极性溶剂对间位芳纶纤维结构与性能的影响

滕芝盈，单才华，张华鹏

(1.浙江理工大学材料与纺织学院，杭州　310018；2.浙江正特集团有限公司，浙江台州　317004)



极性溶剂对间位芳纶纤维结构与性能的影响

滕芝盈1，单才华2，张华鹏1

(1.浙江理工大学材料与纺织学院，杭州310018；2.浙江正特集团有限公司，浙江台州317004)

摘要：间位芳纶纤维的染色困难限制了其在纺织面料上的应用。文章采用极性溶剂预处理间位芳纶纤维，探讨极性溶剂二甲基乙酰胺(DMAc)处理对间位芳纶纤维的结构与性能的影响。研究表明：经过DMAc处理后，间位芳纶纤维的氢键结构、结晶结构以及形态结构发生了较大变化，从而导致纤维的力学性能变化以及分散染料染色上染率的极大提升。

关键词：极性溶剂；二甲基乙酰胺；间位芳纶纤维；结构与性能；分散染料

0引言

间位芳纶(芳纶1313)纤维具有优异的热稳定性、阻燃性、电绝缘性、化学稳定性等诸多优点而被用在防护服、耐高温绝缘纸、高温过滤材料等场合。间位芳纶的链刚性较大、玻璃化温度高、分子间氢键密度较高、结晶度较高等结构特点，造成了间位芳纶纤维染色困难，一定程度上限制了间位芳纶在纺织面料中的应用。

为改善间位芳纶的染色性，国内外提出了很多种方法和技术，主要包括纤维改性和染色过程改变两大类，前者包括如杜邦公司的可染间位芳纶、原液着色技术；后者主要包括各种载体染色技术，即在染色过程中加入能够促进染料吸附或者膨胀芳纶纤维的染色助剂或溶剂[1-10]。

本文采用极性溶剂膨胀预处理间位芳纶纤维，重点探讨了极性溶剂二甲基乙酰胺(DMAc)对间位芳纶纤维的结构、性能及对分散染料上染率的影响。

1实验

1.1材料

1.67dtex*38mm芳纶1313纤维(烟台氨纶纽士达)；DMAc和Na2CO3为阿拉丁试剂分析纯；AEO-9表面活性剂(淄博海杰化工有限公司，99%)；分散红FRL 200%(浙江闰土股份有限公司)。

1.2处理方法

在DMAc溶剂处理之前，采用1g/L AEO-9、1g/L Na2CO3浴比为1∶20的处理液清洗纤维，清洗温度90℃，清洗时间40min。清洗之后采用50℃去离子水洗涤3遍，然后在95℃烘箱中烘干清洗后的纤维。

DMAc溶剂处理时浴比为1∶15，处理温度75～95℃，处理时间不超过100min。处理后纤维在95℃水洗30min，然后在80℃烘箱中烘干备用。

染色采用高温高压染色小样机，染色温度125℃，染色时间1h，采用分散红FRL 200%染料，染液浓度3% owf，浴比1∶30，用醋酸调pH为5.5。

1.3表征

表面形貌观察采用Zeiss Ultra 55场发射扫描电镜，扫描电压15kV，试样预先做喷金处理。直径测试采用SEM拍照后采用Image Pro Plus 6.0图像处理方式进行，测试纤维根数50根。

采用Nicolet 5700 FTIR进行红外光谱分析(ATR模式)，扫描波段400～4000cm-1，分辨率2cm-1，扫描次数64。

采用ARL-X’TRA粉末衍射仪进行XRD衍射分析，试验采用Cu Kα靶，扫描2θ范围5°～65°，扫描步长2°/min。将记录得到的结果从2θ10°～40°数据结果进行计算机分峰拟合以计算处理前后纤维的结晶度和峰半高宽变化。

采用V-Sorb 2800P氮吸附脱附法(BET)测试纤维样品DMAc处理前后比表面积。

采用吸光度法测定纤维染色上染百分率，通过计算得到纤维上染料量。

纤维力学性能测试采用单纤维强力仪进行测试，测试时夹头移动速度10mm/min，夹持距离20mm，测试环境温度25℃，相对湿度65%，测试前在25℃，湿度65%恒温恒湿室进行平衡24h。

2结果与讨论

2.1DMAc处理对间位芳纶纤维结构的影响

DMAc是一种强极性溶剂，对芳纶纤维的氢键具有破坏作用。从图1可以看出，芳纶纤维酰胺ⅡC-N伸缩振动峰位置发生了蓝移，而酰胺ⅠC=O伸缩振动峰位发生了红移，说明了DMAc造成间位芳纶纤维的氢键重排，处理时间增加，则峰位移动更加明显。

图2为经过不同时间DMAc处理后间位芳纶纤维的广角X射线衍射图谱。将图2结果经分峰计算处理后发现，经过DMAc溶剂处理后，芳纶纤维的结晶度稍有减小(从未处理样的78.6%减小到75.1%)；衍射峰半高宽有所减小，说明晶粒尺寸有所增大。同时衍射峰位置向2θ更大的方向移动，说明间位芳纶纤维的晶面间距随处理时间增加而减小，即微晶堆砌结构更为紧密。这说明间位芳纶纤维在DMAc处理后发生了结晶重排，纤维微细结构发生了明显变化。

图1　间位芳纶纤维经过不同时间DMAc处理后的FTIR ATR图谱(处理温度85℃)

由图3可以看出，经过DMAc处理后，纤维直径增加了约20%(从15μm增加到18μm)。氮吸附法BET比表面积测试表明，未处理样比表面积从6.06g/m2增加到9.26g/m2，增加了约53%，同时纤维长度收缩率约10%。

图2　间位芳纶纤维经过不同时间DMAc处理后的XRD图谱(处理温度85℃)

图3　间位芳纶纤维经过DMAc处理(温度85℃时间40min)后纤维直径变化

2.2DMAc处理对间位芳纶纤维性质的影响

由表1可以看出，经过DMAc处理，间位芳纶纤维的强度和初始模量有所下降，伸长率有所增加。同时纤维的直径增加，处理后纤维出现一定程度的收缩。纤维尺寸和力学性质的变化与纤维在自由状态下经DMAC极性溶剂处理后纤维的微细结构变化有关，即在DMAC作用下，纤维内的氢键和结晶结构发生了重整和重排。

表1间位芳纶纤维经过DMAc处理后的性能变化

处理方式强度/(g/d)断裂伸长率/%初始模量/(g/d)直径/μm处理后收缩率/%未处理4.530.58015085℃20min4.432.276175.540min4.134.5721810.160min4.035.6702012.595℃20min4.133.271188.540min3.635.8622012.660min3.237.2552317.1

2.3DMAc处理对间位芳纶纤维上染率的影响

由图4和图5可以看出，经过不同条件DMAc处理后，间位芳纶纤维的上染率较未处理样有极大的提高。这主要归因于纤维比表面积的增加、直径的膨胀和纤维中氢键结构的变化。

图4　不同条件DMAc处理对间位芳纶纤维染色上染率的影响

图5　不同条件DMAc处理对间位芳纶纤维染色上染百分率的影响

3结语

极性溶剂DMAc处理对位芳纶纤维后，纤维直径和比表面积增加，长度发生不同程度的收缩。纤维的强度、模量发生不同程度下降。纤维分子间氢键结构发生了明显的重新排列，纤维结晶度稍有减小，晶粒堆砌密度有所增加。由于DMAc处理后造成的这些结构和形态的变化，纤维上染率有了显著提高。

参考文献：

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(责任编辑：陈和榜)

收稿日期：2015-06-16

作者简介：滕芝盈(1982-)，女，浙江乐清市人，硕士研究生，主要从事纺织材料及其印染方面的研究。 通信作者：张华鹏，E-mail:zhp@zstu.edu.cn

中图分类号：TS193.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)02-0001-03

Influence of Polar Solvent on Structure and Properties of m-Aramid Fiber

TENGZhiying1,SHANCaihua2,ZHANGHuapeng1

(1.College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci -Tech University, Hangzhou 310018, China;2.Zhejiang Zhengte Group Co., Ltd., Taizhou 317004, China)

Abstract：Dyeing difficulty of m-aramid fiber restricts its application in textile fabric. This paper uses polar solvent for m-aramid fiber pretreatment and discusses the influence of DMAc treatment with polar solvent on the structure and properties of m-aramid fiber. The study shows that hydrogen bond structure, crystal structure and morphological structure of m-aramid fiber change greatly after DMAc treatment, thus causing the change of mechanical property of fiber and great improvement of dye uptake of disperse dyes.

Key words：polar solvent; DMAc; m-aramid fiber; structure and properties; disperse dye