聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的結構與性能研究

陳超峰，薛晴嵐

(1.中藍晨光化工有限公司，成都 611430；2.中藍晨光化工研究設計院有限公司，成都 610041；3.高技術有機纖維四川省重點實驗室，成都 610041)

0 引言

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸(不含雜環)是國內還未實現產業化的兩種高性能有機纖維。聚芳酯纖維由塞拉尼斯(Celanese)和可樂麗(Kuraray)合作于20世紀90年代實現工業化，商品名為Vectran，現產能約2 000 t/a。國內中國科學院長春應用化學研究所、中藍晨光化工研究設計院有限公司在液晶聚芳酯制備，東華大學、四川省紡織科學院在聚芳酯紡絲方面進行了相關研究[1-3]。共聚對位芳綸由日本帝人(Teijin)于20世紀80年代開發成功，商品名為Technora，現產能超過2 000 t/a。國內東華大學、西安元創科技等進行了制備研究[4-5]。

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸斷裂強度相當，但又有各自性能特點，在相關領域具有獨特的應用優勢。本文對國外商業化產品聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的性能進行較為詳細的表征、總結和對比分析。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚芳酯纖維，日本可樂麗公司生產，名義線密度1 670 dtex，市售，結構式見參考文獻[2]。

共聚對位芳綸，日本帝人公司生產，名義線密度1 670 dtex，由帝人芳綸貿易(上海)有限公司提供，結構式見參考文獻[5]。

1.2 測試與表征

纖維力學性能采用Instron 4302型電子式萬能拉力機，按照GB/T 19975—2005的方法，由國家合成樹脂質量監督檢驗中心測試。

IR采用Thermofisher Nicolet IS50型紅外分析儀，ATR模式，由國家合成樹脂質量監督檢驗中心測試。

WXRD采用帕納科EMPYREAN型X射線衍射儀，由四川大學分析測試中心測試。

TGA采用NETZSCH TG 209型熱失重儀，分別采用氮氣和空氣氛圍，升溫速率20 ℃/min，由國家合成樹脂質量監督檢驗中心測試。

熱老化采用鴻達天矩公司的QLH225型換氣老化試驗箱，老化溫度為150 ℃，老化后取樣經1 h狀態調節后測試力學性能，由國家合成樹脂質量監督檢驗中心測試。

紫外老化采用鄭州惠盛公司的SIW-3型水紫外輻照試驗箱，高壓汞燈功率為300 W，箱體溫度為40 ℃，老化后取樣經1 h狀態調節后測試力學性能，由國家合成樹脂質量監督檢驗中心測試。

2 結果與討論

2.1 基本性能

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的基本性能列于表1中，可以看出聚芳酯纖維的吸水率小于0.1%，是已知高性能有機纖維中最低的；共聚對位芳綸的密度僅為1.39 g/cm3，較聚芳酯纖維及其他大多數高性能有機纖維(如芳綸1414、芳綸Ⅲ、PBO等)低，但兩者都顯示了各自顯著特征和性能優勢。文獻報道的聚芳酯纖維的極限氧指數(LOI)為28%～30%，高于共聚對位芳綸的25%。

表1 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸基本參數

2.2 結構分析

圖1 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的紅外譜圖

圖2 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的WXRD曲線

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的WXRD曲線也有較大不同，圖2顯示聚芳酯纖維有4個明顯的衍射峰，2θ為19 °時的峰型尖銳且峰強較高，說明聚芳酯纖維中有明顯結晶結構存在，而共聚對位芳綸僅在2θ為20 °時有衍射單峰且峰強較低，基本呈無定形態。

2.3 力學性能

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的力學性能列于表2中，其力—位移曲線如圖3所示。表2中數據顯示兩種纖維斷裂強度相當，都在23.5 cN/dtex左右，聚芳酯纖維的模量較高達到888.4 cN/dtex，而共聚對位芳綸的斷裂伸長率較高達到4.0%。說明聚芳酯纖維硬度較高，共聚對位芳綸韌性更好，和WXRD的分析結果及聚芳酯纖維手感稍硬一致。

圖3 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的力—位移曲線

表2 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸力學性能

2.4 熱分解性能

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在氮氣和空氣氛圍中的熱失重曲線分別如圖4和圖5所示，相關數據列于表3中。圖4和圖5可以看出，在100 ℃左右共聚對位芳綸因水分蒸發有明顯的失重現象，而聚芳酯纖維在此溫度附近沒有可見的失重發生，也證明聚芳酯纖維的吸水率較低。圖4顯示兩種纖維在氮氣氛圍中的熱失重曲線較類似，圖5顯示兩種纖維在空氣氛圍中都呈現明顯的兩段式熱分解過程，且兩段的熱分解速率不一致，說明熱分解機理有很大不同。綜合來看，聚芳酯纖維的初始分解溫度和失重5%時的溫度都稍高于共聚對位芳綸，同種纖維在氮氣和空氣中的初始分解溫度和失重5%時的溫度相差不大。聚芳酯纖維在氮氣中至800 ℃時的殘留率為44.89%，高于共聚對位芳綸的39.17%，二者在空氣中都分解較徹底。

圖4 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在氮氣中的熱失重曲線

圖5 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在空氣中的熱失重曲線

表3 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的熱分解

2.5 耐熱老化性能

圖6 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在150 ℃ 下斷裂強度隨老化時間變化曲線

圖7 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在150 ℃ 下初始模量隨老化時間變化曲線

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在150 ℃條件下力學性能保持率隨老化時間的變化曲線如圖6和圖7所示，可以看出共聚對位芳綸的耐熱氧老化穩定性明顯優于聚芳酯纖維。聚芳酯纖維在熱氧作用下力學性能持續降低，經192 h老化后的斷裂強度和初始模量保持率分別為90.6%和96.4%，依然顯示了較好的熱穩定性。共聚對位芳綸的斷裂強度保持率隨老化時間先增加，在24 h時達到最大值103.3%，之后有所降低，但仍保持在100%左右，96 h之后又開始增加，至192 h時為101%，初始模量保持率先增加后降低，在48 h達到最大值101.5%。一方面說明共聚對位芳綸的耐熱氧穩定性較好；另一方面也說明在熱氧作用下，共聚對位芳綸的力學性能有進一步提升空間。

2.6 耐紫外性能

聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的紫外老化性能如圖8和圖9所示，可以看出共聚對位芳綸的耐紫外老化穩定性也優于聚芳酯纖維。聚芳酯纖維在紫外作用下斷裂強度和初始模量隨老化時間持續降低，經20 d老化后的斷裂強度和初始模量保持率分別為67.9%和82.9%。共聚對位芳綸的斷裂強度和初始模量總體上也隨老化時間呈降低趨勢，但降低速率有所起伏，在5 d之前降低速率較快，5～10 d時速率降低，甚至至10 d時模量又有所升高，之后又快速降低，至20 d時斷裂強度和初始模量保持率分別為71.5%和92.5%。總的來看，兩種纖維在紫外作用下，斷裂強度和初始模量都呈現明顯的降低趨勢。

圖8 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的斷裂 強度隨紫外老化時間變化曲線

圖9 聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的初始 模量隨紫外老化時間變化曲線

3 結論

(1)聚芳酯纖維和共聚對位芳綸都有各自的性能優勢，聚芳酯纖維的吸水率較低，而共聚對位芳綸的密度較低。

(2)聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的結構明顯不同，聚芳酯纖維結晶結構明顯，而共聚對位芳綸基本呈現無定形態。

(3)聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的斷裂強度相當，分別為23.68 cN/dtex和23.45 cN/dtex，聚芳酯纖維模量較高，達到888.4 cN/dtex，而共聚對位芳綸斷裂伸長率較高，達到4.0%。

(4)聚芳酯纖維和共聚對位芳綸的初始分解溫度都在478～495 ℃之間，聚芳酯纖維的初始分解溫度和失重5%時的溫度稍高于共聚對位芳綸，在氮氣中至800 ℃時的殘留率為44.89%，也高于共聚對位芳綸的39.17%。

(5)聚芳酯纖維和共聚對位芳綸在150 ℃下熱氧老化192 h后的斷裂強度保持率分別為101%和90.6%，共聚對位芳綸在熱氧作用下斷裂強度還有明顯提高，最高時斷裂強度保持率達到103.3%。

(6)在紫外作用下共聚對位芳綸和聚芳酯纖維的斷裂強度和初始模量都呈下降趨勢，紫外老化20 d后的斷裂強度保持率分別為71.5%和67.9%。