国产对位芳纶纤维分子结构分析

陈国强

(江西服装学院，江西 南昌 330201)

国产对位芳纶纤维分子结构分析

陈国强

(江西服装学院，江西 南昌 330201)

文章利用扫描电镜、红外光谱仪和X衍射仪对国产对位芳纶和Kevlar49对位芳纶纤维进行微观形貌观察、分子结构分析并计算两种纤维的聚合度，为国产对位芳纶的理论研究提供一定的参考依据。

对位芳纶；微观形貌；红外光谱；X衍射；聚合度

对位芳纶因其低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能而被广泛应用于电子通讯、航空航天、体育休闲和汽车工业等多领域[1]，本文以国产对位芳纶与Kevlar49对位芳纶纤维进行了分子结构对比实验分析，为国产对位芳纶纤维性能的改进提供依据。

1 实验

1.1 实验材料与仪器

国产对位芳纶纤维(神马实业股份有限公司产)；Kevlar49纤维(美国杜邦公司产)。规格为70 tex/188f。JSM-6360LV型扫描电镜、Nicolet460红外-拉曼光谱仪、XD-3 X射线衍射仪、NDJ-1旋转粘度计。

1.2 实验方法

1.2.1 微观形貌观察

调节哈氏切片器步长，使两种对位芳纶纤维以每次半格的步长旋进，切成薄片，制作成扫描电镜实验切片。对切片进行喷金90 s。在加速电压为横截面18 kV，纵截面20 kV下利用JSM-6360LV型扫描电镜对2种对位芳纶纤维的微观形貌进行观察。

1.2.2 红外光谱分析

调节哈氏切片器步长，将两种对位芳纶纤维以每次半格的步长旋进，切成薄片，同KBr混合磨成粉末，制成KBr压片。以4 cm-1的分辨率利用Nicolet460红外-拉曼光谱仪对实验样品进行扫描，每个样品扫描36次。

1.2.3 X衍射测试

调节哈氏切片器步长，使两种对位芳纶纤维以每次半格的步长旋进，切成薄片，制成纤维碎末压片。利用XD-3 X射线衍射仪进行X衍射测试；实验电压30 kV,电流20 mA；实验起始角为5°；终止角为45°；步宽为0.02°；波长为0.154 nm；X射线管为Cu靶；扫描速度为4°/min。

利用Gauss+Lor Area函数对X衍射曲线进行分峰叠加处理，分析计算出分出各峰的积分面积，使用式(1)[2]对X衍射数据进行结晶度计算。

式(1)

式(1)中，Xd代表纤维的结晶度；Sa代表纤维的无定形峰的面积；Scr代表4个结晶峰的面积。

依据式(2)，Scherrer方程[3]计算晶粒的尺寸大小。

式(2)

式(2)中，L为晶粒尺寸；β为衍射峰的半高宽；λ为X衍射的入射波长，取值为0.154；k为谢洛常数，取0.89。

1.2.4 聚合度的测试

称取两种纤维各1.5 g，调节哈氏切片器步长，使2种对位芳纶纤维以每次半格的步长旋进，切成薄片，分别溶解在81 mL的质量分数为98%H2SO4里，在30℃±0.2℃条件下静置待其完全溶解后，利用NDJ-1旋转粘度计在30℃±0.2℃的恒温水浴中依据GB/T 1632—93的国家标准对位芳纶纤维的粘度η[4]进行测量，每种实验样品测量三次，取其平均值为最终粘度值，依据下列公式(3)分别计算出两种纤维的特性黏度[η][5],依据公式(4)[6]计算粘均相对分子量Mη，依据公式(5)[7]计算聚合度DPη。

式(3)

式(4)

DPη=Mη/238

式(5)

式中，[η]—特性黏度，ηsp—增比黏度，ηr—相对黏度，c—溶液浓度。

2 结果与讨论

2.1 形貌观察

由图1、图2可知，Kevlar49对位芳纶纤维较国产对位芳纶纤维颜色较为明亮。两种对位芳纶纤维的横截面上均呈现不规则的几何圆形，但Kevlar49对位芳纶纤维横截面较国产对位芳纶纤维有较深的锯齿边，表面不同深度和不同广度的沟槽结构，不像国产对位芳纶纤维那么光滑，所以其摩擦性和导湿导气明显优于国产对位芳纶纤维。

图1 国产对位芳纶纤维

图2 Kevlar49对位芳纶纤维

2.2 红外光谱

由图3可知，两种对位芳纶纤维在1640 cm-1处呈现较强的吸收谱带均由C=O伸缩振动引起的，证明此处为酰胺Ⅰ带。在酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的吸收谱带的位置上，即1540 cm-1和1260 cm-1位置，O=C-N与N-H的变形耦合引起了较强的吸收峰，但是相比酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ，酰胺Ⅲ的吸收谱带要弱许多；在838 cm-1和696 cm-1的吸收谱带说明在两种对位芳纶纤维中均含有苯环结构基团。在650 cm-1和520 cm-1，N-C=O面内弯曲振动和C=O面外弯曲振动引起另外两个吸收峰，也证实酰胺Ⅲ的存在。在720 cm-1，即酰胺Ⅴ吸收谱带位置，N-H面外弯曲振动使得产生了较强吸收谱带。由上述分析可知，两种对位芳纶纤维分子结构均由聚对苯二甲酰对苯二胺大分子构成，均为全芳香族酰胺纤。

图3 芳纶纤维

2.3 X衍射

由图4与图5分析计算可知，国产对位芳纶纤维与Kevlar49对位芳纶纤维的结晶峰的角度分别对应在2θ为18.2°、20.5°、22.9°、28.5°与18.5°、20.5°、22.8°、28.6°，其中第一、第二、第四位置的波峰分别对应的是2种对位芳纶纤维结晶峰的角度位置，而第三个波峰的位置对应的是2种对位芳纶纤维的无定形区。由此可知，两种对位芳纶纤维的基本结构大致相同，也验证了上述红外光谱分析中验证的两种对位芳纶纤维的化学结构基本相同的分析。

图4 国产对位芳纶纤维X衍射曲线及其拟合结果

图5 Kevlar49对位芳纶纤维X衍射曲线及其拟合结果

对两种纤维4个峰的单个面积分别进行积分可知，国产对位芳纶纤维与Kevlar49对位芳纶纤维对应的4个积分峰的IntArea分别为544.18、2583.63、4402.53、1165.16与295.93、2110.22、3144.92、1242.41，利用式1计算可知，国产对位芳纶纤维与Kevlar49对位芳纶纤维的结晶度分别为49.4%与53.7%。

通过式(2)计算出国产对位芳纶纤维与Kevlar49对位芳纶纤维的晶粒尺寸分别为1.65 nm、4.44 nm、13.38 nm与2.26 nm、5.83 nm、10.99 nm。国产对位芳纶纤维的晶粒尺寸相差较大，最大值与最小值之间的差值达到了11.73 nm，而Kevlar49对位芳纶纤维晶粒尺寸较为均匀，最大值与最小值之间的差值为8.73 nm，结构较国产对位芳纶纤维稳定。

2.4 聚合度

由式(3)、(4)、(5)计算出2对位芳纶纤维的粘度、分子量和聚合度，计算结果如表1所示。从表中可以看出Kevlar49对位芳纶纤维的分子量和聚合度均高于国产对位芳纶纤维，由此可知Kevlar49对位芳纶纤维的均端末方距大于国产对位芳纶纤维，纤维具有更高的强度和模量。

表1 聚合度测试结果

3 实验结论

3.1 Kevlar49对位芳纶纤维较国产对位芳纶纤维颜色较为明亮。两种对位芳纶纤维的横截面上均呈现不规则的几何圆形，但Kevlar49对位芳纶纤维横截面较国产对位芳纶纤维有较深的锯齿边，表面不同深度和不同广度的沟槽结构。

3.2 两种对位芳纶纤维分子结构均由聚对苯二甲酰对苯二胺大分子构成，均为全芳香族酰胺纤。

3.3 两种对位芳纶纤维的结晶峰角度位置大致相同，但国产对位芳纶纤维的结晶度低于Kevlar49对位芳纶纤维，晶粒尺寸最大值与最小值之间差值大于Kevlar49对位芳纶纤维，因此分子结构的稳定差于Kevlar49对位芳纶纤维。

3.4 Kevlar49对位芳纶纤维的分子量、聚合度和均端末方距均大于国产对位芳纶纤维，因此强度与模量更高。

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[7] 高涛.聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)特性黏度测定的研究[J].合成纤维，1983,(6):2—6.

Analysis of Domestic Para-aramid Molecular Structure

ChenGuoqiang

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

The PPTA fibers and Kevlar49 fibers made in China and USA respectively were tested by SEM, infrared spectroscopy and X-ray diffraction for cross section, molecular structure and degree of polymerization. All these experiments were studied to apply valuable references for research of Chinese PPTA fibers.

para-aramid; micro-morphology; infrared spectrum; X diffraction; degree of polymerization

2015-02-28

江西省高等学校教改课题项目(JXJG-14-26-5)

陈国强(1985—)，男，山东潍坊人，讲师。

TS156.6

A

1009-3028(2015)03-0049-04