應(yīng)用故事 | 對(duì)位/間位芳綸纖維混紡織物的熱重分析

芳綸纖維（聚苯二甲酰苯二胺），是一種人工合成的新型的芳香族聚酰胺纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度、高耐磨等優(yōu)異特性，與碳纖維、超高分子量PE纖維并稱世界三大高科技纖維，已被廣泛應(yīng)用于各種高性能防護(hù)服。

芳綸纖維包括全芳香族聚酰胺纖維和雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維兩大類。全芳香族聚酰胺纖維中，按結(jié)構(gòu)劃分且工業(yè)化生產(chǎn)的主要分為對(duì)位芳綸纖維和間位芳綸纖維，這兩種是芳綸纖維中具有實(shí)用價(jià)值的兩種芳綸纖維。

對(duì)位芳綸纖維全稱聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維，我國(guó)稱之為芳綸1414，該纖維顯微鏡下觀察橫截面呈圓形，縱面光滑，有節(jié)狀形態(tài)，有點(diǎn)類似聚酯纖維表面形態(tài)，其分子鏈沿纖維軸向排列，分子間的氫鍵同時(shí)具有共軛效應(yīng)而呈現(xiàn)出剛性特征，是當(dāng)今世界產(chǎn)量大、用途廣的高性能纖維之一。間位芳綸纖維全稱聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，我國(guó)稱之為芳綸 1313，該纖維顯微鏡下觀察橫截面呈腰子形，縱面上有凹槽，有點(diǎn)類似于腈綸表面形態(tài)，化學(xué)結(jié)構(gòu)上在分子間有氫鍵，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種性能優(yōu)異的有機(jī)耐高溫阻燃防火纖維。

有研究表明芳綸織物中隨著芳綸1414纖維含量的增加織物強(qiáng)力先減小后增大，織物損毀長(zhǎng)度減小，織物熱防護(hù)性能逐步提高[1-3]。因此在實(shí)際的芳綸織物設(shè)計(jì)時(shí)，很少將芳綸1313纖維單獨(dú)使用，特別是那些對(duì)阻燃性以及熱防護(hù)有高要求的織物中都會(huì)添加一定比例的芳綸1414纖維。

本文利用耐馳熱重分析儀TG 209 F1對(duì)兩種芳綸纖維（對(duì)位/間位）盲樣進(jìn)行熱重分析，來鑒別兩種纖維的類別，該測(cè)試方法所需樣品量少、環(huán)保，是一種簡(jiǎn)單便捷的測(cè)試手段。

儀器：Netzsch TG209 F1

樣品：【對(duì)位芳綸纖維盲樣】和【間位芳綸纖維盲樣】

測(cè)試方法：分別取一束待測(cè)芳綸纖維樣品，并將其纏繞在鑷子上，然后將其放入氧化鋁坩堝（如圖1所示）。將盛有樣品的坩堝放入熱重分析儀內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?0K/min的升溫速率從室溫加熱至700℃。

圖1 纖維樣品的制備示意圖

圖1是是對(duì)位芳綸盲樣的熱重曲線，其熱分解過程包含2個(gè)階段：第1階段是室溫～200℃的微量質(zhì)量損失階段，熱失重百分?jǐn)?shù)約為4.17%，主要是分子間結(jié)合水的燒失；第2階段是對(duì)位芳綸的熱分解過程，由于芳綸1414纖維是對(duì)位連接的苯酰胺，其酰胺鍵與苯環(huán)基團(tuán)形成大π鍵共軛結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋位能非常高，分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，熱分解溫度非常高，當(dāng)溫度高達(dá)562℃時(shí)1414纖維吸收了充足的能量，其分子鏈開始發(fā)生隨機(jī)的斷裂和分解，進(jìn)而導(dǎo)致劇烈的降解、碳化以及可能的交聯(lián)等復(fù)雜反應(yīng)，表現(xiàn)出其質(zhì)量損失顯著現(xiàn)象。最后，700℃時(shí)質(zhì)量殘余百分?jǐn)?shù)約為42%。

圖2 對(duì)位芳綸纖維盲樣的TG曲線

圖2是間位芳綸盲樣的熱重曲線，其熱分解過程包含3個(gè)階段：第1階段與對(duì)位芳綸纖維一樣是失去結(jié)合水的過程，熱失重百分?jǐn)?shù)約為2.80%，表明間位芳綸纖維的分子結(jié)合水含量低于對(duì)位芳綸。第2階段是間位芳綸的熱分解過程，由于間位芳綸纖維大分子中的酰胺基團(tuán)以間位苯基相互連接，分子間氫有鍵但無共軛效應(yīng)，內(nèi)旋位能低于對(duì)位芳綸纖維，因此該階段的熱分解溫度較對(duì)位纖維低，在430℃～500℃發(fā)生顯著的質(zhì)量損失，質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)約為16.67%；隨后又出現(xiàn)一失重平臺(tái)500 ℃ ～700℃，該失重猜測(cè)是對(duì)位芳綸纖維的裂解失重，故猜測(cè)該間位芳綸盲樣不是單一組分的纖維，可能是間位和對(duì)位芳綸纖維的混紡織物。最后，700℃時(shí)質(zhì)量殘余百分?jǐn)?shù)約為56.89%。

圖3 對(duì)位芳綸纖維盲樣的TG曲線

熱重分析是分析材料熱穩(wěn)定性的有效而快捷的一種方法，不同纖維的熱分解溫度各有差異，故可以通過熱重測(cè)試將不同的混紡纖維加以區(qū)分。熱重分析方法操作方便、準(zhǔn)確度高、檢測(cè)時(shí)間短，與傳統(tǒng)化學(xué)方法相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)可以研究不同單組份纖維的熱分解特性，建立熱失重參比庫(kù)，從而對(duì)纖維盲樣進(jìn)行區(qū)分。

[1] 劉敏燕,李玲,何粟華.熱失重法定量分析間位/對(duì)位芳綸纖維混紡織物.中國(guó)纖檢,2020(10):81-83.

[2] 袁玥,李鵬飛,凌新龍.芳綸纖維的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展.紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2019,36(1):146-152.

[3] 沈逍安,王曉映,夏光美,韓文佳,孔凡功,徐振.芳綸的發(fā)展現(xiàn)狀及其表面改性研究進(jìn)展.合成纖維,2021,50(1):20-25.

作者

盛沈俊

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室