聚全氟乙丙烯纤维织物的制备及其性能

潘金峰，肖长发,2，闫静静，封 严，朱正涛

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室，天津 300387)

随着科学技术的进步与发展，产业用纺织品在高新技术领域的应用引起广泛关注。人们对其性能要求也越来越高，尤其是在一些苛刻条件下的应用，如酸碱环境或长期处于户外等，这对纺织品的耐酸碱及耐老化性能等都是一个重大考验。聚全氟乙丙烯(FEP)是四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚物，HFP的质量分数约为18%，是聚四氟乙烯(PTFE)的一种改性材料，具有良好的力学性能、优异的耐化学稳定性(耐酸碱、有机溶剂)、耐高温、低摩擦、疏水、耐老化性能等，在具有与PTFE相似性能的同时，克服了其难熔融加工的缺点，具备良好的可热塑加工性能，利于回收，有一定环保性[1-2]。故FEP纤维织物可用于高温粉尘滤袋、耐强酸碱及有机腐蚀性气体或液体的织物过滤材料、工业或特殊用布等。

FEP纤维织物的相关研究报道目前很少：姜兆辉等[3-4]研究了FEP纤维的基本性能；刘海辉等[5]对FEP纤维纺丝工艺及不同拉伸倍数后的性能进行了分析。部分专利叙述了FEP纤维及其滤网的制备方法：杨彦昊等[6]通过熔融纺丝法制备出FEP纤维，还提出FEP纤维编织的气液过滤网可用于气液分离装置；钟校[7]将FEP长丝经织机编织成织物后经浸渍、定型工艺制备出滤网成品，但对FEP纤维织物的制备及其性能未做深入研究。本文以实验室自制FEP纤维为原料，通过纺纱、织造工艺制备平纹机织物，并对织物的性能进行表征与分析。

1 实验部分

1.1 仪器及材料

仪器：DSTw-01型数字式小样并捻联合机、半自动织样机，天津市嘉城机电设备有限公司；YG(B)461D-I型数字式织物透气量仪，常州第一纺织设备有限公司；KRÜSS-DSA100型动态接触角测定仪，德国Krussa公司；YG(B)216-II型织物透湿量仪、YG(B)522型织物耐磨仪，温州大荣纺织仪器有限公司；JBDL-200 N型电子拉力试验机，扬州精博实验机械有限公司；UV-TEST型紫外冷凝老化试验箱，云谱仪器(上海)有限公司；DSC2003F3型差式扫描量热分析仪，德国NETZSCH公司；D8DISCOVER型X射线衍射仪(XRD)，德国BRUKER公司；Nicolet iS50型傅里叶红外光谱仪(FT-IR)，赛默飞世尔科技公司。

材料:聚全四氟乙丙烯 (FEP)纤维，实验室自制；浓硫酸(H2SO4，质量分数为98%)、氢氧化钠(NaOH)，分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；十氢萘，分析纯，山东西亚化学工业有限公司。

1.2 FEP纤维织物制备

1.2.1纺纱工艺

选用线密度为70 tex、断裂强度为0.71 cN/dtex的FEP纤维加捻。设计捻度为20 捻/(10 cm)，出条速度为10 m/min，Z捻。加捻所得纱线线密度为71 tex。

对加捻后的FEP纱线进行合股，设计捻度为 20捻/(10 cm)，出条速度为10 m/min，S捻；选取钢丝圈为240 mg。合股所得纱线线密度为128 tex，作为经纬纱来织造织物。

1.2.2组织结构设计

在满足使用强度条件下，织物组织结构和织造工艺要简单方便，利于实现产业化。同时为减少因断头和开口不清产生的织疵，本文采用飞穿法穿综，由于纱线较细，穿筘时选择每筘2入。图1为FEP纤维织物上机图。

图1 FEP纤维织物上机图Fig.1 Looming draft of FEP fiber fabric

1.2.3织造参数

织物织造过程中，可根据所用纱线粗细、织物组织结构、性能要求以及产品用途等来设计经纬密度，通过幅宽来确定整经根数。本文织造FEP纤维织物时设定经密为180 根/(10 cm)，采用分条整经，筘号90#，综片页数为4。考虑到织物织造时会发生经缩，因此，实际整经根数为486，最后所得织物幅宽为250 mm，厚度为0.51 mm。

1.3 性能测试

1.3.1织物透气与透湿性能测试

采用织物透气量仪，参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测试织物的透气性能。实验面积为20 cm2，压差为200 Pa，经校准选用5号喷嘴。

参照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》用织物透湿量仪测试织物透湿性能。实验箱环境温度为(38±2) ℃，相对湿度为(50±2)%，气体流速为0.3～0.5 m/s。实验组为封有FEP织物的组合体织物透湿率,由下式计算得出。

(1)

式中：WWVT为透湿率，g/(m2·24 h)；Δm为实验组实验前后2次质量之差，g；Δm0为对照组实验前后2次质量之差，g；本文实验无对照组，Δm0的值为0；A为有效实验面积，本实验装置为0.002 83 m2；t为实验时间，h。

1.3.2织物力学性能测试

参考GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能》，采用电子拉力试验机测试织物的经、纬向拉伸断裂性能。试样尺寸为10 mm×150 mm，夹钳隔距为100 mm，拉伸速度为100 mm/min，预加张力为5 N。

参照GB/T 3917.2—2009《纺织品 织物撕破性能》，用单缝裤型试样法测试织物的经、纬向撕破性能。裤型试样尺寸为50 mm×200 mm，从宽度方向正中切100 mm平行于长度方向的裂口，在试样中间距末切割端25 mm处标出撕裂终点；测试时两夹钳分别夹住2条裤腿，使切割线与夹具中心线对齐；夹钳隔距为100 mm；拉伸速度为100 mm/min。

裁剪3块圆环型试样，外圆直径为125 mm，内圆直径为10 mm，分别称取其质量并记录，将试样放入织物耐磨仪中试验后再次称取其质量。在转速为60 r/min时磨损200次。根据下式计算织物的单位面积质量损失W，g/cm2和耐磨指数A，次/g。

(2)

(3)

1.3.3织物热性能测试

裁剪尺寸为10 cm×10 cm的试样若干，在恒温恒湿环境中(温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±3)%)调湿24 h，分别放入到设定温度为50、100、150、200 ℃的烘箱内处理1 h取出，测其经、纬向长度；再将调湿后的试样分别放入到设定温度为100、150、200 ℃的烘箱内处理2、3、4、5 h后取出，测其经、纬向长度。根据下式计算织物热收缩率:

(4)

式中：L0为实验前长度，cm；L1为实验后长度，cm。

1.3.4织物耐化学试剂性能测试

裁剪3块尺寸为200 mm×200 mm的试样，分别浸渍到常温下盛有质量分数为98%H2SO4、质量分数为10%NaOH及十氢萘的烧杯中，24 h后取出试样，用去离子水洗涤，除尽织物上的化学试剂，在常温下自然晾干。通过对处理前后试样热分析及结晶结构、化学结构、拉伸性能分析来表征织物的耐化学试剂性能。

热分析：采用差式扫描量热分析仪对试样进行测试分析，实验温度从室温升至300 ℃，升温速度为 10 ℃/min，氮气保护。

结晶结构：采用X射线衍射仪对试样进行测试，采用Cu-Kα辐射源，波长λ为0.154 18 nm，扫描步长为0.05°，扫描范围2θ为5°～40°。利用Peak-fit软件对试样晶面衍射峰半高宽进行分析，再通过谢乐公式计算晶粒尺寸[8]。

式中：L为晶粒尺寸，nm；k为Scherrer形状因子，其值为0.89；λ为X射线波长，nm；B为晶面衍射峰半高宽，rad。

化学结构：采用傅里叶红外光谱仪对试样进行测试。扫描范围为4 000～400 cm-1。

1.3.5织物耐老化性能

参考AATCC 186—2009《纺织品的耐气候性：紫外光和湿态暴晒》和ISO 1419—1995《橡胶或塑料涂层织物 加速老化实验》，采用紫外冷凝老化试验箱测试织物耐老化性能。裁剪2块尺寸为200 mm×200 mm的试样，经过老化实验的FEP纤维织物为实验组，未经处理的为对照组。试样连续辐照暴露，试验箱黑板设定温度为40 ℃，每个紫外灯管的紫外辐照度为1.40 W/m2(实验箱含有4个同等规格的紫外灯管)，实验时间为168 h(7 d)，通过测试拉伸性能表征织物耐老化性能。

2 结果与讨论

2.1 透气与透湿性能分析

对织物透气性最主要的影响因素是孔径分布、大小以及数量。从另一角度分析，透气量主要取决于纱线直径、密度和厚度[9]。通过测试，FEP纤维织物透气率为791.21 mm/s，本文所织造织物相对较厚且孔径较小，但FEP纤维制备的纱线摩擦系数小，表面光滑无毛羽，故气流通过织物孔隙时几乎不受阻力，因此，最后所得织物透气率也相对较大。

对于光滑平面来说，仅使用接触角可以说明其表面亲疏水性能。图2为FEP纱线的接触角示意图。可知，FEP纱线的接触角为115.8°，具有疏水性[10]，间接表征FEP织物具有一定拒水特性。通过计算，FEP织物透湿率为2 429.68 g/(m2·24 h)。出现该现象的原因为：一方面织物织造时工艺的选择以及打纬时较紧使得孔径较小，故单位时间内通过织物的水蒸气较少；另一方面，亲水性纤维具有较高表面能，因此，比疏水性纤维更易吸收水分。相反，疏水性纤维具有较低表面能，排斥水分。而FEP纱线与水的接触角为115.8°，当接触角大于90°时，织物具有拒水特征，而且织物组织结构越紧密，经纬密越大，织物孔隙越小，拒水效果越明显，当水蒸气从织物一面扩散到另一面时所受阻力也较大。由于机织物本身具有一定孔隙，使其有一定透湿率，但数值相对较小。

图2 FEP纱线的接触角Fig.2 Water contact angles of FEP yarn

2.2 力学性能分析

图3示出FEP纤维织物的拉伸性能。可知：织物经向所能承受的最大载荷为149.7 N，断裂伸长率为37.7%，断裂强度为29.4 MPa；纬向所能承受的最大载荷为125.2 N，断裂伸长率为25.9%，断裂强度为24.5 MPa，表现出良好的力学性能，且经向强度高于纬向。主要是打纬时力度不足和用力不均，导致织物纬密偏小且不均匀，使得纬向力学性能低于经向。

图3 FEP纤维织物的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of FEP fiber fabrics

通过对织物撕破性能测试可知，FEP纤维织物经、纬向撕破强力分别为71.05、88.44 N，纬向大于经向。影响织物撕破强力的主要因素为纱线的断裂强力和断裂伸长率，且与纱线的力学性能成正相关，FEP纱线断裂强力为10.11 N，断裂强度为0.79 cN/dtex，断裂伸长率为20.5%。采用单缝法测试织物撕裂性能时，纱线逐根发生断裂，且牵伸力的方向与断裂纱线的原轴向垂直[11]。由于FEP纱线有良好断裂强力和断裂伸长率，故织物撕裂强力也较大。本文所织造织物纬密小于经密且打纬时力度不足，所以沿着纬向的撕破强力大于经向。

通过对织物耐磨性能试与分析可知，FEP纤维织物的单位面积质量损失为5×10-5g/cm2、耐磨指数为 2×105次/g，表现出优异的耐磨性能。其原因是含氟纤维织造的织物表面光滑无毛羽，摩擦因数极小[12]，故织物与砂轮接触时，损耗较少，质量几乎不变。此外，FEP纤维本身也具有较好的耐磨性能和力学强度，对织物的耐磨性能起到增强作用。

2.3 热性能分析

FEP纤维织物热收缩率随温度变化曲线如图4所示。可知织物经、纬向热收缩率都随温度升高而增大。当温度相同时，经向热收缩率大于纬向，其主要原因是织物在织造过程中，与纬纱相比，经纱一直受到牵伸力的作用，储存了部分内应力；自然状态下织物会发生微小收缩来释放部分内应力，另一方面，在热收缩实验过程中，高温会促使经、纬纱中内应力全部释放[13]，因此，经向热收缩率大于纬向。实验时在温度为200 ℃条件下处理1 h，织物经向热收缩率为23%，纬向热收缩率为16%，考虑到内应力对织物热收缩性能的影响，在熔融纺丝法制备FEP纤维时，通过调整牵伸辊速度比，FEP纤维的内应力部分释放，使织物热收缩性能得到一定程度改善，提高尺寸稳定性。

图4 FEP织物热收缩率随温度变化曲线Fig.4 Thermal shrinkage curve of FEP fiber fabric with temperature

FEP纤维织物热收缩率随时间变化曲线如图5所示。可知当处理时间超过一定数值后，织物经、纬向热收缩率不再发生变化，表现出优异的耐高温性能以及尺寸稳定性，可将织物应用到高温条件下长时间工作的领域，其性能满足使用要求。

图5 不同温度下FEP纤维织物热收缩率随时间变化曲线Fig.5 Thermal shrinkage curve of FEP fiber fabric under different temperature with time.(a) Warp direction; (b) Weft direction

2.4 耐化学试剂性能分析

不同化学试剂处理后FEP纤维织物的热分析曲线如图6所示。可知曲线在250～280 ℃范围内有一显著吸收峰，是高聚物由黏流态向高弹态的转变，其峰值为熔点(Tm)，可知不同化学试剂处理前后试样的熔融温度几乎没有差异，都在265 ℃左右。

图6 不同化学试剂处理后FEP纤维织物的热分析曲线Fig.6 DSC curves of FEP fiber fabrics treated with different chemical reagents

表1示出试样熔融温度和相对结晶度。可知，不同化学试剂处理前后织物的熔点和相对结晶度均发生了微小变化，这可能是由于微量化学试剂渗透到FEP纤维结晶区，破坏了大分子的有序结构，极少部分结晶区转化为非结晶区，因此，试样结晶度有较小程度的下降，但经化学试剂处理后，试样的整体结晶结构并未被破坏，表现出优异的耐化学试剂性能。

图7示出不同化学试剂处理后FEP织物的X射线衍射图。可知，各曲线的强衍射峰几乎在同一位置(2θ=18°)出现，对应于FEP的(100)晶面，处理后的试样对应的该衍射峰强度有一定程度减弱，但衍射峰的位置说明试样经化学试剂处理后并未改变结晶晶型，表明织物具有优异的耐化学试剂性能。

表1 不同化学试剂处理后FEP纤维织物的熔融温度和相对结晶度Tab.1 Melting temperature and relative crystallinity of FEP fabrics treated by different chemical reagents

注：ΔH为熔融焓，FEP标准熔融焓ΔHc=87.9 J/g[14]；Xc为结晶度。

图7 不同化学试剂处理后FEP纤维织物的X射线衍射图Fig.7 XRD patterns of FEP fabrics treated with different chemical reagents

表2示出试样的晶体结构参数。结果表明，经化学试剂处理后试样晶粒尺寸有微小程度的减小，可能是极少量的化学试剂渗透到纤维结晶区造成的。与衍射峰强度减弱和DSC分析结论一致。

表2 试样的晶体结构参数Tab.2 Crystal structure parameters of sample

图8为不同化学试剂处理后FEP纤维织物的红外光谱图。可知，1 146.4、1 203.8 cm-1处的特征峰较强，主要是—CF2反对称和对称伸缩振动引起的，980 cm-1处出现的是—CF3特征峰，而 1 146 cm-1附近的特征峰对应于FEP的无定型结构[5]，FEP由TFE和HFP共聚而成，且HFP所占比例低于TFE，故—CF2的特征峰值高于—CF3。通过比较各特征峰的位置，表明FEP的化学键及其基团结构并没有被化学试剂破坏，主要是由于C—F键具有较高键能，特别是当1个碳原子上连接2个氟原子时，键长缩短，键能增大，表现出织物优异的耐化学试剂性能。

图8 不同化学试剂处理后FEP纤维织物的红外光谱图Fig.8 FT-IR spectra of FEP fabrics treated with different chemical reagents

不同化学试剂处理后FEP纤维织物的拉伸性能如图9所示。可知，织物经酸碱、有机溶剂处理，其经、纬向断裂强度和断裂伸长率均未发生明显变化，表现出优异的耐化学试剂性能。

图9 不同化学试剂处理后FEP纤维织物的拉伸性能Fig.9 Tensile properties of FEP fiber fabrics treated with different chemical reagents.(a) Warp direction; (b) Weft direction

综上所述，经过对FEP纤维织物微观与宏观角度的性能测试与分析，其与市场现存大多数化纤织物相比，具有优异的耐化学试剂性能，能够满足在酸碱及有机溶剂条件下使用的要求。

2.5 耐老化性能分析

经过老化实验与未经处理的FEP纤维织物的拉伸性能如图10所示。可知织物经紫外光辐照 7 d，其经、纬向断裂强度和断裂伸长率均未发生明显变化，表现出优异的耐老化性能。

图10 经过老化实验与未经处理的FEP纤维织物的拉伸性能Fig.10 Tensile properties between aged and untreated FEP fiber fabrics.(a) Warp direction; (b) Weft direction

3 结 论

1)利用实验室自制的聚全氟乙丙烯(FEP)纤维，经加捻、合股工艺制备出FEP纱线，通过半自动织机织造出幅宽为250 mm、厚度为0.51 mm的FEP平纹织物。

2)FEP纱线的力学性能较好，其断裂强度为0.79 cN/dtex，断裂伸长率为20.5%。其接触角为115.8°，具有一定疏水性，使得FEP纤维织物具有拒水特性。

3)FEP纤维织物在50 ℃条件下不发生收缩，200 ℃条件下织物经、纬向热收缩率分别为23%、16%，随着处理时间的增加，织物热收缩率变化较小，一段时间后不再变化，表现出优异的耐高温性能和尺寸稳定性。

4)FEP纤维织物经、纬向断裂强度分别为29.4、24.5 MPa，撕破强力分别为71.05、88.44 N，体现出良好力学性能。此外，织物还具有良好的透气性及优异的耐磨性能。

5)经H2SO4、NaOH及十氢萘处理，从微观角度分析，FEP纤维织物的热性能、结晶结构及化学结构均未发生明显变化；从宏观角度分析，织物力学性能也未发生明显变化，综合可知该织物具有优异的耐化学试剂性能。经紫外光辐照7 d，织物力学性能未发生明显变化，体现出优异的耐老化性能。这些优异性能使得FEP纤维织物可应用于特殊领域的产业用纺织品。

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