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应用故事 | 对位/间位芳纶纤维混纺织物的热重分析

更新时间:2023-11-29      点击次数:378

芳纶纤维(聚苯二甲酰苯二胺),是一种人工合成的新型的芳香族聚酰胺纤维,具有高强度、高模量、耐高温、低密度、高耐磨等优异特性,与碳纤维、超高分子量PE纤维并称世界三大高科技纤维,已被广泛应用于各种高性能防护服。


芳纶纤维包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两大类。全芳香族聚酰胺纤维中,按结构划分且工业化生产的主要分为对位芳纶纤维和间位芳纶纤维,这两种是芳纶纤维中具有实用价值的两种芳纶纤维。


对位芳纶纤维全称聚对苯二甲酰对苯二胺纤维,我国称之为芳纶1414,该纤维显微镜下观察横截面呈圆形,纵面光滑,有节状形态,有点类似聚酯纤维表面形态,其分子链沿纤维轴向排列,分子间的氢键同时具有共轭效应而呈现出刚性特征,是当今世界产量大、用途广的高性能纤维之一。间位芳纶纤维全称聚间苯二甲酰间苯二胺纤维,我国称之为芳纶 1313,该纤维显微镜下观察横截面呈腰子形,纵面上有凹槽,有点类似于腈纶表面形态,化学结构上在分子间有氢键,化学性质稳定,是一种性能优异的有机耐高温阻燃防火纤维。


有研究表明芳纶织物中随着芳纶1414纤维含量的增加织物强力先减小后增大,织物损毁长度减小,织物热防护性能逐步提高[1-3]。因此在实际的芳纶织物设计时,很少将芳纶1313纤维单独使用,特别是那些对阻燃性以及热防护有高要求的织物中都会添加一定比例的芳纶1414纤维。


本文利用耐驰热重分析仪TG 209 F1对两种芳纶纤维(对位/间位)盲样进行热重分析,来鉴别两种纤维的类别,该测试方法所需样品量少、环保,是一种简单便捷的测试手段。

仪器:Netzsch TG209 F1

样品:【对位芳纶纤维盲样】和【间位芳纶纤维盲样】

测试方法:分别取一束待测芳纶纤维样品,并将其缠绕在镊子上,然后将其放入氧化铝坩埚(如图1所示)。将盛有样品的坩埚放入热重分析仪内,在氮气气氛下以10K/min的升温速率从室温加热至700℃。

图1 纤维样品的制备示意图

图1是是对位芳纶盲样的热重曲线,其热分解过程包含2个阶段:第1阶段是室温~200℃的微量质量损失阶段,热失重百分数约为4.17%,主要是分子间结合水的烧失;第2阶段是对位芳纶的热分解过程,由于芳纶1414纤维是对位连接的苯酰胺,其酰胺键与苯环基团形成大π键共轭结构,内旋位能非常高,分子结构非常稳定,热分解温度非常高,当温度高达562℃时1414纤维吸收了充足的能量,其分子链开始发生随机的断裂和分解,进而导致剧烈的降解、碳化以及可能的交联等复杂反应,表现出其质量损失显著现象。最后,700℃时质量残余百分数约为42%。

图2 对位芳纶纤维盲样的TG曲线

图2是间位芳纶盲样的热重曲线,其热分解过程包含3个阶段:第1阶段与对位芳纶纤维一样是失去结合水的过程,热失重百分数约为2.80%,表明间位芳纶纤维的分子结合水含量低于对位芳纶。第2阶段是间位芳纶的热分解过程,由于间位芳纶纤维大分子中的酰胺基团以间位苯基相互连接,分子间氢有键但无共轭效应,内旋位能低于对位芳纶纤维,因此该阶段的热分解温度较对位纤维低,在430℃~500℃发生显著的质量损失,质量损失百分数约为16.67%;随后又出现一失重平台500 ℃ ~700℃,该失重猜测是对位芳纶纤维的裂解失重,故猜测该间位芳纶盲样不是单一组分的纤维,可能是间位和对位芳纶纤维的混纺织物。最后,700℃时质量残余百分数约为56.89%。

图3 对位芳纶纤维盲样的TG曲线

热重分析是分析材料热稳定性的有效而快捷的一种方法,不同纤维的热分解温度各有差异,故可以通过热重测试将不同的混纺纤维加以区分。热重分析方法操作方便、准确度高、检测时间短,与传统化学方法相比具有一定的优势,后续可以研究不同单组份纤维的热分解特性,建立热失重参比库,从而对纤维盲样进行区分。

[1] 刘敏燕,李玲,何粟华.热失重法定量分析间位/对位芳纶纤维混纺织物.中国纤检,2020(10):81-83.

[2] 袁玥,李鹏飞,凌新龙.芳纶纤维的研究现状与进展.纺织科学与工程学报,2019,36(1):146-152.

[3] 沈逍安,王晓映,夏光美,韩文佳,孔凡功,徐振.芳纶的发展现状及其表面改性研究进展.合成纤维,2021,50(1):20-25.

作者

盛沈俊

耐驰仪器公司应用实验室


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