聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的结构与性能研究

陈超峰，薛晴岚

(1.中蓝晨光化工有限公司，成都 611430；2.中蓝晨光化工研究设计院有限公司，成都 610041；3.高技术有机纤维四川省重点实验室，成都 610041)

0 引言

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶(不含杂环)是国内还未实现产业化的两种高性能有机纤维。聚芳酯纤维由塞拉尼斯(Celanese)和可乐丽(Kuraray)合作于20世纪90年代实现工业化，商品名为Vectran，现产能约2 000 t/a。国内中国科学院长春应用化学研究所、中蓝晨光化工研究设计院有限公司在液晶聚芳酯制备，东华大学、四川省纺织科学院在聚芳酯纺丝方面进行了相关研究[1-3]。共聚对位芳纶由日本帝人(Teijin)于20世纪80年代开发成功，商品名为Technora，现产能超过2 000 t/a。国内东华大学、西安元创科技等进行了制备研究[4-5]。

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶断裂强度相当，但又有各自性能特点，在相关领域具有独特的应用优势。本文对国外商业化产品聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的性能进行较为详细的表征、总结和对比分析。

1 实验部分

1.1 主要原材料

聚芳酯纤维，日本可乐丽公司生产，名义线密度1 670 dtex，市售，结构式见参考文献[2]。

共聚对位芳纶，日本帝人公司生产，名义线密度1 670 dtex，由帝人芳纶贸易(上海)有限公司提供，结构式见参考文献[5]。

1.2 测试与表征

纤维力学性能采用Instron 4302型电子式万能拉力机，按照GB/T 19975—2005的方法，由国家合成树脂质量监督检验中心测试。

IR采用Thermofisher Nicolet IS50型红外分析仪，ATR模式，由国家合成树脂质量监督检验中心测试。

WXRD采用帕纳科EMPYREAN型X射线衍射仪，由四川大学分析测试中心测试。

TGA采用NETZSCH TG 209型热失重仪，分别采用氮气和空气氛围，升温速率20 ℃/min，由国家合成树脂质量监督检验中心测试。

热老化采用鸿达天矩公司的QLH225型换气老化试验箱，老化温度为150 ℃，老化后取样经1 h状态调节后测试力学性能，由国家合成树脂质量监督检验中心测试。

紫外老化采用郑州惠盛公司的SIW-3型水紫外辐照试验箱，高压汞灯功率为300 W，箱体温度为40 ℃，老化后取样经1 h状态调节后测试力学性能，由国家合成树脂质量监督检验中心测试。

2 结果与讨论

2.1 基本性能

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的基本性能列于表1中，可以看出聚芳酯纤维的吸水率小于0.1%，是已知高性能有机纤维中最低的；共聚对位芳纶的密度仅为1.39 g/cm3，较聚芳酯纤维及其他大多数高性能有机纤维(如芳纶1414、芳纶Ⅲ、PBO等)低，但两者都显示了各自显著特征和性能优势。文献报道的聚芳酯纤维的极限氧指数(LOI)为28%～30%，高于共聚对位芳纶的25%。

表1 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶基本参数

2.2 结构分析

图1 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的红外谱图

图2 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的WXRD曲线

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的WXRD曲线也有较大不同，图2显示聚芳酯纤维有4个明显的衍射峰，2θ为19 °时的峰型尖锐且峰强较高，说明聚芳酯纤维中有明显结晶结构存在，而共聚对位芳纶仅在2θ为20 °时有衍射单峰且峰强较低，基本呈无定形态。

2.3 力学性能

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的力学性能列于表2中，其力—位移曲线如图3所示。表2中数据显示两种纤维断裂强度相当，都在23.5 cN/dtex左右，聚芳酯纤维的模量较高达到888.4 cN/dtex，而共聚对位芳纶的断裂伸长率较高达到4.0%。说明聚芳酯纤维硬度较高，共聚对位芳纶韧性更好，和WXRD的分析结果及聚芳酯纤维手感稍硬一致。

图3 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的力—位移曲线

表2 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶力学性能

2.4 热分解性能

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在氮气和空气氛围中的热失重曲线分别如图4和图5所示，相关数据列于表3中。图4和图5可以看出，在100 ℃左右共聚对位芳纶因水分蒸发有明显的失重现象，而聚芳酯纤维在此温度附近没有可见的失重发生，也证明聚芳酯纤维的吸水率较低。图4显示两种纤维在氮气氛围中的热失重曲线较类似，图5显示两种纤维在空气氛围中都呈现明显的两段式热分解过程，且两段的热分解速率不一致，说明热分解机理有很大不同。综合来看，聚芳酯纤维的初始分解温度和失重5%时的温度都稍高于共聚对位芳纶，同种纤维在氮气和空气中的初始分解温度和失重5%时的温度相差不大。聚芳酯纤维在氮气中至800 ℃时的残留率为44.89%，高于共聚对位芳纶的39.17%，二者在空气中都分解较彻底。

图4 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在氮气中的热失重曲线

图5 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在空气中的热失重曲线

表3 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的热分解

2.5 耐热老化性能

图6 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在150 ℃ 下断裂强度随老化时间变化曲线

图7 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在150 ℃ 下初始模量随老化时间变化曲线

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在150 ℃条件下力学性能保持率随老化时间的变化曲线如图6和图7所示，可以看出共聚对位芳纶的耐热氧老化稳定性明显优于聚芳酯纤维。聚芳酯纤维在热氧作用下力学性能持续降低，经192 h老化后的断裂强度和初始模量保持率分别为90.6%和96.4%，依然显示了较好的热稳定性。共聚对位芳纶的断裂强度保持率随老化时间先增加，在24 h时达到最大值103.3%，之后有所降低，但仍保持在100%左右，96 h之后又开始增加，至192 h时为101%，初始模量保持率先增加后降低，在48 h达到最大值101.5%。一方面说明共聚对位芳纶的耐热氧稳定性较好；另一方面也说明在热氧作用下，共聚对位芳纶的力学性能有进一步提升空间。

2.6 耐紫外性能

聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的紫外老化性能如图8和图9所示，可以看出共聚对位芳纶的耐紫外老化稳定性也优于聚芳酯纤维。聚芳酯纤维在紫外作用下断裂强度和初始模量随老化时间持续降低，经20 d老化后的断裂强度和初始模量保持率分别为67.9%和82.9%。共聚对位芳纶的断裂强度和初始模量总体上也随老化时间呈降低趋势，但降低速率有所起伏，在5 d之前降低速率较快，5～10 d时速率降低，甚至至10 d时模量又有所升高，之后又快速降低，至20 d时断裂强度和初始模量保持率分别为71.5%和92.5%。总的来看，两种纤维在紫外作用下，断裂强度和初始模量都呈现明显的降低趋势。

图8 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的断裂 强度随紫外老化时间变化曲线

图9 聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的初始 模量随紫外老化时间变化曲线

3 结论

(1)聚芳酯纤维和共聚对位芳纶都有各自的性能优势，聚芳酯纤维的吸水率较低，而共聚对位芳纶的密度较低。

(2)聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的结构明显不同，聚芳酯纤维结晶结构明显，而共聚对位芳纶基本呈现无定形态。

(3)聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的断裂强度相当，分别为23.68 cN/dtex和23.45 cN/dtex，聚芳酯纤维模量较高，达到888.4 cN/dtex，而共聚对位芳纶断裂伸长率较高，达到4.0%。

(4)聚芳酯纤维和共聚对位芳纶的初始分解温度都在478～495 ℃之间，聚芳酯纤维的初始分解温度和失重5%时的温度稍高于共聚对位芳纶，在氮气中至800 ℃时的残留率为44.89%，也高于共聚对位芳纶的39.17%。

(5)聚芳酯纤维和共聚对位芳纶在150 ℃下热氧老化192 h后的断裂强度保持率分别为101%和90.6%，共聚对位芳纶在热氧作用下断裂强度还有明显提高，最高时断裂强度保持率达到103.3%。

(6)在紫外作用下共聚对位芳纶和聚芳酯纤维的断裂强度和初始模量都呈下降趋势，紫外老化20 d后的断裂强度保持率分别为71.5%和67.9%。