PBO纤维力学强度表征其耐酸性的研究

刘姝瑞　谭艳君　霍倩　韩军强

摘要：为研究PBO纤维的耐酸性，本文采用不同质量分数的硫酸、硝酸、盐酸分别对PBO纤维处理不同时间，通过对处理后纤维力学性能的表征，并根据耐酸性测试标准对PBO纤维的耐酸性进行测试，结果表明，60%的硫酸处理24 h，纤维强力保持率为20.95%；40%的硝酸处理24 h，纤维强力保持率为39.05%；37%盐酸处理24 h，纤维强力保持率为34.1%。PBO纤维经酸处理前后的力学性能直观的反应纤维的耐酸性。

关键词：聚对苯基苯并二噁唑纤维；强力保持率；耐酸性

中图分类号：TS195.54文献标志码：A文章编号：1009-265X（2017）04-0015-05Research on Acid Resistance Property of PBO fiber

Characterized by Its Mechanical Strength

LIU Shuruia， TAN Yanjuna， HUO Qianb， HAN Junqianga

（a.School of Textile and Materials， b.Cooperative Innovational Center for Technical

Textiles Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）Abstract：In order to study acid resistance property of PBO fiber， H2SO4， HNO3 and HCl with different concentration were used to treat PBO fiber for different time. Mechanical properties of the treated fiber were characterized. Acid resistance property of PBO fiber was tested according to acid resistance test criteria. The results show that after the PBO fibers were treated by 60% H2SO4， 40% HNO3 and 37% HCl for 24 hours， the strength retention rates are 20.95%， 39.05%， and 34.1% respectively. And the mechanical properties of PBO fiber before and after acid treatment can vividly reflect acid resistance property of PBO fiber.

Key words：polypphenylene benzobisoxazole fiber； strength retention rate； acid resistance property

PBO纖维因其良好的性能被广泛应用，主要用途[89]为增强材料、耐热防护服、防弹防护设备及服装等。防护产品是PBO一大特色应用，而目前尚无对PBO纤维耐酸性测试的研究，因此对PBO纤维的耐酸性研究十分重要。

1实验

1.1实验材料与仪器

材料：PBO纤维（日本Toyobo公司）。

药品：盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、无水乙醇（分析纯，西安三浦化学试剂有限公司）。

仪器：YG（B）006型电子单纤强力仪（宁波纺织仪器厂），KYKY2800扫描电子显微镜（中科科仪技术发展有限公司），JA3003N电子天秤（上海精密科学仪器有限公司），A0035电热鼓风干燥箱（上海市实验仪器总厂）。

1.2实验方法

用电子天平称取0.02 g清洗干燥后的PBO短纤维若干份，并配制2 mol/L氢氧化钠溶液，用于PBO纤维酸处理后对PBO的清洗。

配制一定质量分数的酸溶液各25 mL，然后分别量取3 mL配置好的溶液倒入清洗干净的烧杯中，各量取4份，放入0.02 g PBO纤维，使纤维完全浸泡在溶液中，将烧杯放在避光环境中。硫酸质量分数为20%、40%、60%，硝酸溶液的质量分数为20%、40%、60%，盐酸溶液的质量分数为15%、25%、37%，各溶液分别处理2、6、15、24 h。

酸处理后，用配制的氢氧化钠溶液洗涤多次，再用大量蒸馏水冲洗，直到洗涤液呈中性。

2结果与讨论

2.1硫酸对PBO纤维力学性能的影响

2.1.1硫酸质量分数对PBO纤维力学性能的影响

硫酸质量分数对PBO纤维力学性能的影响如图1所示。纤维强力和强力保持率随着硫酸质量分数的增加而降低。20%的硫酸对PBO纤维强力的影响较小，经过24 h处理的纤维强力保持率仍然在75%以上，说明PBO纤维耐20%的硫酸性能较好。40%的硫酸处理PBO纤维，强力下降迅速，此时处理时间为2 h，纤维强力保持率为56.25%，而处理6 h强力保持率为44.36%，强力下降55.64%，说明40%的硫酸对纤维强力下降影响十分巨大，几乎不再具备服用性能。60%的硫酸处理PBO纤维，可看到纤维强力损伤特别大，强力保持率均在21%以下，处理2 h的纤维强力仅剩7.31 cN，此时的纤维几近溶解。说明纤维不耐60%的硫酸。

2.1.2硫酸处理时间PBO纤维力学性能的影响

不同处理时间对PBO纤维力学性能的影响如图2所示。随着处理时间的增加，纤维强力下降，纤维强力保持率降低。硫酸质量分数处理的前2 h，是纤维强力下降最快的阶段。3种质量分数的硫酸处理6 h后，纤维强力下降开始趋缓，说明硫酸对纤维强力的影响主要在前6 h。20%的硫酸处理2 h，纤维强力保持率为86.62%，下降了13.38%；处理6 h，强力保持率为83.27%，相较于处理2 h的PBO纤维来说，强力下降了3.87%；处理15 h，纤维强力保持率81.41%，与处理2 h相比，强力下降6.02%；处理24 h，强力保持率77.31%，强力下降22.69%，相较于处理2 h的纤维强力，下降了10.75%；说明时间的长短对硫酸处理纤维强力的影响较小，判断纤维耐酸性，可以只用测试纤维前6 h的强力变化趋势。

图2硫酸处理时间对PBO纤维力学性能的影响

总的来说，酸的质量分数对PBO纤维的损伤较大，PBO纤维不耐浓硫酸，在60%浓硫酸的作用下，几乎溶解。处理时间对PBO纤维强力有一定影响，时间越长，强力损伤越大，纤维处理6 h以后，强力下降几乎呈线性，3种质量分数硫酸处理6 h以后，下降趋势几乎一样，说明时间对PBO纤维强力的影响几乎与质量分数关系不大。因此在对PBO纤维进行耐硫酸测试时要根据实际情况选取适当的质量分数，观察其前6 h强力变化即可。

2.2硝酸对PBO纤维力学性能的影响

2.2.1硝酸质量分数对PBO纤维力学性能的影响

硝酸质量分数对PBO纤维力学性能的影响如图3所示。硝酸对PBO纤维的作用十分强烈，随着硝酸质量分数的增加，纤维强力显著降低，强力保持率也显著降低，20%的硝酸作用于纤维15 h，纤维强力保持率仅为61.7%，40%的硝酸处理PBO纤维2 h，强力保持率为55.73%，硝酸质量分数对PBO纤维强力的影响很大，处理2 h的和处理6 h的强力下降速率几乎一致，15 h和24 h的趋势、下降速率几乎也一致，说明硝酸质量分数与强力之间存在一定的线性关系。硝酸质量分数为60%时，PBO纤维强力损伤极大，尤其是处理15 h和24 h，PBO纤维强力为0，15 h纤维只剩残渣，24 h纤维几乎溶解。总体来讲，PBO纤维耐硝酸性效果不好。

2.2.2硝酸处理时间对PBO纤维力学性能的影响

不同处理时间对PBO纤维力学性能的影响如图4所示。由图4可知，随着处理时间的增加，纤维强力和强力保持率均有所下降。但是在处理15 h以后，纤维强力下降幅度很小，说明硝酸对PBO纤维的作用主要集中在前15 h。60%的硝酸处理15 h，强力已经为0，24 h PBO纤维几乎溶解。因此硝酸处理PBO纤维的时间不宜过长。

综上所述，PBO纤维只在较短处理时间（2～6 h）对20%的稀硝酸保持较好的单纤强力。用硝酸处理PBO纤维，处理时间不宜过长，浓度不应过高，应在20%左右；对纤维进行耐硝酸性测试，只需要测试其前6 h的强力保持率。

2.3盐酸对PBO纤维力学性能的影响

2.3.1盐酸质量分数对PBO纤维力学性能的影响

盐酸质量分数对PBO纤维力学性能的影响如图5所示。随着盐酸质量分数的增加，纤维强力迅速下降，纤维强力保持率降低。对于处理2 h的PBO纤维来说，盐酸质量分数在15%～37%之间，强力下降速率基本一致，而处理6 h、15 h及24 h的PBO纤维，盐酸质量分数25%～37%的强力下降速率较大，说明其强力下降速率随着盐酸质量分数的增高而增大。37%的浓盐酸处理PBO纤维6 h以上，其强力均低于17.5 cN，强力保持率低于50%，所以此时其基本失去良好的服用价值。25%的盐酸处理24 h强力保持率53.18%，15%的盐酸处理24 h强力保持率为57.54%，15%～25%盐酸处理15 h以内强力保持率在60%以上，说明PBO纤维在15 h以内对低浓度和中浓度的盐酸有较好的强力保持率。

2.3.2盐酸处理时间对PBO纤维力学性能的影响

盐酸的不同处理时间对PBO纤维力学性能的影响如图6所示。由图6可知，随着处理时间的增加，纤维强力下降，强力保持率下降，同时通过强力下降速率可以看出，随着时间的增加，纤维强力下降减慢，趋于平缓，说明盐酸处理纤维对纤维作用主要集中在前2 h。质量分数越大的盐酸处理PBO纤维，前2 h纤维强力下降越大；2～6 h纤维强力下降速率随盐酸质量分数增大而增大。15%和25%的盐酸处理PBO纤维其强力在0～24 h处理时，强力下降均小于37%盐酸处理纤维的强力，即使处理时间为2 h，37%盐酸强力下降小于60%，再一次说明PBO纤维强力不耐37%的盐酸。若要对PBO纤维进行耐盐酸测试，除了要考虑盐酸浓度外，还需要对处理时间进行考虑，由图可看到，即使15%的鹽酸处理PBO纤维在24 h仍然有下降趋势，而且下降趋势较为明显。因此处理时间也是纤维耐盐酸测试中所必要的因素。

综上所述，PBO纤维在24 h以内对中低质量分数的盐酸都有较好的强力保持率，对其进行耐盐酸测试时，时间和质量分数都需要进行考虑。

2.4PBO纤维耐酸性比较

由于目前缺少对纤维耐酸性测试较好的标准，因此参考GB 24540—2009《防护服装 酸碱类化学品防护服》标准[10]中关于防护服装耐酸碱性测试中对酸质量分数选取的要求，选取80%硫酸，30%盐酸，40%硝酸进行对比。由于试验中没有使用80%的硫酸，因此按照60%硫酸进行对比。

由于本文实验中没有单独测试30%盐酸处理PBO纤维的强力，在之前分析的基础上，采用25%～37%之间按线性规律计算得出，通过以上分析可知，实际强力应略大于计算数据。

由图7可知，PBO纤维强力均随处理时间的增加而降低。硝酸的速率在处理2 h后，下降缓慢，可能是因为前2 h纤维损伤过大，已经失去了服用价值。3种酸强力下降速率都随着时间的增加而有所放缓，说明酸对PBO纤维的影响主要集中在前几小时，因此判断PBO纤维是否耐酸，耐酸程度怎样，只需要看它前2～6 h强力下降情况即可。根据标准中对服装的要求，可以看到PBO纤维耐硫酸很差，耐盐酸和硝酸要好一些。因此PBO纤维在作为防护服时，需要特别的对硫酸进行防酸改性。

2.5扫描电镜分析

通过纤维耐酸性比较，选取以上3种酸处理24h的纤维，进行扫描电镜测试分析，如图8所示。

由图8可知，3种酸对PBO纤维的作用效果不同。具有超强氧化性的硝酸处理纤维，如图8（c）所示，破坏纤维的整体结构，纤维大量分裂，丧失服用性能；硫酸减弱纤维中原纤间的作用力，使纤维原纤化，纤维首先发生开裂，开裂后纤维中间致密部分被腐蚀，纤维强力大幅下降，同时纤维伴有扭结现象，从而使纤维强度的分散性增大，如图8（a）所示；盐酸使纤维表面产生腐蚀，如图8（b）所示，摩擦度增加，并伴有表层剥落，降低纤维的强力。因此3种酸中盐酸对PBO纤维腐蚀能力最小。

3结论

用3种酸处理PBO纤维，通过力学角度分析纤维的耐酸性，所得结果如下：

a）质量分数越大的酸处理PBO纤维，其强力损伤越大，强力保持率越低；低质量分数的酸处理PBO纤维，其强力损伤相对较小。

b）处理时间越长，纤维强力下降越大，强力保持率越低。纤维强力下降的速率随着时间的延长逐渐放缓。

c）3种酸中，PBO纤维耐硝酸性最差，其次是硫酸，最好的是盐酸。

d）纤维的耐酸性，可以通过用酸处理，并测试其前6 h的强力变化，就能判断出纤维的耐酸性。纤维处理在6 h内，其强力保持率小于60 %，说明其耐酸性差。

e）对纤维耐酸性测试时，需要考虑酸质量分数对纤维的影响。酸质量分数对PBO纤维影响很大，高质量分数的酸短时间处理PBO纤维就能使其强力大幅下降，低质量分数的酸长时间处理PBO纤维，强力虽有所下降，但下降速率很慢。

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（责任编辑：唐志荣）