特種工裝用聚苯硫醚樹脂長絲的制備與性能研究

聚苯硫醚纖維（pps）是我國“十二五”計劃中工業(yè)重點開發(fā)的有效纖維之一。PPS纖維可作為阻燃材料,用于消防服、交通運輸工具的內(nèi)裝飾材料,對于PPS長絲用作特殊工裝的研究目前國內(nèi)仍為空白。我院采用日本寶理株式會社生產(chǎn)的纖維級PPS切片,在LHFj030型紡絲-牽伸機上初步進行了1000m/min紡速下PPS長絲纖維的研制及性能研究。經(jīng)干熱與沸水方式處理,進行纖維收縮率及斷裂強度的測試,并通過數(shù)據(jù)處理,獲得不同溫度、不同加熱形式下PPS纖維收縮率及斷裂強度的變化規(guī)律,為今后實驗提供思路。通過該研究,將取得具有自主知識產(chǎn)權(quán)和可推廣的PPS制備技術(shù)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)良的PPS長絲,為打破美、日等長期對我國進行技術(shù)封鎖和進口壁壘,及國內(nèi)對PPS長絲的需求作出應(yīng)有的貢獻。1實驗1.1pps長絲的制備采用日本寶理株式會社的PPS樹脂切片,在105℃的真空干燥器內(nèi)處理14h,獲得含水小于0.5%的干燥切片,然后采用我校的LHFj030型紡絲-牽伸機,在紡絲溫度310～330℃、紡絲速度1000m/min、拉伸倍數(shù)3.0、拉伸溫度105～120℃下制得PPS長絲。1.2號氣調(diào)濕機LHFj030型紡絲-牽伸機;YG086型縷紗測長機;手動立式量尺;101-2A型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱;Y(B)802N八籃恒溫烘箱;YG(B)021H型化纖長絲電子強力機;實驗用電爐與加熱鍋。1.3實驗方法1.3.1樣品制備將紡成的PPS長絲在YG086型縷紗測長機上進行取樣,試樣按規(guī)定均取10m。1.3.2干熱收縮率的測定1.3.3計算的河水收縮率1.3.4纖度和長度(1)測定條件溫度:24℃;濕度:60%;纖度:500dtex;絲框周長:1m。(2)對上述經(jīng)過不同熱處理條件的PPS纖維,用化纖長絲電子強力機進行斷裂強度和斷裂伸長率的測試。1.4計算1.4.1熱收縮率測試收縮率計算公式:S=(L0-LS)/L0×100%(1)式中:S—熱收縮率(沸水收縮率或干熱收縮率),%;L0—試樣的熱處理前長度,mm;LS—試樣的熱處理后長度,mm。1.4.2斷裂伸長值的測定斷裂伸長率計算公式:εi=Δli/lo(2)ε=∑i=1nεin(3)ε=∑i=1nεin(3)式中:εi—每根試樣的斷裂伸長率,%;Δli—每根試樣的斷裂伸長值,mm;lo—試樣的夾持長度,mm;ε—試樣的平均斷裂伸長率,%;n—試驗的次數(shù)。2結(jié)果與討論2.1干燥劑對pps纖維收縮率的影響2.1.1熱性能及尺寸穩(wěn)定性一般固體材料,隨著溫度的升高,將發(fā)生輕微的膨脹,即長度或體積有所增加。合成纖維則不然,受熱后發(fā)生收縮。因合成纖維在紡絲成形過程中為了獲得良好的物理機械性能,承受到拉伸作用,使纖維伸長幾倍,在此過程纖維中殘留一定的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)纖維所處的條件溫度低于玻璃化溫度時分子間分子鏈段運動速度緩慢,其內(nèi)應(yīng)力消除量也相應(yīng)較小,因受玻璃態(tài)的約束,使纖維長度為常數(shù)。當(dāng)纖維所處的條件溫度超過玻璃化溫度時,大分子中的鏈段運動使其內(nèi)應(yīng)力減小,纖維長度產(chǎn)生收縮。而纖維織物在使用過程中,消費者希望其收縮率越小越好,以獲得較好的尺寸穩(wěn)定性。如圖1所示:熱處理溫度在175～185℃期間,隨著溫度的增加,PPS纖維的干熱收縮率較小,增加幅度為4%,其原因是在溫度范圍小于185℃時,在此期間,主要表現(xiàn)為大分子的鏈段運動速度緩慢,其內(nèi)應(yīng)力消除量也相應(yīng)較小,故纖維收縮率較小。而在185～190℃期間,隨著溫度的提高纖維的收縮率大幅度增加,幅度達14%。這是因為反應(yīng)條件超過玻璃化溫度時,隨著溫度的提高大分子鏈段運動速度加快,從而使大分子間的內(nèi)應(yīng)力松弛加大,分子間的結(jié)合能削弱,釋放拉伸內(nèi)應(yīng)力,使纖維的收縮率急劇增加。同時PPS長絲在制備過程中,牽伸比較小(DR=3),在外力作用下,纖維大分子沿纖維軸的取向程度較小,大分子間的作用力即范德華力、氫鍵、共價鍵能量較少,對大分子間的束縛力較小;再則,由于纖維的取向度偏低,使纖維的規(guī)整性較差,結(jié)晶度偏低,纖維大分子間的“束縛點”減少。所以幾種因素的疊加導(dǎo)致在185～190℃期間,隨著溫度的提高纖維的收縮率大幅度增加。故在今后的實驗中,可提高牽伸倍數(shù),提高纖維的結(jié)晶度和取向度,以致提高纖維的熱穩(wěn)定性。2.1.2熱處理溫度對纖維熱行為的影響當(dāng)熱處理溫度為185℃時,改變熱處理時間,觀察PPS纖維干熱收縮率的變化規(guī)律。由圖2所示:熱處理在15～30min期間,收縮速率逐漸升高達1.7%,這是因為在一定干熱處理溫度下,纖維大分子的熱運動隨時間的增加運動速率加快,纖維中大分子間的內(nèi)應(yīng)力逐漸松弛,纖維的收縮率隨之增加。而熱處理時間超過30min達60min時,收縮速率的幅度增加僅為1%,這是因為隨著熱處理時間的繼續(xù)增加,纖維中微晶粒的形成可充當(dāng)物理交聯(lián)點的作用,束縛非晶區(qū)大分子的運動,阻止纖維收縮,從而促進收縮速率下降。時間的增長不可能改變其物理交聯(lián)點,因此,熱收縮率在一定的時間內(nèi)變化超過一定時間,呈常數(shù)。2.2干燥劑對pps纖維斷裂強度的影響2.2.1pps纖維的斷裂強度斷裂強度是指每tex粗細的纖維被拉斷時所能承受的最大拉力,是通常用來表征纖維品質(zhì)的主要指標(biāo)之一,在很多情況下,提高纖維的斷裂強度可以直接改善紡織品的力學(xué)性質(zhì)。通常,用于特殊工裝的纖維均希望其斷裂強度隨外界條件的變化值越小越好。PPS纖維的斷裂強度取決于纖維大分子的分子質(zhì)量(平均分子質(zhì)量),分子質(zhì)量越高,斷裂強度越高,反之則越小;還取決于纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性,即纖維的取向度和結(jié)晶度的大小,取向度和結(jié)晶度越大,纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性越好,斷裂強度也越高,反之則越小。如圖3所示:隨著熱處理溫度的升高,PPS纖維的斷裂強度基本沒有變化。這是因為PPS分子鏈?zhǔn)怯杀江h(huán)經(jīng)對位硫原子交替連接構(gòu)成,分子結(jié)構(gòu)中含有剛性,耐熱性的亞苯基及柔性、耐熱性的硫醚鍵,且苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)由柔性的硫醚鍵連接起來,有優(yōu)良的耐熱性和熱穩(wěn)定性,在175～190℃期間,PPS纖維大分子中的硫不足以與氧結(jié)合,因此其分子質(zhì)量不發(fā)生變化,而且PPS纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性也基本不發(fā)生變化,故其斷裂強度基本保持不變。2.2.2pps纖維的熱性能熱由圖4可以看出,在干熱處理溫度為185℃時,隨著時間的延長,PPS纖維的斷裂強度基本上不發(fā)生變化。這是因為,在該溫度下隨著時間的延長PPS纖維大分子中的硫與氧不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),故其分子質(zhì)量不發(fā)生變化;再則,在干熱處理溫度為185℃時,隨著時間的延長,PPS纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生變化。以致,在該溫度下,PPS纖維的斷裂強度不受時間的影響,強度損失幾乎為零。可見,溫度對PPS纖維的斷裂強度起主導(dǎo)作用,時間對其基本沒有影響,因此,PPS纖維在一定溫度下可長期使用。2.3紡絲溫度及拉伸個數(shù)對pps纖維排水劑的性能影響由圖5可以看出,PPS纖維經(jīng)沸水處理后,隨熱處理時間的延長,其收縮率基本上沒有變化。這是因為PPS纖維的紡絲溫度及拉伸倍數(shù)對其結(jié)晶度與取向度都會產(chǎn)生較大的影響,較大的拉伸倍數(shù)會導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)較松散,在沒有外力作用下,PPS纖維通過沸水處理,水分子易滲透到PPS纖維結(jié)構(gòu)中,使纖維發(fā)生溶脹,直徑增大,長度減小,即收縮率增加。而這種收縮在短時間內(nèi)就達到一個飽和狀態(tài),因此,隨熱處理時間的延長,其收縮率基本上沒有變化。2.4pps纖維吸濕排汗機理由圖6可以看出,PPS纖維經(jīng)沸水處理后,隨著時間的延長,其斷裂強度基本保持不變。這是因為PPS纖維大分子結(jié)構(gòu)中不含有吸濕基團,在一定的溫度下水煮數(shù)分鐘PPS纖維其分子質(zhì)量和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性均不會發(fā)生變化。僅僅是水分子的滲透使纖維產(chǎn)生溶脹。故它的斷裂強度基本不變,我們所看到的微小變化僅僅是實驗誤差。3熱處理對pps纖維長度的測量(1)PPS纖維在175～185℃時,干熱收縮率為2%～6%,185～190℃期間,隨著溫度的升高,干熱收縮率急劇增加,幅度達10%。經(jīng)沸水處理,PPS纖維的收縮率無明顯變化。(2)PPS纖維經(jīng)干熱和沸水處理后,其斷裂強度基本上沒有變化。(3)在今后的紡絲實驗過程中,要通過提高紡絲牽伸和牽伸溫度比,從而提高其取向度和結(jié)晶度,來制備收縮率小和斷裂強度高的PPS纖維,以便較好滿足特殊工裝用紡織品的要求。本文通過討論了不同熱處理條件下纖維收縮率及斷裂強度的變化,研究PPS纖維的受熱行為變化,可以在材料設(shè)計和使用過程中充分合理地發(fā)揮其作用。同時,也為我校進一步完善PPS紡絲技術(shù)提供了理論依據(jù)。(1)將制備好的試樣在0.5cN/dtex的預(yù)加張力負荷下先用立式量尺測量其熱處理前纖維的長度L0。(2)分別選定175℃、180℃、185℃、190℃,將PPS試樣以松弛狀態(tài)放置于電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱15min,取出樣品后,在同樣的預(yù)加張力負荷下,用立式量尺測量熱處理后纖維的長度LS。(3