纖維材料動態熱機械性能分析方法的研究

2020-05-11 12:09:30周麗華韓春艷

合成技術及應用 2020年1期

季軒，周麗華，王偉，韓春艷

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

動態熱機械分析(DMA)是一種在程序控溫下對試樣施加交變應力(或應變)，測量材料的應變(或應力)隨溫度、時間或頻率響應的熱分析方法。動態力學試驗可以獲得材料的儲能模量(E′)、損耗模量(E″)及損耗角正切(Tan δ)等信息，研究其粘彈性特征[1-2]。

DMA是公認的靈敏度最高的測定材料玻璃化轉變溫度(Tg)的方法[3]，它只需要很少的樣品就能夠在較寬的溫度和頻率范圍內進行試驗，是研究材料結構與性能關系的有效手段。除了研究材料的玻璃化轉變溫度外，DMA還應用于表征材料的次級轉變，表征共混高分子材料的相容性，表征高分子材料的阻尼性能以及評價高分子材料耐環境能力等領域[4]。

目前，一些學者在不同的領域對材料的動態熱機械性能分析方法展開了研究。王博等利用動態熱機械分析儀研究了橡膠的物理性能，研究結果表明與差示掃描量熱儀(DSC)相比，DMA除了能夠測試材料玻璃化轉變溫度，還可以根據頻率外推曲線得到材料在不同頻率下的應用情況[5]。樓倩等利用動態熱機械分析儀對印制電路板(PCB)玻璃化轉變溫度的分析方法展開了研究，重點對測試過程的影響因素展開了分析，探索了合適的測試條件[6]。王丹等開展了橡膠加工分析儀(RPA)與DMA測試炭黑填充胎面膠動態熱機械性能的比對研究，以比較兩種方法的優劣[7]。

現在大多數動態熱機械分析儀均配備了懸臂、拉伸、壓縮、剪切等不同類型的夾具以滿足樣品的測試需求，但是這些夾具大都要求樣品為樣條、片材、膜等，難以對纖維樣品進行直接測試。研究纖維材料動態熱機械性能分析方法，對于提高儀器利用率，拓展儀器功能有一定的意義。

本文利用動態熱機械分析儀對纖維材料進行分析，從夾持方式、預加張力、夾持距離、升溫速率等方面對測試結果的影響因素進行了研究，提出了較為可靠的分析方法。

1 試驗

1.1 試驗設備

DMA 8000動態熱機械分析儀，美國Perkin Elmer公司。

1.2 試驗材料

滌綸DT絲，規格為135D/36F，自制。

1.3 試驗方法

纖維樣品經過前處理后，使用拉伸夾具固定在振動軸上，在不同的測試條件下對樣品進行動態熱機械分析。從分析結果圖譜中，可以求得儲能模量玻璃化轉變溫度Tg(E′)、損耗模量玻璃化轉變溫度Tg(E″)以及tanδ峰值溫度T(tanδ)等特征溫度點。

2 結果與討論

2.1 夾持方式對分析結果的影響

DMA 8000動態熱機械分析儀的拉伸夾具是由上下兩個獨立部件構成，夾片為金屬材質，主要夾持材料為薄膜、板材等，難以直接夾持纖維材料。為了讓纖維樣品穩定地固定在夾具中，需要對纖維進行前處理，將其兩端的厚度增加，使其能夠被金屬夾片夾住不滑脫。本文對兩端打結法、膠水封端法、錫箔封端法、鋁箔封端法等多種前處理方法進行試驗，探索最合適的前處理方法。

兩端打結法是將纖維兩端通過打結的方式增加厚度，但是在實際操作中發現該方法難度較大，在打結過程中會使纖維束中一些纖維發生滑移，導致部分纖維松脫；而且，此方法較難控制夾持距離，纖維結經常露出夾具導致試驗失敗。

膠水封端法是用耐熱膠將纖維兩端粘結，使纖維不易在夾具中滑移的方法，但是在實際操作中發現，膠水在滴上纖維時會使纖維散開，導致一部分纖維在樣品拉緊時處于松弛狀態，影響試驗工作的開展。

錫箔封端法和鋁箔封端法都是用金屬片將纖維兩端包裹，增加纖維與夾具間接觸面積的方法，區別在于所用金屬的材質不同。這兩種方法操作簡單，易于控制夾持距離，制得的樣品能夠穩定地固定在夾具中。由于鋁箔的耐熱性高于錫箔，為防止在加熱過程中錫箔發生熔融黏在夾具上，鋁箔封端法是較為合適的前處理方法。

表1 鋁箔封端法測試精密度的試驗結果

表1為使用鋁箔對纖維封端的精密度試驗結果，從表中可以看出，樣品的Tg(E′)、Tg(E″)、Tg(Tan δ)均在一定的范圍內波動，各溫度點的極差均在1℃以內，精密度較好。

2.2 預加張力對纖維動態熱機械性能的影響

表2和圖1為不同預加張力的試驗結果。從表中可以看出，當預加張力為0.05 cN/dtex時，樣品處于半松弛狀態，無法得到試驗結果；當預加張力為0.25～0.45 cN/dtex時，樣品各特征溫度點變化很小，試驗結果較為穩定；當預加張力大于0.55 cN/dtex時，樣品的試驗結果發生較大波動，試驗結果的穩定性降低，從圖中可以更加直觀地觀察到這一趨勢。

表2 不同預加張力的試驗結果

圖1 不同預加張力的試驗結果

2.3 夾持距離對聚酯纖維動態熱機械性能的影響

表3為不同夾持距離的試驗結果，從表中可以看出，夾持距離過短時樣品的動態熱機械性能發生明顯變化，夾持距離為5 mm和10 mm時樣品的試驗數據變化不明顯；夾持距離對樣品Tg(tan δ)影響較小，對Tg(E′)和Tg(E″)影響較大。考慮到鋁箔封端法在較長的夾持距離條件下能夠制得更加穩定樣品，所以夾持距離選擇10 mm為宜。