芳砜纶纺纱研究进展及其应用

2018-11-14井沁沁沈兰萍

纺织科学与工程学报 2018年4期

井沁沁，沈兰萍

(西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安 710048)

0 引言

芳砜纶纤维(商品名Tanlon，简称PSA)是我国具有独立知识产权的一种高性能合成纤维，具有良好的耐高温、阻燃等性能，在耐高温、防火领域中扮演着越来越重要的角色。另外，芳砜纶的电绝缘性、耐腐蚀、防辐射和化学稳定性优良，可广泛应用于防护制品、民用服装、过滤材料、电绝缘材料、摩擦密封材料等领域。

1 芳砜纶纤维概述

1.1 芳砜纶纤维的结构

芳砜纶(PSA)属于对位芳纶系列，学名为聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，PSA分子结构由酰胺基(-CONH-)、砜基(-S02-)和苯环键连接而成，其单体具有25%的间位结构和75%的对位结构。苯环的双键共轭使得酰胺基上氮原子的电子云密度显著降低，而其大分子链上又具有极强吸收电子的基团砜基(-SO2-)，且硫原子处于最高氧化状态。这些特性使得PSA的大分子结构(图1)很牢固，在高温条件下不易被破坏[1]。

图1 芳砜纶大分子结构

1.2 芳砜纶纤维的性能

1.2.1 基本力学性质

由于芳砜纶独特的大分子结构，其与美国杜邦公司生产的芳纶1313相比具有更加优良抗热氧老化性能。芳砜纶纤维的基本力学性质如下表1所示。

表1 芳砜纶纤维基本力学性质

1.2.2 耐热性和热稳定性

芳砜纶纤维具有良好的耐热性和热稳定性。芳砜纶纤维在250℃时的强度保持率为70%。虽然在高温350℃下时，其纤维内部结构被破坏，但是其强度依然能够保持原来的38%。当芳矾纶在250℃和300℃热空气中处理100h后，其强度保持率分别为90%和80%。实验表明，芳砜纶纤维可以长期在200℃高温环境中维持其基本物化性能[2]。芳砜纶纤维与其它常见高性能纤维的长期使用温度对比如图2所示。

图2 纤维长期使用温度

1.2.3 阻燃性

芳砜纶具有良好的阻燃性。芳砜纶织物在燃烧时不收缩或很少收缩，不会产生熔滴，火源撤离时其火焰自熄且极少有阴燃或余燃现象。芳砜纶纤维的极限氧指数LOI值为33，这使得PSA纤维的阻燃性能优于其它常见纤维。芳砜纶与不同纤维的LOI值如表2所示。

表2 芳砜纶与不同纤维LOI值

1.2.4 化学稳定性

芳砜纶在强酸及油中的强度保持率较高，但其耐强碱性能较差。芳砜纶纤维在80℃温度下，分别用浓度为30%的硫酸、盐酸、硝酸处理后，其强力变化如表3所示。

表3 芳砜纶纤维在不同强酸作用下强力变化

1.2.5 防辐射性

芳砜纶具有较好的耐辐射稳定性。其纤维经过Co60丙种射线不同剂量照射下物理性能的变化如表4所示。

表4 芳砜纶纤维不同剂量射线照射下强力变化

1.2.6 电绝缘性

芳砜纶纤维具有良好的电绝缘性，其相应绝缘参数如表5所示。

表5 芳砜纶相关电绝缘参数

1.2.7 染色性能

一般情况下，芳纶1313是不可染的，即使在加入特定载体的情况下，其染色的明亮度和色牢度也不理想，而国产芳砜纶在常规的高温高压条件下就可以进行染色，且染色种类繁多、色彩鲜艳、色牢度高。同时，染色成本较低，尤其适用于防护制品的生产。

2 芳砜纶纺纱存在的问题与措施

芳砜纶纤维表面光滑、摩擦系数小，其体积比电阻和初始模量较高造成纤维卷曲稳定性差，使得在纺纱过程中常常表现为：纤维间抱合力差，极易与纺纱机件摩擦而产生严重静电现象，纺制后的纱条蓬松、条干差且强力低。因此，芳砜纶的可纺性极差，要想提高芳砜纶制品的生产效率，需要解决的重要问题就是减少芳砜纶纺纱时的静电现象，从而提高纤维间的抱合力。目前，提高芳砜纶可纺性的主要措施如下。

2.1 合适的纤维长度

选择合适长度的芳砜纶纤维能在一定程度上提高其可纺性。董泽文等人[3]提出，合适的纤维长度有助于纺纱的顺利进行，在成纱线密度相同的条件下，分别选择纤维长度为31mm～52mm和59mm 的芳砜纶纤维进行纺纱，结果发现，长度在31mm～52mm范围内的纤维，其纱线的拉伸性能随着纤维长度的增加而增加，纱条条干也随着纤维长度的增加而逐渐改善。但是，当纱线长度为59mm及超过59mm时，由于纤维过长，反而更易与纺纱机件纠缠，从而降低其纤维束的强力，其相应纱线的强力和条干恶化。

2.2 预处理

在纺纱前，可利用纺纱油剂对芳砜纶纤维表面进行预处理。纺纱油剂是一种复配化学药剂，主要由平滑剂、乳化剂和抗静电剂混合复配而成，其机理在于：纺纱油剂中的平滑剂可以提高芳砜纶纤维表面的摩擦系数，从而减少纤维与纺纱机件之间的摩擦；抗静电剂的大分子与芳砜纶纤维表面作用后，可以产生一层水膜，以此来提高芳砜纶纤维的吸湿性，从而降低芳砜纶纤维的体积比电阻，使其表面电荷不易积聚，减少静电现象。目前常用的油剂有双S油剂和国产油剂，其主要区别在于平滑剂和抗静电剂种类的选择不同。由于芳砜纶大分子主链上的砜基 (-SO2-)是一个强吸电子基团，其在链端的氨基 (-NH2) 和羧基(-COOH-)的综合作用下，总体显示负电荷。因此，在进行油剂复配时，选择阳离子抗静电剂时的抗静电性能优于阴离子抗静电剂。

2.3 纺纱方式

2.3.1 纺纱技术

2.3.1.1 集聚纺纺纱

在最近的研究中，华里发等人[4]将环锭纺、赛络纺和集聚纺三种纺纱方式下的单纱和股线进行2次通用旋转组合设计后，通过对纱线的条干CV、毛羽指数和拉伸性能进行综合对比后发现，三种纺纱方式都能有效改善芳砜纶纺纱条干问题。采用集聚纺纺纱时，无论是单纱还是股线，其条干均匀度和成纱强力最高，赛络纺次之，传统的环锭纺成纱条干最差。

2.3.1.2 牵切纺纱

牵切纺纱较散纤维纺纱工序简单，流程短，且经牵切制条后的纱条中纤维平行伸直度比散纤维制条好。彭盛越等人[5]发现，利用牵切制条后芳砜纶纤维细度变细，离散度减小，纤维的拉伸性能较好，因而提高了芳砜纶纤维的可纺性。纺纱时可采用比散纤维纺纱较低的捻系数，提高细纱机的生产效率。与芳砜纶散纤维纺纱相比，采用牵切纺纱可以提高纱线的强力。

2.3.1.3 缆型纺纺纱

缆型纺的特殊结构决定了其成纱毛羽少且耐摩擦的特点，缆型纱与传统单纱相比，其物理性能及织造效率有明显提高。何文元等人[6]提出，利用缆型纺纺纱芳砜纶纤维时能有效减少纱条的毛羽，提高单纱强力。但是其成纱条干均匀度不如传统单纱，且其装置一旦出现问题，会对纱条总体强度产生影响。

2.3.2 芳砜纶混纺

芳砜纶纤维纯纺时，其阻燃性能极其优良，但是纯纺时，织造困难，且经织造加工后的织物强力低，难以满足产业及生活中的应用。为了更高效解决芳砜纶纺纱时出现的静电现象等问题，同时为了降低生产成本，国内目前较多采用混纺芳砜纶织物。由于很小比例的芳砜纶纤维就可以发挥其一定的优良性能，因此，可以根据芳砜纶织物的特定用途，通过将其与其他纤维进行一定比例的混纺，不仅能发挥芳砜纶相关的优良性能，还能提高其织物的服用性能。

2.3.2.1 芳砜纶与芳纶1313混纺

芳纶1313是美国杜邦公司生产的一种耐高温纤维，是目前所有耐高温领域中应用最广泛的一个品种。由于芳纶1313具有低刚度和高伸长的特性，在纺纱时，其纤维抱合力良好，可纺性好，但是其在高温条件下的尺寸稳定性较差，且难以染色。李向红等人[7]通过对芳砜纶与芳纶1313的性能进行研究，并对两者进行混纺处理，设定5种不同的混纺比进行纺纱发现，随着芳纶1313纤维含量的增加，芳砜纶/芳纶1313混纺纱的可纺性得到提高，纱线毛羽数量明显减少，纱线强力得到有效提高。其中最优混纺比为70/30时，纱线条干稳定，其混纺纱织物的强力和染色性能得到有效提高。但是，随着芳纶1313含量越来越多，当超过40%左右时，纱条毛羽数量又明显增加，纱条条干开始出现明显恶化。

2.3.2.2 芳砜纶与黏胶混纺

黏胶纤维由于其良好的吸湿性、染色性和可纺性，可将其与芳砜纶进行混纺。黏胶纤维的加入能够在一定程度上提高芳砜纶的可纺性。随着黏胶纤维含量的增加，混纺纱的强力、条干得到改善。崔启璐等人[8]通过研究发现，当芳砜纶/黏胶混纺比为60/40左右时，经过一定的阻燃性、透气性等后整理过程之后，混纺纱的手感、条干和吸湿透气等性能相较其它混纺比优良；但是当黏胶纤维含量超过40%左右时，虽然纱线的吸湿透气性也随之提升，混纺纱的阻燃性却开始下降，不利于阻燃混纺纱的生产。

2.3.2.3 芳砜纶与棉混纺

天然棉纤维由于优良的吸湿透气性、染色性和服用舒适性等性能，可将其与化学纤维进行混纺，从而提高纤维的可纺性，改善化学纤维服用舒适性等问题。由于芳砜纶纤维的成本较高，一般广泛应用于产业上阻燃防护服的生产加工，很少应用于家居服领域。但是随着人们生活水平的提高，对生活质量的要求越来越高，这可以体现在人们对日常服装的要求不再是简单的穿着，而是希望具有更多的功能来满足其更高的要求。因此，可以考虑将其应用于人们日常生活中。比如，人们目前穿着使用的普通围裙，其耐热性及热稳定性极差，为了解决这个现状，可以利用阻燃围裙来替代目前人们使用的普通围裙。考虑到成本问题，通过选择合适的混纺比，将其与棉纤维进行混纺，该混纺织物既具有棉织物的蓬松、柔软、舒适，又具有芳砜纶优良的阻燃性。

2.3.2.4 芳砜纶与羊毛混纺

由于羊毛的弹性、蓬松性、保暖性和透气性等优良性能，其已经成为纺织工业上的重要原料。兰红艳等人[9]通过对羊毛性能的研究，初次尝试将芳砜纶与羊毛进行混纺，试验中随着羊毛含量的增加，纺纱过程中的静电现象逐渐减少，纤维整体的可纺性得到有效的改善。但是随着羊毛含量增加到一定值，纱条总体断头现象严重，粗细节数量增加，使得纱线强力降低。

总的来说，在实际生产中将芳砜纶与其它纤维进行混纺时，并不是其中某种纤维的含量越高越好，要根据混纺织物最终的用途进行一定的纱线设计后，进而进行相关织物开发，该过程需要研究者做到：

(1)选择合适的混纺纱原料。原料决定性能，在进行纱线设计时，应根据织物的最终用途，选择合适的原料。比如，在进行消防服的设计时，根据相关标准，织物最外层必须具有相当高的阻燃性，因此外层织物可选择阻燃性好的原料与芳砜纶混纺达到阻燃要求，而舒适层在阻燃、耐高温的基础上，还需要一定的服用舒适性，此时，可将芳砜纶与棉纤维混纺来达到要求。

(2)选择合适的混纺比。混纺比对混纺纱的设计起着决定性作用，其在一定程度上影响着混纺纱的性能。如芳砜纶/芳纶1313混纺纱设计时，由于芳纶1313与芳砜纶纤维一样表面比较光滑，在纺纱过程中易产生静电，所以当芳纶1313含量过多时，其纤维与纤维间、纤维与纺纱机件间的摩擦更频繁，产生的静电现象更严重，反而使其纱条毛羽增加、强力降低。另外，在进行同一种性能的混纺纱设计时，其相应性能的混纺比并不是确定的，而是在一定范围内波动的，这是由实验原料的物理指标，如纤维细度等以及由实验的环境，如温湿度等决定的，或者后整理过程造成。如在进行芳砜纶/黏胶阻燃混纺纱设计时，除了选择60/40的混纺比，也可以选择含量较低的芳砜纶，可以对其进行一定的后整理提高其阻燃性。

(3)选择合适的纺纱工艺。比如，在进行芳砜纶/芳纶1313混纺纱设计时，可以采用“轻定量，慢速度”纺纱工艺。而芳砜纶/羊毛混纺纱设计时，由于半精梳工艺流程的简单，使混纺纱减少了与纺纱机件的摩擦次数，提高了纺纱效率。因此，利用半精纺工艺系统比精纺工艺系统在提高可纺性方面更占优势。

2.4 纤维表面改性处理

纤维表面改性是指利用物理或化学方法对纤维表面进行一定的处理，从而改善纤维表面性能，是目前对纤维进行改性的有效方法。目前常用的纤维表面改性方法有化学改性和等离子体改性。化学改性是利用将纤维置于特定的化学溶剂中，通过化学溶剂的作用，达到改变纤维性状的目的。但是由于化学改性过程具有污染环境、成本高、处理后的纤维质量难以控制等缺点，目前人们逐渐倾向于节能、无污染的等离子体和超声波改性技术。

2.4.1 等离子体改性技术

等离子体改性是在一定温度、压力条件下利用等离子体中的活性粒子对纤维表面进行轰击，其主要是通过对纤维表面的改性，来提高纤维表面的润湿性、粘结性和染色性。等离子改性与传统纤维表面改性技术不同，它只是对材料表面极薄的一层进行处理，往往在纤维表面50nm～100nm处发生物理或者化学变化，一般不会对纤维及其织物的整体性能产生影响。最近研究表明，无论是在空气、氧气、氦气亦或者氦气/氧气环境下使用等离子体对芳砜纶纤维进行表面改性时，都能使纤维的摩擦性能增强，纤维表面极性基团增加，从而提高纤维表面润湿性能[10]。

2.4.2 常温超声波改性技术

常温超声波改性技术是利用超声波的空化与机械作用对纤维表面进行刻蚀，以此来增加纤维表面的粗糙度和比表面积，增大纤维与树脂界面间的机械粘结力。超声波的空化作用会产生瞬时的高温和高压，在被处理纤维表面引入极性基团，提高纤维复合材料界面的化学键合能力。彭浩凯等人[11]发现，经过超声波处理后的芳砜纶纤维表面产生沟槽，其纤维表面逐渐变得粗糙，增强了纤维间的摩擦，从而提高纤维之间的抱合力。但是当处理时间超过一定值时，纤维表面开始产生一些凸状的碎片，反而降低了纤维的界面结合能力，使改性效果适得其反。

等离子体改性能在一定程度上改善芳砜纶纤维的抱合性、吸湿性等性能，解决芳砜纶纺纱时的缠绕和静电现象。目前超声波技术处理纤维及其织物研究越来越深入，多用来提高纤维及其织物的润湿性，而利用超声波技术处理芳砜纶纤维的研究鲜有报道。但是相比传统化学改性等方法，该技术处理芳砜纶具有效率高、成本低、无污染等优点，且其对纤维的改性结果显著。同时这两种方法也有一定的弊端：等离子体处理具有时效性，不能长时间储存，处理后的芳砜纶纤维强力下降，这对强力要求高的织物而言无疑是不利的；利用超声波改性对纤维处理时，超声波的频率、处理的温度以及处理时间的轻微改变都会对处理结果产生影响。因此，必须将各个指标严格控制在一定范围内。

3 芳砜纶的用途

材料的性能决定其用途，国产芳砜纶具有多种优良的性能，这就决定了芳砜纶具有广泛的应用潜能。目前芳砜纶已经应用在了很多领域，并取得了一定的进展。

3.1 防护材料

芳砜纶优良的耐高温、阻燃性能，使其在高温防护领域具有广泛应用，如消防服、消防战斗服、防火服、炉前工作服、电焊工作服、防火帘、防火手套；在防辐射领域中防辐射工作服的生产；化工领域应用的化学防护服。另外，还可用于制备宇航服、特种军服、军用蓬布等。

3.2 过滤材料

该过滤材料是指耐高温、耐化学试剂、耐腐蚀等方面的过滤材料。由于在冶金工业、化学工业、石油工业、电力工业等工业生产中，都会不可避免地产生一些高温含粉尘，这些粉尘的平均温度在200℃左右。因此，用于产业用的过滤材料必须具有良好的耐高温性及高温稳定性。而芳砜纶良好的耐热性和抗热氧老化稳定性，且在270℃以内能保持良好的尺寸稳定性，以及良好的化学稳定性等。因此，适宜用于这些领域的过滤材料，尤其适用于耐高温滤料的制备，如烟道气除尘过滤袋。