芳纶1313/芳纶1414纤维性能的测试与分析

高秀丽，朱进忠，谷富彩

(河南工程学院 纺织学院, 河南 郑州 450007)

芳纶1313/芳纶1414纤维性能的测试与分析

高秀丽，朱进忠，谷富彩

(河南工程学院 纺织学院, 河南 郑州 450007)

测试和研究了4种芳纶纤维的线密度、拉伸与卷曲性能、红外光谱、热分析及吸放湿性能.通过分析得出：纤维品种不同，性能也不同，产地对纤维性能也略有影响；与芳纶1414纤维相比，芳纶1313纤维的线密度及离散程度较高，干态下断裂强度略低，湿态下纤维会有损伤，卷曲性能较好，纤维大分子元素的组成相同但结构不同，耐热性稍差，吸放湿性能较好.

芳纶纤维；力学性能；热分析；吸放湿性能

芳纶1313纤维是一种芳香二胺和芳香二酸缩聚而成的芳香基聚酰胺纤维，即聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(PMIA)[1].芳纶1414纤维的化学名称是聚对苯二甲酰对苯二胺，具有强度高、模量高、密度小、耐高温等性能，被广泛应用于军工和民用品的各个领域[2-3].本课题对芳纶纤维的各项性能指标进行了测试与对比分析，研究其性能特点，以期为功能性纺织品的开发利用提供一定的参考.

1 试验原料及测试条件

试样为芳纶1313A纤维、芳纶1313B纤维、芳纶1414A纤维、芳纶1414B纤维，A和B表示纤维的产地不同.试样规格如表1所示.

所有试样在标准大气条件下平衡48 h以上，在温度为20 ℃、相对湿度为65%的条件下进行试验[4].采用XD-1型振动式纤维细度仪测定单根纤维的细度；随机抽取50根纤维试样，采用南通宏大YG001N+型电子单纤维强力仪进行拉伸试验，结果取平均值[5]；采用YG362A型卷曲弹性仪测试纤维的卷曲弹性；采用美国Thermo Fisher公司的Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪，选择500～4 000 cm-1的波数进行红外光谱试验；采用德国Netzsch公司的STA449 F3型同步热分析仪测试纤维的热性能；用GB/T 6503—2008《化学纤维 回潮率试验方法》[6]测试纤维的吸放湿性能.

2 测试数据与结果分析

2.1 纤维的线密度

纤维的线密度是纤维重要的形态尺寸和质量指标，对后续的纺纱和织造工艺有很重要的影响.试验测得4种纤维的线密度，如表2所示.

表1 芳纶纤维试样的规格

表2 芳纶纤维的线密度

由表2可以看出，两种芳纶1313纤维和芳纶1414A纤维的实际线密度比名义线密度大，芳纶1414B纤维的实际线密度比名义线密度小，两种芳纶1313纤维的线密度明显比两种芳纶1414纤维的线密度大.两种芳纶1313纤维的线密度CV值明显比两种芳纶1414纤维的线密度CV值大很多，CV值越大，说明纤维线密度之间的波动较大.

2.2 纤维的拉伸性能

两种芳纶1313纤维和两种芳纶1414纤维在干态和湿态下的拉伸性能指标分别如表3和表4所示.

表3 芳纶纤维的拉伸性能(干态)测试结果

表4 芳纶纤维的拉伸性能(湿态)测试结果

Tab.4 Test results of tensile properties of wet Aramid fibers

纤维试样种类断裂强力F/cN伸长L/mm断裂强度P/(cN·dtex-1)伸长率E/%断裂功W/mJ初始模量M/(cN·dtex-1)芳纶1313A7．294．144．2120．70275．7048．25芳纶1313B8．605．595．0527．78344．3153．46芳纶1414A19．000．8113．194．0573．01756．23芳纶1414B43．890．9330．474．62191．791621．21

由表3可以看出，干态下4种芳纶纤维断裂强度的排序为芳纶1414B纤维>芳纶1414A纤维>芳纶1313B纤维>芳纶1313A纤维，芳纶1414B纤维的断裂强度远远大于芳纶1414A纤维.湿态下，经蒸馏水湿处理，4种纤维的断裂强度都发生了变化，4种芳纶纤维的平均断裂强度均比干态时稍有减少，但芳纶1313纤维的强度下降率比芳纶1414纤维大，芳纶1313纤维的强度受损程度比芳纶1414纤维高，如表4所示.

由表3可以看出，干态下两种芳纶1313纤维的平均断裂伸长率明显大于两种芳纶1414纤维，两种芳纶1313纤维与两种芳纶1414纤维的平均断裂伸长率差别不大.干态下，4种芳纶纤维的平均断裂伸长率的大小排序为芳纶1313A纤维>芳纶1313B纤维>芳纶1414B纤维>芳纶1414A纤维.由表4可以看出，经蒸馏水浸泡后，两种芳纶1313纤维和芳纶1414纤维的平均断裂伸长率均略有减少.

由表3可知，4种芳纶纤维干态下的平均断裂功排序为芳纶1313B纤维>芳纶1313A纤维>芳纶1414B纤维>芳纶1414A纤维，两种芳纶1313纤维的平均断裂功远远大于两种芳纶1414纤维.由表4可知，4种纤维的平均断裂功都比干态时减少.

表3中，干态下初始模量的排序为芳纶1414B纤维>芳纶1414A纤维>芳纶1313A纤维>芳纶1313B纤维.芳纶1414纤维的初始模量远远大于芳纶1313纤维，经蒸馏水浸泡后，4种纤维的平均初始模量均比干态时减少，但芳纶1414纤维的初始模量仍远远大于芳纶1313纤维.

综上所述，干态下芳纶1313纤维和芳纶1414纤维的拉伸性能各项指标的差异都很大，表现为芳纶1313纤维的强度与初始模量都远小于芳纶1414纤维，但伸长率和断裂功却比芳纶1414纤维大很多；4种纤维在干湿状态下，各项拉伸性能指标的差异不大.

2.3 纤维的卷曲性能

由于芳纶1414纤维没有卷曲，故试验只测得芳纶1313A纤维和芳纶1313B纤维卷曲性能的各项指标，如表5所示.

表5 纤维的各项卷曲性能指标

由表5可知，芳纶1313A纤维和芳纶1313B纤维的卷曲数较多，可纺性好；芳纶1313A纤维和芳纶1313B纤维的卷曲率分别为16.09%与6.06%，即芳纶1313A纤维的卷曲程度较高，更有利于纤维的卷绕成型；芳纶1313A纤维和芳纶1313B纤维的卷曲回复率分别为13.53%和4.70%，即芳纶1313A纤维的卷曲回复能力较强、卷曲牢度更好；芳纶1313A纤维和芳纶1313B纤维的卷曲弹性回复率分别为86.79%和79.48%，即芳纶1313A纤维卷曲后更容易回复，卷曲耐久性和稳定性都比芳纶1313B纤维好.

综上所述，芳纶1313A纤维的各项卷曲性能都比芳纶1313B纤维好，即芳纶1313A纤维的卷曲弹性较好，发生卷曲后更容易回复，而且卷曲的耐久牢度与稳定性较好，这样可以有效防止芳纶1313A纤维在梳理时因卷绕成型困难而影响成条质量，可满足后续纺纱织造的要求.

2.4 纤维的红外光谱图

芳纶1313A纤维、芳纶1313B纤维、芳纶1414A纤维和芳纶1414B纤维的红外光谱图分别见图1至图4.

图1 芳纶1313A纤维的红外光谱图Fig.1 Infrared spectrum of Aramid fiber 1313A

图2 芳纶1313B纤维的红外光谱图Fig.2 Infrared spectrum of Aramid fiber 1313B

图3 芳纶1414A纤维的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of Aramid fiber 1414A

图4 芳纶1414B纤维的红外光谱图Fig.4 Infrared spectrum of Aramid fiber 1414B

综上所述，两种芳纶1313纤维和两种芳纶1414纤维大分子结构中均含有酰胺基、苯环等相同的官能团，但由于这两类纤维的波谱图不同，所以它们的大分子结构不同.由纤维的分子式可知，这两类芳纶纤维结构的本质区别是取代基在苯环上分别以间位和对位取代，这种间位和对位结构导致了两类纤维各种性能的差异.

2.5 纤维的热分析

通过热重法(TG)和差示扫描量热法(DSC)对芳纶1313A纤维、芳纶1313B纤维、芳纶1414A纤维和芳纶1414B纤维进行热分析，如图5至图8所示.

图5 芳纶1313A纤维的TG/DSC曲线Fig.5 TG/DSC curve of Aramid fiber 1313A

图6 芳纶1313B纤维的TG/DSC曲线Fig.6 TG/DSC curve of Aramid fiber 1313B

图7 芳纶1414A纤维的TG/DSC曲线Fig.7 TG/DSC curve of Aramid fiber 1414A

图8 芳纶1414B纤维的TG/DSC曲线Fig.8 TG/DSC curve of Aramid fiber 1414B

由图5至图8的TG曲线可以看出，这4种纤维的热失重曲线基本一致，分解过程大致可分为3个阶段：起始阶段，温度在100 ℃以内，纤维质量增加；第二阶段，100～250 ℃，纤维质量不变；第三阶段，250～600 ℃，纤维减少.起始阶段，纤维的质量增加了7%左右，主要是因为这一阶段纤维在高温环境下被氧化，纤维质量增加；DSC曲线图中，第三阶段存在较大的质量损失，吸热峰较强，250～500 ℃时吸热蒸发了芳纶中的水分与活性小分子，使其质量减少；500～600 ℃时吸热致使纤维碳化，大分子链段断裂和重组，加剧了质量损失.

从对TG/DSC曲线的定量分析可以看出，第一阶段纤维质量增加了7%左右.第三阶段，两种芳纶1313纤维明显的质量损失发生在250 ℃左右，芳纶1313A纤维从280 ℃开始出现明显的质量损失，当温度达到500 ℃时，质量损失为21.47%;芳纶1313B纤维从230 ℃开始出现明显的质量损失，当温度达到500 ℃时，质量损失为23.43%.两种芳纶1414纤维发生明显质量损失的温度比两种芳纶1313纤维高.芳纶1414A纤维从330 ℃开始出现明显的质量损失，当温度达到500 ℃时，质量损失为6%左右，当温度达到600 ℃时，质量损失为49.53%;芳纶1414B纤维从380 ℃开始出现明显的质量损失，当温度达到500 ℃时，质量损失为3%左右，当温度达到600 ℃时，质量损失为49.00%.

从4种纤维发生质量损失的起始温度与在相同温度时的质量损失和吸热峰的面积综合考虑，两种芳纶1414纤维的耐热性比芳纶1313纤维好.

2.6 纤维的吸放湿性能

根据试验结果，绘制芳纶1313A纤维、芳纶1313B纤维、芳纶1414A纤维与芳纶1414B纤维的吸湿和放湿曲线，如图9和图10所示.

图9 吸湿曲线Fig.9 Moisture absorption curve

图10 放湿曲线Fig.10 Wetting curve

由图9可以看出，芳纶1313A纤维的回潮率比芳纶1313B纤维大，芳纶1414A纤维和芳纶1414B纤维的回潮率很接近，两种芳纶1313纤维的回潮率比两种芳纶1414纤维大很多.4种纤维的吸湿性曲线趋势基本一致，吸湿曲线的斜率都是由大变小，即吸湿速率都是由大到小.芳纶1313A纤维在70 min时达到吸湿平衡，平衡回潮率为11.50%；芳纶1313B纤维在65 min时达到吸湿平衡，平衡回潮率为4.30%；芳纶1414A纤维在65 min时达到吸湿平衡，平衡回潮率为1.41%；芳纶1414B纤维在55 min时达到吸湿平衡，平衡回潮率为1.23%.从纤维的吸湿速率、平衡回潮率及达到平衡所需要的时间等指标综合考虑，芳纶1313纤维的吸湿性比芳纶1414纤维好.

由图10可以看出，两种芳纶1313纤维的起始回潮率比两种芳纶1414纤维大很多.在放湿过程中，4种纤维的放湿性曲线的趋势基本一致，呈现先快后慢的特点，即放湿速率由大到小.两种芳纶1414纤维达到放湿平衡的时间为50～100 min，两种芳纶1313纤维达到放湿平衡的时间为150～200 min.4种纤维相比，两种芳纶1313纤维达到平衡的时间明显比两种芳纶1414纤维长.4种纤维达到平衡时的回潮率如下：芳纶1313A纤维为11.92%，芳纶1313B纤维为4.69%，芳纶1414A纤维为3.75%，芳纶1414B纤维为7.76%，4种纤维的放湿平衡回潮率均比吸湿平衡回潮率大.

总之，4种纤维的吸湿性稍差，芳纶1313纤维的吸湿性比芳纶1414纤维好，芳纶1313A纤维的吸湿性比芳纶1313B纤维好且放湿平衡回潮率比吸湿平衡回潮率大.

3 结论

(1)芳纶1313纤维的线密度整体偏大且粗细变化程度也较高，干态下拉伸性能与芳纶1414纤维差异很大，湿态下各拉伸性能指标都较干态下降低，但变化不大.

(2)芳纶1313纤维的卷曲性能较好，芳纶1414纤维没有卷曲.

(3)芳纶1313纤维和芳纶1414纤维的大分子组成元素相同，但结构不同.

(4)芳纶1313纤维的耐热性和吸放湿性比芳纶1414纤维差，同种类不同产地的芳纶纤维性能也存在差异.

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Test and analysis on performance of Aramid 1313 fiber and Aramid 1414 fiber

GAO Xiuli，ZHU Jinzhong，GU Fucai

(CollegeofTextiles,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007,China)

Linear density，tensile strength，curling，infrared spectrum，thermal analysis and moisture absorption and desorption properties of the four kinds of Aramid fibers were tested and studied. Through analysis，it is concluded that fibers of different variety and origin have different properties, compared to Aramid 1414 fiber, linear density and discrete degree of Aramid 1313 fiber is larger, the dry strength is slightly lower, wet fiber will be easily damaged, with good crimp properties, they have the same macromolecules elements, but different structures; the heat resistance is poor, the moisture absorption is good.

Aramid fiber; mechanical property; thermal analysis; moisture absorption and desorption

2016-08-25

河南工程学院纺织科技与标准应用研究所资助项目(YJJJ2014006)

高秀丽(1974- )，女，河南郑州人，讲师，主要从事新型纺织品设计与性能检测分析方面的研究.

TS102.5

A

1674-330X(2017)01-0001-05