熱處理對Vectran纖維的結構與性能的影響

覃 俊，王 樺，陳麗萍，岳海生，陳佳月，何 勇

(四川省紡織科學研究院 高技術有機纖維四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

熱處理對Vectran纖維的結構與性能的影響

覃 俊，王 樺，陳麗萍，岳海生，陳佳月，何 勇

(四川省紡織科學研究院 高技術有機纖維四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

將Vectran樹脂在單螺桿擠出機上進行熔融紡絲，制得Vectran初生纖維，初生纖維在氮氣氣氛中，于高溫腔室中180 ℃預熱1 h后，分別在200～270 ℃下熱處理10～60 h，制得Vectran纖維，研究了熱處理時間和熱處理溫度對Vectran纖維的結構與性能的影響。結果表明：在200～260 ℃下熱處理Vectran初生纖維，0～10 h時，纖維強度上升較快，40 h時強度增長緩慢；隨著熱處理溫度的升高，Vectran纖維的熔點也隨之上升，在熱處理時間為20 h時，處理溫度超過260 ℃，Vectran纖維的結晶、結構受到影響；在熱處理溫度為200～260 ℃，時間小于40 h處理Vectran纖維，可使Vectran纖維的力學性能增強，熔點提高，結晶完善，但纖維的表觀形貌沒有受到影響。

聚芳酯纖維 熱致液晶 熱處理 溫度 時間 結晶度 結構 性能

以Vectran纖維為代表的熱致液晶聚芳酯(LCP)纖維不僅強度、模量可與以Kevlar 纖維為代表的溶致液晶纖維相媲美，而且具有獨特的耐濕熱性能、振動衰減性能以及優良的耐酸堿、耐磨損性能，從而更適宜于惡劣環境，可望替代Kevlar纖維獲得越來越廣闊的應用。

我國在20世紀80年代開始，陸續有不少學者進行了LCP樹脂的合成研究，但大都只停留在實驗階段，沒有進行下一步的開拓。武漢理工大學的張傳吉等以對羥基苯甲酸、4,4-聯苯二酚、1,3-二溴丙烷、對苯二甲酸為共聚單體，采用熔融直接縮聚的方法，一步混合直接投料聚合出全芳香族液晶共聚酯[1]。復旦大學卜海山教授發明了一種新的液晶高分子，其鏈結構中包含了對羥基苯甲酸、對苯二酚、混合芳香二酸、由間苯二甲酸、2，6-萘二酸、4，4-二羥基-N-苯基苯甲酰胺、對苯二甲酸和4，4-二苯酸二甲酸引出的重復單元[2]，上海普利特公司依托該技術，建成了生產能力為200t/a的中試裝置，并計劃將生產能力擴大至1 500t/a。國內關于LCP纖維的研究也較多，如東華大學王依民課題組對芳族聚酯纖維進行了相關研究，對初生纖維成形的各種優化工藝和熱處理進行了探索研究；哈爾濱工業大學劉羽熙對LCP纖維的光老化行為、防護性能進行了相關研究[3]；四川省紡織科學研究院從2001年開始對LCP纖維制備進行系統性研究，近期取得較大進展。

Vectran剛性大分子在紡絲時就已獲得高度取向，因此具有很高的強度和模量，但是要滿足更高的應用領域，還必須對初生纖維進行熱處理以以提高其各項應用性能。目前，國內對于這些方面的研究還不夠全面，作者在結合Vectran纖維應用領域的基礎上，對Vectran纖維進行熱處理，研究了其斷裂性能、熱性能、結晶性能等，以期為Vectran纖維的產業化開發提供基礎理論支持。

1 實驗

1.1 原料

聚芳酯：商品名為Vectran，熔點280 ℃，美國塞拉尼斯公司產。

1.2 儀器與設備

單螺桿擠出機：φ30mm，自制；XL-2型紗線強伸度儀：上海新纖儀器有限公司制：VEGA3SBU型掃描電鏡(SEM)：泰思肯公司制；STA449F3型同步熱分析儀：德國Netzsch公司制；EmpyreanX射線衍射儀：荷蘭帕納科(Panalytical)公司制 。

1.3Vectran纖維制備

將Vectran樹脂100 ℃下干燥4h，再在165 ℃下預處理10h，在單螺桿擠出機上進行熔融紡絲。

1.4Vectran纖維熱處理

初生纖維退繞后，松弛條件下將其置于高溫腔室中180 ℃預熱1h，再升到熱處理溫度進行熱處理，處理時高溫腔室中連續通入加熱氮氣或其他惰性氣體。

1.5 分析與測試

拉伸性能：采用等速伸長(CRE)拉伸的方法，使用XL-2型紗線強伸度儀進行測試，上下夾頭間距為500mm，拉伸速度為 250mm/min，環境溫度為(20±2)℃，濕度為(65±3)%，每個試樣測試10 次取平均值。具體標準參照GB/T19975—2005《高強化纖長絲拉伸性能試驗方法》進行。

差示掃描量熱(DSC)：使用STA449F3型同步熱分析儀進行試樣測試，氮氣保護，稱取試樣為 5mg左右，從室溫25 ℃開始以20 ℃/min的速率升溫，得到試樣的DSC升溫曲線。

表面形貌：將試樣做噴金處理，利用SEM觀察熱處理前后纖維試樣表面形貌的變化并拍照。

X射線衍射(XRD)：采用X射線衍射儀進行測試，采用旋轉銅陽極(40kV，50mA)，CuKα輻射(波長為0.154 056nm)為X射線源，以5(°)/min的掃描速率在 5°～90°掃描。通過jade5軟件讀出2倍布拉格角(2θ)、半峰寬(FWHM)、晶面間距(d)、結晶度(Xc)等參數，利用Debye-Scherrer公式[4]對纖維微晶尺寸(D)進行考察，并根據相應θ測得的FWHM來計算D。

2 結果與討論

2.1 拉伸斷裂性能

從圖1可見:纖維在同一溫度條件下熱處理，

其拉伸強度均隨熱處理時間而升高后趨于穩定；熱處理0～10h，強度上升最快，熱處理40h后拉伸強度增長緩慢，這說明在反應前期，固相縮聚反應速率較快[5]，在反應40h后反應速率開始減慢，因此,說明單一溫度條件下，熱處理時間控制在40h以下更利于節約能源和提高效率。在200，220，240 ℃溫度下處理10h后，纖維拉伸強度呈遞增趨勢，但在270 ℃的溫度條件下，強度出現下降，同時在260 ℃和270 ℃時進行處理，纖維拉伸強度隨熱處理時間的增加呈下降趨勢，說明單一熱處理溫度不宜超過260 ℃，且處理時間在40h之內。

圖1 熱處理時間對Vectran纖維拉伸強度的影響Fig.1 Effect of heat treatment time on tensile strength of Vectran fiber■—200 ℃；●—220 ℃；▲—240 ℃；▼—260 ℃；◆—270 ℃

2.2 表面形態

由圖2可見：Vectran初生纖維表面光滑，無裂紋及析出物質；當熱處理溫度為200 ℃時，Vectran纖維表面仍比較光滑，放大觀察可以見到少量析出物質，這是由于固相縮聚反應析出物質與殘留表面處理劑而導致的。

圖2 不同熱處理溫度下Vectran纖維的表面形態Fig.2 Surface morphology of Vectran fiber at different heat treatment temperature處理時間20 h。

當熱處理溫度為240 ℃時，纖維表面開始出現深淺不一的縱條和原纖化現象，這是由于較高的溫度使纖維大分子熱運動加劇，同時 Vectran 纖維屬于向列型結晶，大分子鏈之間的作用力較弱，相互之間容易分離而造成的[6]。當熱處理溫度為260 ℃時，纖維縱條進一步增多、增深，同時纖維之間開始少量粘結。當熱處理溫度為270 ℃時，纖維的粘接面積變得更大，且縱條更深形成裂縫，這是由于熱處理溫度過高時 ,Veatran纖維大分子鏈段的熱運動較劇烈, 隨著鏈段的運動,纖維沿著取相方向調整分子鏈段排列狀態 ,產生明顯的裂縫和剝離現象，表明溫度過高的熱處理已對纖維產生損傷所致。SEM結果與拉伸強度測試結果吻合，說明熱處理溫度不宜超過260 ℃。

2.3 熱性能

由圖3及表1可看出，Vectran纖維在200 ℃熱處理后纖維熔點沒有明顯提升，220 ℃以上熱處理后纖維熔點有明顯上升，且熱處理溫度越高，纖維熔點越高。這是因為高溫提供分子鏈末端運動的機會，使分子鏈進一步固相緊縮，且溫度越高固相縮聚程度越高，體現為熔點升高。270 ℃熱處理后試樣熔融峰寬增加，熔融峰的左右對稱性下降，纖維大分子規整性遭到破壞[7]，與圖2現象吻合，破壞形式表現為大分子的“棒狀”結晶結構之間產生剝離。因此，熱處理溫度應低于270 ℃。

圖3 不同熱處理溫度下Vectran纖維的DSC曲線Fig.3 DSC curves of Vectran fiber at different heat treatment temperature1—初生絲；2—200 ℃；3—240 ℃；4—220 ℃；5—260 ℃；6—270 ℃處理時間性20 h。

溫度/℃熔點/℃200302．1220314．2240315．8260318．1270323．7

注：初生纖維熔點為284.9 ℃，處理時間20 h。

2.4 結晶性能

從圖4可看出，Vectran樹脂熔化壓片的試樣沒有結晶峰，200，220，240 ℃熱處理Vectran纖維的試樣結晶峰逐漸變尖銳，而260 ℃熱處理Vectran纖維試樣的結晶峰變寬；同時結合表2可看出，200，220，240 ℃熱處理試樣的Xc呈上升趨勢，相應Xc分別是33.74%，36.84%，48.20%，而到260，270 ℃熱處理試樣的Xc則下降為47.12%和42.32%。

圖4 不同熱處理溫度下Vectran纖維的XRD圖譜Fig.4 XRD spectra of Vectran fiber at different heat treatment temperature1—樹脂；2—200 ℃；3—220 ℃；4—240 ℃；5—260 ℃；6—270 ℃

溫度/℃2θ/(°)d/nmFWHMXc，%D/nm20019．6690．451920．68633．741．162822019．4590．453340．70136．841．137624019．4590．452910．72748．201．096926019．2490．459390．73747．121．081827019．1380．463720．77742．321．0258

注：處理時間20 h。

另外，由表2還可看出：200，220，240 ℃熱處理試樣的d差別較小，而260 ℃和270 ℃熱處理試樣d變大，由于d代表纖維分子沿軸向彼此之間的距離，d越小，表示纖維分子之間排列越有序緊湊，由此說明溫度過高已經對纖維結構規整度造成一定破壞；熱處理溫度對晶粒大小影響不大，200，220，240，260 ℃熱處理試樣D為1.162 8～1.081 8nm，D越大說明結晶越完善。根據Scherrer公式計算的D與jade5讀取的Xc數據不是完全對應，關于熱致性LCP的Xc的概念目前仍然存在爭議，結合Xc和d的數據分析，表明隨熱處理溫度的提高，Vectran纖維的結晶趨于完善,但過高的熱處理溫度,會使纖維分子鏈的長程有序性遭到破壞, 但短程有序依然存在，表現為D的變小[8]。

3 結論

a. 在200～260 ℃下，熱處理Vectran纖維10h之內，纖維拉伸強度上升較快，40h后拉伸強度增長緩慢，單一熱處理溫度條件下熱處理時間應小于40h，且熱處理溫度不超過260 ℃。

b. 在熱處理時間為20h時，熱處理溫度超過260 ℃，會對Vectran纖維結構造成損傷。

c. 熱處理溫度越高越利于提高纖維熔點，但過高熱處理溫度會破壞大分子規整性。

d. 隨熱處理溫度的提高，Vectran纖維結晶趨于完善,熱處理溫度超過260 ℃會對結晶造成影響，但是Xc與D大小數據并不完全有序對應，關于Vectran纖維的結晶機理還需要做進一步的研究。

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Effect of heat treatment on structure and properties of Vectran fiber

Qin Jun, Wang Hua, Chen Liping, Yue Haisheng, Chen Jiayue, He Yong

(High-techOrganicFibersKeyLaboratoryofSichuanProvince,SichuanTextileAcademy,Chengdu610072)

Vectran resin was melt spun into an as-spun Vectran fiber on a single-screw extruder and was produced into Vectran fiber by preheating at 180 ℃ for 1 h in a high-temperature chamber prior to heating at 200-270 ℃ for 10-60 h in nitrogen atmosphere. The effects of the heat treatment time and temperature on the structure and properties of Vectran fiber were studied. The results showed that the fiber strength grew rapidly in 10 h and rose slowly after 40 h while heat treated at 200-260 ℃; the melting point of Vectran fiber was increased while elevating the heat treatment temperature; the crystalline structure of Vectran fiber was impacted as the heat treatment time was 20 h and the temperature exceeded 260 ℃; the mechanical properties of Vectran fiber was improved, the melting point was increased, the crystalline structure was perfected, and the surface morphology of Vectran fiber was not affected as the heat treatment temperature was 200-260 ℃ and the time less than 40 h.

polyarylate fiber; thermotropic liquid crystal; heat treatment; temperature; time; crystallinity; structure; property

2016- 08-12； 修改稿收到日期：2016-12-15。

覃俊(1981—)，女，高級工程師，主要從事化纖新材料、新技術、新工藝方面的研究。E-mail：qinjune-mail@163.com。

四川省青年基金項目(2015JQO017)資助。

TQ342+.739

A

1001- 0041(2017)01- 0029- 04