，所以此時(shí)其基本失去良好的服用價(jià)值。25%的鹽酸處理24 h強(qiáng)力保持率53.18%，15%的鹽酸處理24 h強(qiáng)力保持率為57.54%，15%～25%鹽酸處理15 h以內(nèi)強(qiáng)力保持率在60%以上，說(shuō)明PBO纖維在15 h以內(nèi)對(duì)低濃度和中濃度的鹽酸有較好的強(qiáng)力保持率。

2.3.2鹽酸處理時(shí)間對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響

鹽酸的不同處理時(shí)間對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的影響如圖6所示。由圖6可知，隨著處理時(shí)間的增加，纖維強(qiáng)力下降，強(qiáng)力保持率下降，同時(shí)通過(guò)強(qiáng)力下降速率可以看出，隨著時(shí)間的增加，纖維強(qiáng)力下降減慢，趨于平緩，說(shuō)明鹽酸處理纖維對(duì)纖維作用主要集中在前2 h。質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大的鹽酸處理PBO纖維，前2 h纖維強(qiáng)力下降越大；2～6 h纖維強(qiáng)力下降速率隨鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。15%和25%的鹽酸處理PBO纖維其強(qiáng)力在0～24 h處理時(shí)，強(qiáng)力下降均小于37%鹽酸處理纖維的強(qiáng)力，即使處理時(shí)間為2 h，37%鹽酸強(qiáng)力下降小于60%，再一次說(shuō)明PBO纖維強(qiáng)力不耐37%的鹽酸。若要對(duì)PBO纖維進(jìn)行耐鹽酸測(cè)試，除了要考慮鹽酸濃度外，還需要對(duì)處理時(shí)間進(jìn)行考慮，由圖可看到，即使15%的鹽酸處理PBO纖維在24 h仍然有下降趨勢(shì)，而且下降趨勢(shì)較為明顯。因此處理時(shí)間也是纖維耐鹽酸測(cè)試中所必要的因素。

綜上所述，PBO纖維在24 h以內(nèi)對(duì)中低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸都有較好的強(qiáng)力保持率，對(duì)其進(jìn)行耐鹽酸測(cè)試時(shí)，時(shí)間和質(zhì)量分?jǐn)?shù)都需要進(jìn)行考慮。

2.4PBO纖維耐酸性比較

由于目前缺少對(duì)纖維耐酸性測(cè)試較好的標(biāo)準(zhǔn)，因此參考GB 24540—2009《防護(hù)服裝 酸堿類化學(xué)品防護(hù)服》標(biāo)準(zhǔn)[10]中關(guān)于防護(hù)服裝耐酸堿性測(cè)試中對(duì)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取的要求，選取80%硫酸，30%鹽酸，40%硝酸進(jìn)行對(duì)比。由于試驗(yàn)中沒(méi)有使用80%的硫酸，因此按照60%硫酸進(jìn)行對(duì)比。

由于本文實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有單獨(dú)測(cè)試30%鹽酸處理PBO纖維的強(qiáng)力，在之前分析的基礎(chǔ)上，采用25%～37%之間按線性規(guī)律計(jì)算得出，通過(guò)以上分析可知，實(shí)際強(qiáng)力應(yīng)略大于計(jì)算數(shù)據(jù)。

由圖7可知，PBO纖維強(qiáng)力均隨處理時(shí)間的增加而降低。硝酸的速率在處理2 h后，下降緩慢，可能是因?yàn)榍? h纖維損傷過(guò)大，已經(jīng)失去了服用價(jià)值。3種酸強(qiáng)力下降速率都隨著時(shí)間的增加而有所放緩，說(shuō)明酸對(duì)PBO纖維的影響主要集中在前幾小時(shí)，因此判斷PBO纖維是否耐酸，耐酸程度怎樣，只需要看它前2～6 h強(qiáng)力下降情況即可。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)服裝的要求，可以看到PBO纖維耐硫酸很差，耐鹽酸和硝酸要好一些。因此PBO纖維在作為防護(hù)服時(shí)，需要特別的對(duì)硫酸進(jìn)行防酸改性。

2.5掃描電鏡分析

通過(guò)纖維耐酸性比較，選取以上3種酸處理24h的纖維，進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試分析，如圖8所示。

由圖8可知，3種酸對(duì)PBO纖維的作用效果不同。具有超強(qiáng)氧化性的硝酸處理纖維，如圖8（c）所示，破壞纖維的整體結(jié)構(gòu)，纖維大量分裂，喪失服用性能；硫酸減弱纖維中原纖間的作用力，使纖維原纖化，纖維首先發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂后纖維中間致密部分被腐蝕，纖維強(qiáng)力大幅下降，同時(shí)纖維伴有扭結(jié)現(xiàn)象，從而使纖維強(qiáng)度的分散性增大，如圖8（a）所示；鹽酸使纖維表面產(chǎn)生腐蝕，如圖8（b）所示，摩擦度增加，并伴有表層剝落，降低纖維的強(qiáng)力。因此3種酸中鹽酸對(duì)PBO纖維腐蝕能力最小。

3結(jié)論

用3種酸處理PBO纖維，通過(guò)力學(xué)角度分析纖維的耐酸性，所得結(jié)果如下：

a）質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大的酸處理PBO纖維，其強(qiáng)力損傷越大，強(qiáng)力保持率越低；低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸處理PBO纖維，其強(qiáng)力損傷相對(duì)較小。

b）處理時(shí)間越長(zhǎng)，纖維強(qiáng)力下降越大，強(qiáng)力保持率越低。纖維強(qiáng)力下降的速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸放緩。

c）3種酸中，PBO纖維耐硝酸性最差，其次是硫酸，最好的是鹽酸。

d）纖維的耐酸性，可以通過(guò)用酸處理，并測(cè)試其前6 h的強(qiáng)力變化，就能判斷出纖維的耐酸性。纖維處理在6 h內(nèi)，其強(qiáng)力保持率小于60 %，說(shuō)明其耐酸性差。

e）對(duì)纖維耐酸性測(cè)試時(shí)，需要考慮酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維的影響。酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PBO纖維影響很大，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸短時(shí)間處理PBO纖維就能使其強(qiáng)力大幅下降，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸長(zhǎng)時(shí)間處理PBO纖維，強(qiáng)力雖有所下降，但下降速率很慢。

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（責(zé)任編輯：唐志榮）