对位芳纶织物性能分析

朱正锋，齐大鹏，任永芳，田玉玲，温欣婷，姜明涛

（1．中原工学院；2．河南省功能性纺织材料重点实验室，郑州450007）

对位芳纶织物性能分析

朱正锋1，2，齐大鹏1，2，任永芳1，2，田玉玲1，2，温欣婷1，2，姜明涛1，2

（1．中原工学院；2．河南省功能性纺织材料重点实验室，郑州450007）

以中国神马集团生产的对位芳纶纤维束和美国杜邦公司生产的Kevlar49纤维束为实验材料，织造不同规格的芳纶平纹织物，并测试织物的抗静电性能和极限氧指数．通过纤维的红外光谱测试和粘度检测并计算其聚合度，比较分子结构的差异，分析造成抗静电性能和极限氧指数差别的原因．研究表明：2种纤维的化学结构成分相同，但国产对位芳纶纤维的聚合度低于Kevlar49纤维．由于聚合度和纤维细度的差异，导致了国产对位芳纶织物的表面电阻大于Kevlar49织物，极限氧指数小于Kevlar49织物．

对位芳纶；红外光谱；聚合度；抗静电性能；极限氧指数

对位芳纶（PPTA）是一种高强、高模、低密度、耐高温、耐化学腐蚀的高科技纤维，广泛应用于航空航天、电子通讯、汽车工业、体育休闲等领域［1－3］．本文以中国神马集团生产的对位芳纶纤维束和美国杜邦公司生产的Kevlar49纤维束为实验材料，利用剑杆织机织造不同规格的芳纶平纹织物，并测试织物的抗静电性能和极限氧指数．通过纤维红外光谱测试和粘度检测并计算其聚合度，比较分子结构的差异，分析造成抗静电性能和极限氧指数差别的原因，为对位芳纶的推广和使用提供理论依据．

1 实 验

1．1 实验材料

国产对位芳纶纤维束 （中国神马集团生产），规格为70tex／187f；Kevlar49纤维束（美国杜邦公司生产），规格为170tex／959f．

1．2 实验仪器

Nicolet460红外－拉曼光谱仪（美国尼高力公司）；GA193－600型全自动单纱整经机；SGA598型剑杆小样织机；LCK－305织物表面电阻测试仪；LLY－07A织物阻燃性能测试仪；LCK－09氧指数仪．

1．3 实验方法

1．3．1 红外光谱测试

把纤维剪碎后，同KBr混合，磨成粉末，制成KBr压片，利用Nicolet460红外－拉曼光谱仪检测，分辨率为4 cm－1，每个样品扫描36次．

1．3．2 聚合度计算

称取国产对位芳纶纤维束和Kevlar49纤维束各1．5 g，利用质量分数为98%的浓硫酸，配成质量分数为1%的溶液；用 NDJ－1旋转粘度计在（30±0．2）℃恒温水浴中按 GB／T 1632－93规定测量其粘度η［4］，每种纤维束测3次，求其平均值，以此得到对位芳纶纤维的特性粘度［η］［5］；依据式（2）［6］计算粘均相对分子 量Mη；依据式（3）［7］计算粘均聚合度DPη．

式中：ηr为相对粘度；c为溶液浓度．

1．3．3 小样织造

利用GA193－600型全自动单纱整经机、SGA598型剑杆小样织机织造幅宽为20 cm的3种规格的平纹组织小样．为保证织物具有相同的紧度，织物的经纬密规格设计如下：①国产对位芳纶纤维纯纺织物，经密为170根／10 cm，纬密为200根／10 cm；②用美国杜邦Kevlar49纤维束为经纱、国产对位芳纶纤维束为纬纱织成的交织织物，经密为120根／10 cm，纬密为200根／10 cm；③ Kevlar49 纯 纺 织 物，经 密 为120根／10 cm，纬密为130根／10 cm．1．3．4 织物表面电阻测试

试样尺寸及数量：φ90 mm，1组3块；测量定时：60 s；相对湿度：65%；温度：20℃．1．3．5 极限氧指数测试

将试样裁剪成长6 cm、宽5．7 cm大小后夹在试样夹上；将试样夹放在燃烧筒内，打开氧氮供气阀，选定合适的预设初始氧浓度，待氧氮浓度平衡后开始点火；待织物持续燃烧时开始计时，若织物燃烧完，则表明氧浓度过高，需调低氧浓度．如此反复数次，即可找到准确的试样氧指数．

2 结果与讨论

2．1 红外光谱

2种纤维的红外光谱测试结果如图3所示．

图3 红外光谱图

由图3可以看出：国产对位芳纶纤维和美国杜邦Kevlar49纤维在1 640 cm－1处的吸收谱带均比较强，它们是由C＝O伸缩振动引起的，即酰胺Ⅰ谱带；1 540 cm－1和1 260 cm－1处的吸收谱带分别是由O＝C－N、N－H的变形耦合振动引起的，即酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ谱带，酰胺Ⅲ吸收谱带比酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ吸收谱带弱得多；650 cm－1和520 cm－1处的吸收谱带分别是由N－C＝O面内弯曲振动和C＝O面外弯曲振动引起的，即酰胺Ⅲ吸收谱带；而720 cm－1处的吸收谱带是由N－H面外弯曲振动引起的，是酰胺Ⅴ吸收谱带．因此，可以认定国产对位芳纶纤维和美国杜邦Kevlar49纤维结构基本一致，均由聚对苯二甲酰对苯二胺构成．

在838 cm－1和696 cm－1附近处的吸收峰可以证明2种纤维中苯环结构的存在；在3 300～2 800 cm－1处都没有C－H伸缩振动吸收峰，表明2种纤维分子结构中没有－CH3、－CH2－等饱和键．因此，2种纤维均为全芳香族酰胺．

2．2 聚合度

利用NDJ－1旋转粘度计在（30±0．2）℃的恒温水浴中按GB／T 1632－93规定测量得到国产对位芳纶纤维的粘度为6．787 Pa·s，Kevlar49纤维的粘度为15．367 Pa·s．由聚合度与粘度的关系式进行计算可知，国产对位芳纶纤维的分子量和聚合度分别为18 898．76和 79．4，小 于 Kevlar49 纤 维 的 分 子 量27 934．31和聚合度117．4．测试结果如表1所示．由此可以推断Kevlar49纤维比国产对位芳纶纤维具有更高的结晶取向度和更好的力学性能．

表1 粘度测试结果

2．3 织物表面电阻

织物表面电阻测试结果如表2所示．

表2 织物表面电阻测试结果

由表2可知，电阻值排序为：国产对位芳纶纤维束纯纺织物＞美国杜邦Kevlar49纤维束与国产对位芳纶纤维束交织织物＞美国杜邦Kevlar49纤维束纯纺织物．因而抗静电性能排序为：国产对位芳纶纤维束纯纺织物＜美国杜邦Kevlar49纤维束与国产对位芳纶纤维束交织织物＜美国杜邦Kevlar49纤维束纯纺织物，国产对位芳纶织物的导电性低于Kevlar49织物．从纤维角度分析，这是由于Kevlar49纤维的聚合度大于国产对位芳纶纤维的聚合度，晶区与非晶区间隔密度增大，导致电阻增大，降低了导电性能．从织物角度分析，这是由于国产对位芳纶纤维的细度大于Kevlar49纤维的细度，在紧度相同的情况下，Kevlar49纤维束中的纤维根数明显增加，在同等测试条件下，相当于增加了空气介质层数，增大了织物的表面电阻．

2．4 极限氧指数

极限氧指数测试结果如表3所示．

表3 阻燃性能测试结果

由表3可知，国产对位芳纶织物和Kevlar49织物均具有良好的阻燃性能，织物的阻燃性排序为：美国杜邦Kevlar49纤维束纯纺织物＞美国杜邦Kevlar49纤维束与国产对位芳纶纤维束交织织物＞国产对位芳纶纤维束纯纺织物．从纤维角度上讲，由于Kevlar49纤维具有较高的聚合度和结晶度，增大了结晶区与非晶区的间隔密度，从而起到了更好的阻燃效果．从织物角度上讲，虽然三者紧度相同，但是由于各自的纤维束规格不同，使得国产对位芳纶织物的经纬密均大于Kevlar49纤维织物，而Kevlar49纤维的细度比较小，从而其纤维密度要远远大于国产对位芳纶纤维束的纤维密度．随着纤维间空气介质层数的增加，导致热阻的增加，造成了较小的燃烧速率，所以，Kevlar49纤维织物的阻燃性要高于国产对位芳纶织物．因此，3种织物的阻燃性排序为：美国杜邦Kevlar49纤维束纯纺织物＞美国杜邦Kevlar49纤维束与国产对位芳纶纤维束交织织物＞国产对位芳纶纤维束纯纺织物．

3 结 语

（1）通过红外光谱测试和粘度的检测并计算其聚合度，得出国产对位芳纶纤维和美国杜邦Kevlar49纤维结构基本一致，均由聚对苯二甲酰对苯二胺构成，但国产对位芳纶纤维聚合度小于美国杜邦Kevlar49纤维的聚合度．

（2）由于国产对位芳纶纤维的聚合度小于Kevlar49纤维，而其纤维细度大于Kevlar49纤维，造成了国产对位芳纶织物的表面电阻大于Kevlar49织物，其极限氧指数小于Kevlar49织物．

［1］Volokhina A V．High－strength Aramid Fibres Made from Polymer Blends［J］．Fibre Chemistry，2000，32（4）：230－234．

［2］Memeger，W Jr．“Mimetic”Molecular Composites of Kevlar49 Aramid／Poly（P－phenyleneter Ephthalamide）［J］．Journal of Materials Science，1999，34（4）：801－809．

［3］Mikhail，Vskaya A P，Dyankovat Y U，et al．Preparation of Para－aramid Fabrics for Finishing Operations［J］．Fibre chemistry，2002，34（1）：62－65．

［4］Tassinari．Advances in Militray Protective Clothing［J］．American Textile，1991，20（3）：32－38．

［5］Cunniff．An－analysistem Effects in Nonwoven－fabrics under Ballistic－Impact［J］．Non－woven Industry，1991，22（4）：28－30．

［6］Wilde．Photographic Investigation of High Speed Impact on Nylon Fabric［J］．Industry Fabric Product Review，1993，69（1）：42－43．

［7］魏家瑞，唐爱民，孙智华．超声波预处理对对位芳纶纤维结构的影响［J］．材料工程，2009（4）：61－66．

Analysis of Fabrics Made by PPTA

ZHU Zheng－feng1，2，QI Da－peng1，2，REN Yong－fang1，2，TIAN Yu－ling1，2，WEN Xin－ting1，2，JIANG Ming－tao1，2
（1．Zhongyuan University of Technology；2．Henan Key Laboratory of Functional Textiles Material，Zhengzhou 450007，China）

Taking Aramid 1414 fibers made in China and Kevlar49 fibers made in the USA as experimental materials were used in this paper．Different norms of plain clothes were weaved to test the properties of antistatic agent and LOI．The differences of molecule structures were tested and contrasted through infrared spectrum and degree of polymerization by the detections of viscosity to explain the distinctions of antistatic agent and LOI．Research shows that molecule structures of this two fibers are same，but the degree of polymerization of Aramid 1414 fibers made in China is inferior to Kevlar49．The properties of China Aramid 1414 fabrics’surface resistance and LOI are inferior to Kevlar49 fabrics all on account of polymerization and fiber fineness．

para－aramid；infrared spectrum；polymerization；antistatic agent；LOI

TS101．923

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．006

1671－6906（2011）02－0022－03

2011－03－07

河南省基础与前沿技术研究计划项目（102300410032）

朱正锋（1957－），男，河南三门峡人，教授