芳香族聚酯液晶Vectran纖維的性能與應用

覃 俊,王 樺,陳麗萍,岳海生,陳佳月

(1.四川省紡織科學研究院,四川 成都610072;

2.高技術有機纖維四川省重點實驗室,四川 成都610072)

芳香族聚酯液晶Vectran纖維的性能與應用

覃 俊1,2,王 樺1,2,陳麗萍1,2,岳海生1,2,陳佳月1,2

(1.四川省紡織科學研究院,四川 成都610072;

2.高技術有機纖維四川省重點實驗室,四川 成都610072)

芳香族聚酯液晶Vectran纖維是一種新型的高性能纖維。分析了Vectran熱致液晶聚芳酯纖維的結構特征、力學性能、熱性能、耐化學性能、抗蠕變及耐摩擦性能,詳述了影響纖維力學性能的因素,介紹了該纖維的應用領域。

熱致液晶聚芳酯;Vectran纖維;結構和性能;應用

與柔性鏈高分子比較,液晶高分子最主要的特點是在力場中容易發生分子鏈取向,使高分子鏈呈伸直的剛性鏈構象,形成高度有序的微纖結構,且分子間存在較強的相互作用,從而賦予了液晶高分子材料很高的拉伸強度和模量。

1963年美國Dupont公司用低溫溶液縮聚法合成全芳香聚酰胺,它是一種溶致液晶高分子,并制成阻燃纖維Nomex。1972年成功地研制出以聚苯酰胺為基礎的高強度高模量溶致性液晶纖維Kevlar(芳綸),及此后其他聚芳酰胺纖維的工業化,開創了液晶高分子實際應用的歷史。但由于這種主鏈液晶聚合物不能模塑加工,只能溶液紡絲或涂料,促使人們的研究重點更多地放在不需溶劑便可熔融加工的熱致性液晶聚合物上。Calundam[1]合成出了由羥基苯甲酸或對羥基苯甲酸單體聚合的均聚酯,熔融溫度均在500℃以上,很難對其進行加工。而含有兩種單體的共聚酯,則熔融溫度可降到400℃以下,在此基礎上美國Celanese公司于上世紀80年代成功地開發了Vectran。接著日本可樂麗公司引進該技術,實現了Vectran熱致液晶纖維的工業化生產。

1 Vectran纖維性能

Vectran是一種類似芳香族聚酰胺的聚酯,用萘代替乙烯,萘是一種雙環結構,故而重復建立了平面型分子,與普通的聚酯相比,強力、模量和熱穩定性都有所增強,同時保持著聚酯較好的加工性、尺寸穩定性和極低的回潮率等優點[2]。

1.1 強度

芳香族聚酯液晶高分子通過熔融紡絲形成的液晶主鏈能沿纖維軸向整齊排列,初生纖維即具有高強度及模量。芳香族聚酯液晶纖維與全芳香聚酰胺纖維不同,不需要進行后續的進一步拉伸,初生纖維經過適當的熱處理后,能得到為初生纖維兩倍以上強度的纖維。表1為Vectran纖維與其他各種纖維的強度和模量的對比。可見Vectran纖維強度遠遠高于普通聚酯纖維,與對位芳綸強度相當,但低于碳纖維和超高分子量聚乙烯纖維。

表1 各種纖維的強度對比

1.2 耐化學品性能[3]

盡管Vectran纖維與Kevlar纖維力學性能相當,但是耐化學腐蝕性、耐日光老化性能,Vectran要明顯高于Kevlar纖維(見表2),這是因為Vectran分子中連接芳香環的是性能穩定的酯基團,而在Kevlar中連接芳香環的是見光易分解的酰胺基團。

另外,Vectran纖維的吸濕性低,其濕熱強度保持率也明顯高于Kevlar纖維(見表3),這意味著除了兩者相同的應用領域之外,Vectran纖維比Kevlar更適合于惡劣環境,如露天、濕熱或酸堿環境。

表2 Vectran和Kevlar纖維耐化學腐蝕性能比較

表3 Vectran和Kevlar纖維耐干熱、濕熱性能對比

1.3 耐磨性及循環使用性能[4]

Veatran纖維的耐磨性能也很優異,在同等條件下的耐磨性能高于Kevlar纖維,見表4。Vectran纖維與芳綸在195℃下循環拉伸的強度保持值見圖1。

表4 Vectran纖維與Kevlar纖維耐磨性對比

1.4 蠕變性能

芳香族共聚酯熱致液晶纖維具有高強度、高模量、耐蠕變、尺寸穩定性好等優點,美國戈達得太空飛行中心的實驗成果顯示,芳香族共聚酯熱致液晶纖維品種之一的Vectran纖維具有極低的蠕變率[5],在相同的外界條件與載荷下其蠕變率為Kevlar纖維的五分之一到四分之一。圖2是Vectran、Aramid、UHMWPE的蠕變性能的比較(Aramid指芳綸纖維,UHMWPE指高模量聚乙烯)。

圖1 Vectran與芳綸在195℃下循環拉伸強度保持值

圖2 幾種高性能纖維的蠕變性能

2 影響纖維性能的因素

2.1 捻度對初生纖維強力的影響

對Vectran纖維長絲加捻后可使絲束中各根單絲緊密抱合,長絲結構的整體性得到改善,加捻后的Vectran纖維在拉伸斷裂過程中,各單絲纖維發生斷裂的同步性得到提高,從而提高了Vectran纖維的斷裂強力。如圖3所示,在加捻過程中,樣品斷裂強力隨捻度的增大呈現出先增大后減小的趨勢,對Vectran纖維加捻捻度達到200捻時,強力最大,超過200捻后強力迅速下降,這可能是由于捻度過大使絲束中單絲產生預應力,各層纖維與絲束軸向成不同角度,纖維強度的軸向分力減小[6]。

從圖4中可以看出,不同捻度下纖維的拉伸曲線,捻度不一樣,斷裂點的強力不一樣,但是拉伸曲線斜率基本變化很小,說明加捻對纖維模量影響不大。

圖3 不同捻度下的斷裂強力

圖4 不同捻度下纖維的拉伸曲線

2.2 纖維的熱處理對纖維熔點的影響

Vectran纖維的熱處理是熱增強過程,是一個伴隨著物理變化的化學過程,其實質是具有一定取向的熱致液晶聚合物在連續高溫下的固相聚合,分子鏈增長。固相聚合主要發生的化學分應有分子鏈酯交換反應和分子鏈末端的酯化反應,這兩種反應會產生水、醋酸和甲醇等小分子副產物。

相同處理時間下溫度的變化對Vectran纖維熔融峰的影響見圖5。通過高溫下處理數小時后,按照220、240、250℃處理溫度的順序,熔融峰右移,熔點呈遞增的趨勢。在熱處理過程中Vectran的熔點逐漸升高,分子量得到進一步的提高,表現為熔融溫度的升高[7-10]。

3 纖維的應用

Vectran纖維可滿足現在高科技對高強度、高模量、耐高溫、耐輻射等綜合性能優良的纖維的需求。可應用在航空航天、裝甲防護、艦艇繩纜等國防領域和高溫過濾材料、電子絕緣材料等軍民兩用領域,主要應用領域如下。

圖5 纖維熔點隨熱處理溫度的變化

3.1 現代軍事防彈裝備

目前全球反恐形勢日益嚴峻,杜邦公司將其Kevlar生產線擴充25%,開發了專用于防彈背心的“Kevlar Comfort XLT”新產品,可使最終產品的質量減輕25%,這對軍隊的裝備現代化有重要意義,美國也增加了防彈衣濕熱條件下的防彈能力的標準。芳香族聚酯纖維在干熱、濕熱條件下的強度保持均優于目前防彈裝備使用的Kevlar纖維,可以替代Kevlar纖維在軍事防彈裝備方面的應用。

3.2 航空航天抗低溫和抗輻射織物

芳香族聚酯液晶纖維可用來制造各種氣囊,飛艇等的蒙皮材料。美國著名火星探路者的著陸氣囊系統就是用芳香族聚酯液晶纖維中的Vectran纖維來制作底布材料。當時,NASA從 Kevlar 29、Techora T-240、Spectra 1000和Vectran HS這4種高性能纖維中選擇了Vectran HS纖維,來作為探路者著陸系統緩沖氣囊的底布材料[11]。火星溫度-50～100℃,所用織物為110 dtex絲織成的面密度為40 g/m2的織物,6層。最內層為了保持氣密性,用220 dtex芳香族聚酯液晶纖維長絲織成,涂覆有機硅[11]。英國Lindstrand公司平流層飛艇的艇膜中,作為主結構的承力層纖維材料是合成纖維,首選強力重量比最高材料也是Vectran及PBO纖維[12],如圖6所示。

3.3 防刺防護服、防割手套及降落傘

芳香族聚酯液晶纖維具有高強度、耐切割損傷性能,可用于軍事防刺防護服、防割手套等。

芳香族聚酯液晶纖維具有耐磨損及超低蠕變等特性。實驗比較發現Vectran纖維無論是對研磨機的磨耗還是纖維之間的磨耗,均遠遠低于Kevlar纖維。折斷Vectran纖維所需要的摩擦次數比折斷Kevlar纖維所需次數要多10-20倍,可用于軍事降落傘,包括人用傘、投物傘、阻力傘。

3.4 增強材料

芳香族聚酯液晶纖維應用于光纜、特種電線中,可起到支撐保護作用,與橡膠復合可制造耐高壓軟管、傳送帶、耐磨密封件及汽車用橡膠部件,與樹脂復合可作為超薄型印刷電路的基板。還可用于現代體育用品,在網球板、頭盔、雪橇等器材中起增強材料作用。Vectran纖維原液著色絲可用作排球和網球用的網,替代牽引繩用的金屬絲。

圖6 英國Lindstrand公司平流層飛艇的艇膜材料結構

4 結語

Vectran纖維具有很多優勢,在耐化學腐蝕、耐老化、耐輻射、耐摩擦性能等方面均優于Kevlar纖維。Vectran除了能替代Kevlar在高強高模方面的應用外,還將在安全防護領域、輕質節能領域、耐高低溫等嚴酷環境領域發揮更大作用,市場前景非常廣闊。

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Properties and Application of Aromatic Polyester Liquid Crystalline Vectran Fiber

QIN Jun1,2,WANG Hua1,2,CHEN Li-ping1,2,YUE Hai-sheng1,2,CHEN Jia-yue1,2
(1.Sichuan Textile Scientific Research Institute,Chengdu 610072,China;2.High-tech Organic Fiber Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 610072,China)

Thermotropic liquid crystalline aromatic polyester Vectran fiber is a kind of high performance fiber.The structure characteristic,mechanical property,thermal property,chemical resistance property,creep resistance property and abrasion resistance property of Vectran fiber were analyzed.The factors affecting mechanical properties of fiber were detailed,and the application fields were introduced.

TLCP;Vectran fiber;structure and property;applicantion

TS102.5

A

1673-0356(2017)12-0001-04

2017-08-20;

2017-10-21

四川省青年基金資助項目(2015JQ0017)

覃 俊(1981-),女,高級工程師,主要從事化纖新材料、新技術、新工藝研究。