改性聚苯硫醚纖維的性能研究

邢 穎 楊曉紅 李 明 張建國(guó)

（1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通，226007；2.南京理工大學(xué)，江蘇南京，210094；3.江蘇蘇化集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州，215006）

聚苯硫醚（PPS）纖維同時(shí)具備高力學(xué)強(qiáng)度、耐腐蝕以及良好的阻燃特性，但PPS中呈現(xiàn)致密分布的分子結(jié)構(gòu)，分子鏈也保持有序的排列狀態(tài)，這使得PPS纖維只達(dá)到很小的吸濕率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的上染效果，針對(duì)特種使用工況下的防護(hù)效果與舒適狀態(tài)都造成了不利影響［1-2］。為提升吸濕程度，本研究選擇熔融共混的方式實(shí)現(xiàn)改性功能，考慮到對(duì)PPS進(jìn)行加工時(shí)需將溫度升高到295 ℃附近，這就要求添加劑也要達(dá)到很高的熱穩(wěn)定性［3-4］。

聚丙烯酸（PAA）中各分子存在化學(xué)交聯(lián)作用，易發(fā)生大分子鏈纏繞現(xiàn)象生成空間網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)分子官能團(tuán)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在PAA分子中還存在—COONa與—COOH等多種高吸水性能的活性基團(tuán)，這使其具備優(yōu)異的耐高溫穩(wěn)定性、良好的吸附能力并表現(xiàn)出一定的高分子電解質(zhì)特征，與生物組織間可以形成良好的相容性。PAA的以上特性與本研究改性目標(biāo)相符，可以達(dá)到人體服用的安全標(biāo)準(zhǔn)［5-6］。納米SiO2顆粒具備耐高溫穩(wěn)定性、高比表面積并且在顆粒表面存在大量羥基官能團(tuán)，在自然界中分布廣泛，而且還具備優(yōu)異的防紫外線效果，能夠?qū)ψ贤饩€起到明顯吸收與散射作用，有效隔絕紫外線穿透，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異抗光老化性能［7］。

本研究將PAA和納米SiO2顆粒作為添加劑加入PPS熔融共混制得PPS母粒，再與純PPS切片實(shí)施混合得到改性PPS纖維，研究該改性PPS纖維的改性效果。

1 試驗(yàn)

1.1 改性PPS纖維的制備

將PPS/PAA（98/2）和PPS/SiO2混 合 母 粒放置到DZF6000型真空干燥箱，母粒升溫到120 ℃經(jīng)過(guò)12 h干燥后，再把PPS切片放入真空轉(zhuǎn)鼓干燥箱內(nèi)。紡絲前應(yīng)先對(duì)切片、母粒充分干燥，干燥處理不僅可以去除切片中的水分，還利于PPS更大的結(jié)晶度與軟化點(diǎn)的形成，同時(shí)抑制環(huán)結(jié)阻料的過(guò)程，使紡絲加工過(guò)程更為順暢。根據(jù)設(shè)定配比稱(chēng)量復(fù)合母粒和PPS切片紡絲，并優(yōu)化紡絲加工的參數(shù)條件，保證改性PPS纖維成形良好。表1給出了各PPS纖維成分［8-10］。

表1 各PPS纖維成分配比

1.2 測(cè)試與表征

通過(guò)JSM-6700F型掃描電鏡觀察纖維截面微觀結(jié)構(gòu)。按照GB/T 6503—2017《化學(xué)纖維 回潮率試驗(yàn)方法》測(cè)定試樣的吸濕回潮率。切割得到一段固定長(zhǎng)度的纖維，再利用SCY-Ⅲ型聲速纖維取向測(cè)量?jī)x測(cè)定聲速，用以衡量各纖維取向度。按照GB/T 14344—2022《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》要求，以YG061FQ型強(qiáng)伸儀測(cè)定各PPS纖維力學(xué)特性，隔距長(zhǎng)度250 mm，控制拉伸速率120 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 可紡性

表2為各PPS纖維制備工藝條件以及可紡性、表觀色澤指標(biāo)。其中熱盤(pán)溫度均為90 ℃，牽伸倍數(shù)均為3.5倍；PPS纖維的螺桿溫度為290 ℃，PPS-1纖維～PPS-8纖維螺桿溫度均為289 ℃。從表2可以看到，隨著PAA添加量升高至1.50%，纖維發(fā)生了少量斷頭的情況，此時(shí)依然可以保持穩(wěn)定的紡絲狀態(tài)，PPS-4纖維表現(xiàn)出了優(yōu)異的可紡性。PPS纖維表面呈現(xiàn)淡黃色，并形成了一定的光澤度，添加一定量的PAA時(shí)，纖維變白，可以充分保留光澤感，產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是PAA屬于一種白色粉末，在紡絲熔融階段不會(huì)發(fā)生高溫分解，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；同時(shí)PPS與PAA相容狀態(tài)良好，紡出纖維顏色均勻。SiO2作為一種用途廣泛的白色粉末，目前已成為紡織品制造加工中的重要消光劑，有助于纖維與織物獲得更大白度。在纖維中添加納米SiO2顆粒后，纖維顏色更白，但光澤明顯變暗。

表2 不同SiO2、PAA添加配比下各PPS纖維的紡絲性能統(tǒng)計(jì)

2.2 微觀形貌

圖1為PPS、PPS-4、PPS-8的微觀形貌。根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，在改性PPS纖維截面上沒(méi)有明顯觀察到PAA、PPS間的界面結(jié)構(gòu)，并且也沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚的情況，表明PAA和PPS間達(dá)到了良好的相容狀態(tài)；SiO2并未在PPS基體內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，總體上呈現(xiàn)均勻分散狀態(tài)，PAA也呈現(xiàn)良好的分散效果。

圖1 3種PPS纖維掃描電鏡圖

由聲速測(cè)試結(jié)果可知，PPS纖維～PPS-8纖維取向度聲速值分別為1.863 km/s、1.816 km/s、1.762km/s、1.704 km/s、1.642 km/s、1.881 km/s、1.773 km/s、1.715 km/s、1.692 km/s。可 以 發(fā)現(xiàn)，提高PAA加入量后，PPS纖維取向度有逐漸減小的趨勢(shì)，但總體波動(dòng)幅度很小，添加PAA不會(huì)對(duì)PPS纖維取向造成嚴(yán)重影響。這是因?yàn)镻AA會(huì)對(duì)PPS最初規(guī)整結(jié)構(gòu)造成干擾，發(fā)生取向度減小的現(xiàn)象，這跟纖維結(jié)晶度變化規(guī)律相近，與紡絲外力之間存在緊密關(guān)聯(lián)。

2.3 熱穩(wěn)定性能

通過(guò)熱重分析方法測(cè)定各PPS纖維熱穩(wěn)定性及其發(fā)生熱分解的過(guò)程，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 氮?dú)鈿夥障翽PS纖維的熱重?cái)?shù)據(jù)

根據(jù)表3可知，逐漸提高PAA含量后，改性PPS纖維最初發(fā)生失重的溫度有下降趨勢(shì)。PAA改性PPS纖維最初分解溫度T5%超過(guò)503 ℃，T10%超過(guò)518 ℃；SiO2和PAA改性PPS纖維最初分解溫度T5%超過(guò)504 ℃，T10%超過(guò)520 ℃。這是因?yàn)镻AA相對(duì)PPS更容易發(fā)生熱分解，并且添加PAA之后會(huì)對(duì)PPS纖維內(nèi)原先的致密分子結(jié)構(gòu)造成破壞，從而導(dǎo)致PPS聚集形態(tài)發(fā)生變化，最終引起改性PPS纖維熱穩(wěn)定性的下降。而添加PAA并未造成改性PPS纖維熱分解溫度的顯著下降。加入PAA和SiO2顆粒的改性PPS纖維快速分解溫度Tmax略高。這是因?yàn)樘砑痈男詣┖髮?duì)PPS運(yùn)動(dòng)過(guò)程造成了限制，SiO2粒子對(duì)熱量傳輸起到了隔絕效果。

2.4 強(qiáng)伸性能

各PPS纖維的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率見(jiàn)圖2。圖2顯示，當(dāng)PAA含量上升后，改性PPS纖維斷裂強(qiáng)度出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，從PPS纖維2.941 cN/dtex減 小 至2.861 cN/dtex，同 時(shí) 斷 裂伸長(zhǎng)率從27.2%提升至30.4%。加入SiO2顆粒后，PPS-5纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)到了2.995 cN/dtex，兩種纖維形成了相近的斷裂強(qiáng)度變化特征。通過(guò)分析結(jié)晶度和取向性參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，PAA對(duì)PPS規(guī)整結(jié)構(gòu)造成了一定程度的破壞，隨著非晶態(tài)組織比例的提高，共混高聚物大分子鏈發(fā)生了更大程度的滑移，受到外部載荷作用后形成了更大的斷裂伸長(zhǎng)率，加入SiO2后均達(dá)到30%以上。由此可以判斷PAA并不會(huì)引起PPS初始力學(xué)性能的降低，依然可以有效保留PPS纖維優(yōu)異的力學(xué)特性。

圖2 PPS纖維力學(xué)性能

2.5 吸濕性能

表4是各PPS纖維的水接觸角和吸濕回潮率測(cè)試結(jié)果。由表4可知，當(dāng)PAA含量上升后，水接觸角從74.8°減小至53.1°，親水性能獲得顯著改善。這主要與PAA中的—COONa與—COOH等親水官能團(tuán)有關(guān)，同時(shí)PAA的加入破壞了PPS的規(guī)整結(jié)構(gòu)，隨著非晶區(qū)范圍的擴(kuò)大，纖維獲得了更大吸濕性。在纖維中添加納米SiO2后，水接觸角隨PAA加入量的升高而發(fā)生下降，其中PPS-8纖維的水接觸角達(dá)到52.7°，相對(duì)PAA改性PPS纖維形成了基本一致的接觸角度。

表4 PPS纖維水接觸角和吸濕回潮率統(tǒng)計(jì)

纖維舒適性受吸濕回潮率指標(biāo)的直接影響。由表4可知，提升PAA加入量后，PPS-4纖維吸濕回潮率為2.06%。添加納米SiO2顆粒的情況下，改性PPS纖維吸濕回潮率與PAA比例也呈現(xiàn)正相關(guān)變化特征，PPS-8達(dá)到了與PPS-4纖維基本一致的吸濕回潮率。根據(jù)水接觸角數(shù)據(jù)可知，以共混形式將PAA、SiO2添加到PPS后，PAA是引起改性PPS纖維吸濕性變化的主因。

3 結(jié)論

（1）PPS與PAA具有良好相容性，可制得具有均勻顏色的改性PPS纖維，納米SiO2有助于纖維與織物獲得更高的白度。加入的納米SiO2并未在PPS基體內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，總體上呈現(xiàn)均勻分散狀態(tài)。

（2）提高PAA加入量后，引起PPS纖維取向度逐漸減小的變化趨勢(shì)，但總體波動(dòng)幅度很小，添加PAA不會(huì)對(duì)PPS纖維取向造成嚴(yán)重影響。逐漸提高PAA含量后，最初發(fā)生失重的溫度發(fā)生了下降。加入PAA和納米SiO2顆粒的情況下，PPS纖維的快速分解溫度更高。

（3）當(dāng)PAA含量上升后，改性PPS纖維斷裂強(qiáng)度減小，從PPS纖維2.941 cN/dtex減小至2.861 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率從27.2%提升至30.4%；水接觸角減小，使纖維親水性能獲得顯著改善，PAA配比1.5%的改性PPS纖維吸濕回潮率為2.06%。