紫外光照射對PBO纖維結構與性能的影響

劉姝瑞，譚艷君，霍 倩，馬佳利

(西安工程大學紡織與材料學院，陜西西安710048)

聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維主要用作防彈抗沖擊材料［1－2］，其耐沖擊強度遠高于由其他纖維增強的復合材料［3］，能吸收大量的沖擊能［4－5］，但在實際應用中對紫外光敏感［6－8］，影響了其性能。作者用不同紫外光波段UVA(356 nm)，UVB(308 nm)，UVC(254 nm)分別照射PBO纖維，研究不同紫外光波段照射PBO纖維對其結構、力學性能及阻燃性能等的影響，為PBO纖維抗紫外整理提供研究依據，為其抗紫外改性打下基礎。

1 實驗

1.1 原料及試劑

PBO纖維:日本Toyobo公司產;無水乙醇:化學純，西安三浦化學試劑有限公司產;溴化鉀:分析純，天津市化學試劑二廠產。

1.2 儀器

YG(B)006E電子單纖強力機:寧波紡織儀器廠制;KYKY-2800掃描電子顯微鏡(SEM):中科科儀技術發展有限公司制;FTIR-7600傅里葉變換紅外光譜儀:安合盟科技發展有限公司制;KR2406S極限氧指數儀:蘇州凱特爾儀器設備有限公司制;UVA，UVB，UVC燈管:發射光波長分別為365，308，254 nm，均為20 W，北京中儀博騰科技有限公司產。

1.3 實驗準備

將PBO纖維用無水乙醇浸泡24 h后用蒸餾水清洗，室溫干燥備用。用JA3003N型電子天平稱取0.01 g PBO纖維，均勻平鋪在畫有2 cm×2.5 cm邊框的干凈載玻片上。

1.4 實驗方法

將備好的PBO纖維和載玻片整齊放置在紫外燈箱內，纖維距燈管9.5 cm。分別用 UVA，UVB，UVC燈管照射，照射時間為168～312 h，將處理后的PBO纖維試樣立即放入干凈密封袋中保存，以備后續實驗。

1.5 分析與測試

紅外光譜:將 PBO纖維試樣剪碎成1～2 mm，與KBr混勻，于壓片機上壓片，再置于紅外光譜儀上進行紅外光譜分析。

表面形貌:將PBO纖維試樣粘于感光膠上，并置于SEM中觀察纖維的表面形態。試樣均勻取于載波片的左中右3處。

力學性能:于載波片左中右處分別取PBO纖維試樣，按國家標準GB/T 14337—2008測單纖維強力。每組試樣取50根單纖維求平均值。

極限氧指數(LOI):將處理后的PBO長纖維按國家標準GB/T 5454—1997進行測試。氧濃度與氧氣和氮氣流量關系參看國家標準。由于PBO纖維不同于織物，因此，在測試其LOI值時將PBO纖維在支架上纏繞5圈后再進行阻燃性能測試。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜

由圖1可見:經UVA，UVB，UVC 3波段紫外光照射后的PBO纖維在2 925，2 850 cm－1處均出現明顯的吸收峰，未處理的PBO纖維在2 925 cm－1處的吸收峰較弱，說明纖維內部發生斷裂，在—CH—鏈斷處產生了亞甲基，亞甲基增多;未處理的PBO纖維紅外譜圖上出現了少量亞甲基，說明PBO纖維有少許斷裂。另外，UVC照射216 h，UVB照射264 h后在1 745 cm－1處均產生微弱的新的吸收峰，說明有酯羰基的形成且UVC照射PBO形成的酯羰基峰較UVB的明顯，UVA照射纖維312 h也沒有在1 745 cm－1處形成吸收峰，酯羰基的產生說明噁唑環發生了開環反應，分子降解形成了酯羰基;經3波段照射的PBO纖維與未處理的PBO纖維的紅外光譜比較，發現UVC照射216 h后對PBO纖維結構的影響已很明顯，UVB次之，UVA照射纖維312 h后沒有開環，說明UVA波段紫外光的照射對纖維結構影響最小。

圖1 PBO纖維及經不同波長紫外光照射后的PBO纖維的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of untreated PBO fiber and PBO fibers irradiated with ultraviolet light of different wavelength

2.2 表面形態

由圖2a可見，未處理的PBO纖維表面光滑致密，只有一些與纖維軸向平行的細微紋路。這與PBO結晶鏈的微結構有關。細紋的形成是由于噴絲板孔上的缺陷或PBO/PPA溶液進入凝固浴時擴散過快及紡絲工藝條件的微小波動等因素所致［9］。

圖2 未處理PBO纖維及紫外光照射PBO纖維的SEM照片Fig.2 SEM images of untreated PBO fiber and ultraviolet-irradiated PBO fibers

由圖2還可看出:UVA照射PBO纖維，纖維表層有剝落但不明顯，在照射216 h后才有細紋產生但不深;UVB照射纖維，纖維表面出現細紋和斑點，隨著照射時間的增加，纖維表面粗糙度增加，溝壑加深加粗，在照射264 h以后，可看到纖維表層有很深的溝壑形成;UVC照射PBO纖維，168 h后纖維表面出現大量細紋和斑點，照射時間越長，纖維表面越粗糙，細紋越多，并且有加深趨勢，240 h后纖維表面發生局部剝落;264 h后，纖維表面橫向也有細紋產生，粗糙度反而下降，纖維直徑有所變小，這說明PBO纖維致密的表層及內層致密的微纖結構遭到破壞。同時，經UVC照射的纖維損傷比同時段其他波段紫外線照射損傷大，表面較為粗糙，經UVB照射的纖維表面較同時段經UVA照射纖維損傷大，而且有表層脫落現象，而UVA照射的纖維幾乎沒有表層脫落現象，說明UVB，UVC照射PBO纖維都能使其噁唑環發生開環，破壞其大分子結構，而UVA對噁唑環及大分子結構損傷小，只對其纖維表層有刻蝕。

2.3 力學性能

由圖3可看出，PBO纖維強力因紫外光照射而下降，且隨照射時間增長而降低。其中，UVC波段照射纖維強力下降速率最快，強力保持率最低，對強力影響最大。

圖3 紫外光照射后PBO纖維的強力Fig.3 Strength of PBO fibers after ultravilolet irradiation

結合圖2，圖3，比較PBO纖維UV照射時強力下降與表面形態的關系可知:UVA照射時PBO纖維表層剝落;UVB照射時PBO在纖維表面形成深溝壑;UVC照射時PBO纖維既有深溝壑形成又有纖維表層明顯脫落。這說明纖維強力下降與纖維表層形成深溝壑及纖維表層的脫落有很大關系。纖維強力的迅速下降還與纖維內部結構有關。纖維表層的剝落，是纖維經紫外光照射，使得其表面的一些小分子遭到破壞，導致其強力迅速下降;纖維形成深溝壑時，是其經紫外光照射纖維分子結構中的噁唑環發生破壞，導致大分子鏈斷裂，纖維強力因此迅速下降。

2.4 阻燃性能

由表1可看出，紫外光照射PBO纖維，隨著照射時間增加，纖維的LOI略有降低，變化不大。與未輻照PBO纖維相比，LOI下降，說明紫外光的照射對纖維的阻燃性能有一定影響。從圖4可看出，在進行纖維LOI值實驗時，其燃燒后纖維結構幾乎沒有被破壞。燃燒后纖維骨架完好，沒有被破壞，這說明其阻燃性能好，與其他纖維混紡后，耐熱性較好。

表1 PBO纖維及其經不同紫外波段照射后PBO纖維的LOITab.1 LOI of untreated PBO fiber and PBO fibers irradiated with ultraviolet light of different wavelength

圖4 處理前后的PBO纖維阻燃實驗效果Fig.4 Experimental flame retardance of PBO fibers before and after ultraviolet irradiation

3 結論

a.紫外光照射對PBO纖維強力影響很大，纖維強力隨照射時間增加而下降，UVC波段的紫外光對纖維強力影響最大，UVB次之，UVA最小。

b.紫外光照射對纖維表面有明顯影響。在紫外光照射下，纖維表面有細紋形成，隨著照射時間增長，細紋逐漸增多、加深，同時纖維表面形成斑點，后變粗糙，二者的產生使得纖維表層開始剝落。UVC波段的紫外光照射剝落時間最短，對其表面形態影響最大。

c.紫外光照射影響PBO纖維的化學結構。UVB波段紫外光照射264h后，噁唑環開始發生開環;UVC波段照射紫外光264h后，噁唑環發生大量開環;UVA波段紫外光未導致噁唑環開環。

d.PBO纖維的阻燃性能優異，紫外光照射PBO纖維后，纖維的LOI有所降低，但仍保持較高水平，燃燒后纖維的骨架結構未被破壞。

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