紫外光照射对PBO纤维结构与性能的影响

2015-03-25刘姝瑞谭艳君马佳利

合成纤维工业 2015年5期

刘姝瑞，谭艳君，霍倩，马佳利

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安710048)

聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维主要用作防弹抗冲击材料［1－2］，其耐冲击强度远高于由其他纤维增强的复合材料［3］，能吸收大量的冲击能［4－5］，但在实际应用中对紫外光敏感［6－8］，影响了其性能。作者用不同紫外光波段UVA(356 nm)，UVB(308 nm)，UVC(254 nm)分别照射PBO纤维，研究不同紫外光波段照射PBO纤维对其结构、力学性能及阻燃性能等的影响，为PBO纤维抗紫外整理提供研究依据，为其抗紫外改性打下基础。

1 实验

1.1 原料及试剂

PBO纤维:日本Toyobo公司产;无水乙醇:化学纯，西安三浦化学试剂有限公司产;溴化钾:分析纯，天津市化学试剂二厂产。

1.2 仪器

YG(B)006E电子单纤强力机:宁波纺织仪器厂制;KYKY-2800扫描电子显微镜(SEM):中科科仪技术发展有限公司制;FTIR-7600傅里叶变换红外光谱仪:安合盟科技发展有限公司制;KR2406S极限氧指数仪:苏州凯特尔仪器设备有限公司制;UVA，UVB，UVC灯管:发射光波长分别为365，308，254 nm，均为20 W，北京中仪博腾科技有限公司产。

1.3 实验准备

将PBO纤维用无水乙醇浸泡24 h后用蒸馏水清洗，室温干燥备用。用JA3003N型电子天平称取0.01 g PBO纤维，均匀平铺在画有2 cm×2.5 cm边框的干净载玻片上。

1.4 实验方法

将备好的PBO纤维和载玻片整齐放置在紫外灯箱内，纤维距灯管9.5 cm。分别用 UVA，UVB，UVC灯管照射，照射时间为168～312 h，将处理后的PBO纤维试样立即放入干净密封袋中保存，以备后续实验。

1.5 分析与测试

红外光谱:将 PBO纤维试样剪碎成1～2 mm，与KBr混匀，于压片机上压片，再置于红外光谱仪上进行红外光谱分析。

表面形貌:将PBO纤维试样粘于感光胶上，并置于SEM中观察纤维的表面形态。试样均匀取于载波片的左中右3处。

力学性能:于载波片左中右处分别取PBO纤维试样，按国家标准GB/T 14337—2008测单纤维强力。每组试样取50根单纤维求平均值。

极限氧指数(LOI):将处理后的PBO长纤维按国家标准GB/T 5454—1997进行测试。氧浓度与氧气和氮气流量关系参看国家标准。由于PBO纤维不同于织物，因此，在测试其LOI值时将PBO纤维在支架上缠绕5圈后再进行阻燃性能测试。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱

由图1可见:经UVA，UVB，UVC 3波段紫外光照射后的PBO纤维在2 925，2 850 cm－1处均出现明显的吸收峰，未处理的PBO纤维在2 925 cm－1处的吸收峰较弱，说明纤维内部发生断裂，在—CH—链断处产生了亚甲基，亚甲基增多;未处理的PBO纤维红外谱图上出现了少量亚甲基，说明PBO纤维有少许断裂。另外，UVC照射216 h，UVB照射264 h后在1 745 cm－1处均产生微弱的新的吸收峰，说明有酯羰基的形成且UVC照射PBO形成的酯羰基峰较UVB的明显，UVA照射纤维312 h也没有在1 745 cm－1处形成吸收峰，酯羰基的产生说明噁唑环发生了开环反应，分子降解形成了酯羰基;经3波段照射的PBO纤维与未处理的PBO纤维的红外光谱比较，发现UVC照射216 h后对PBO纤维结构的影响已很明显，UVB次之，UVA照射纤维312 h后没有开环，说明UVA波段紫外光的照射对纤维结构影响最小。

图1 PBO纤维及经不同波长紫外光照射后的PBO纤维的红外光谱Fig.1 Infrared spectra of untreated PBO fiber and PBO fibers irradiated with ultraviolet light of different wavelength

2.2 表面形态

由图2a可见，未处理的PBO纤维表面光滑致密，只有一些与纤维轴向平行的细微纹路。这与PBO结晶链的微结构有关。细纹的形成是由于喷丝板孔上的缺陷或PBO/PPA溶液进入凝固浴时扩散过快及纺丝工艺条件的微小波动等因素所致［9］。

图2 未处理PBO纤维及紫外光照射PBO纤维的SEM照片Fig.2 SEM images of untreated PBO fiber and ultraviolet-irradiated PBO fibers

由图2还可看出:UVA照射PBO纤维，纤维表层有剥落但不明显，在照射216 h后才有细纹产生但不深;UVB照射纤维，纤维表面出现细纹和斑点，随着照射时间的增加，纤维表面粗糙度增加，沟壑加深加粗，在照射264 h以后，可看到纤维表层有很深的沟壑形成;UVC照射PBO纤维，168 h后纤维表面出现大量细纹和斑点，照射时间越长，纤维表面越粗糙，细纹越多，并且有加深趋势，240 h后纤维表面发生局部剥落;264 h后，纤维表面横向也有细纹产生，粗糙度反而下降，纤维直径有所变小，这说明PBO纤维致密的表层及内层致密的微纤结构遭到破坏。同时，经UVC照射的纤维损伤比同时段其他波段紫外线照射损伤大，表面较为粗糙，经UVB照射的纤维表面较同时段经UVA照射纤维损伤大，而且有表层脱落现象，而UVA照射的纤维几乎没有表层脱落现象，说明UVB，UVC照射PBO纤维都能使其噁唑环发生开环，破坏其大分子结构，而UVA对噁唑环及大分子结构损伤小，只对其纤维表层有刻蚀。

2.3 力学性能

由图3可看出，PBO纤维强力因紫外光照射而下降，且随照射时间增长而降低。其中，UVC波段照射纤维强力下降速率最快，强力保持率最低，对强力影响最大。

图3 紫外光照射后PBO纤维的强力Fig.3 Strength of PBO fibers after ultravilolet irradiation

结合图2，图3，比较PBO纤维UV照射时强力下降与表面形态的关系可知:UVA照射时PBO纤维表层剥落;UVB照射时PBO在纤维表面形成深沟壑;UVC照射时PBO纤维既有深沟壑形成又有纤维表层明显脱落。这说明纤维强力下降与纤维表层形成深沟壑及纤维表层的脱落有很大关系。纤维强力的迅速下降还与纤维内部结构有关。纤维表层的剥落，是纤维经紫外光照射，使得其表面的一些小分子遭到破坏，导致其强力迅速下降;纤维形成深沟壑时，是其经紫外光照射纤维分子结构中的噁唑环发生破坏，导致大分子链断裂，纤维强力因此迅速下降。

2.4 阻燃性能

由表1可看出，紫外光照射PBO纤维，随着照射时间增加，纤维的LOI略有降低，变化不大。与未辐照PBO纤维相比，LOI下降，说明紫外光的照射对纤维的阻燃性能有一定影响。从图4可看出，在进行纤维LOI值实验时，其燃烧后纤维结构几乎没有被破坏。燃烧后纤维骨架完好，没有被破坏，这说明其阻燃性能好，与其他纤维混纺后，耐热性较好。