几种化学试剂处理PBO纤维及其力学性能的影响研究

刘姝瑞，谭艳君，张明宇，霍 倩，李文燕

(1.西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048；2.西安工程大学产业用纺织品协同创新中心，陕西西安 710048；3. 伟格仕纺织助剂(江门)有限公司，广东江门 529000)

几种化学试剂处理PBO纤维及其力学性能的影响研究

刘姝瑞1，谭艳君1，张明宇3，霍 倩2，李文燕1

(1.西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048；2.西安工程大学产业用纺织品协同创新中心，陕西西安 710048；3. 伟格仕纺织助剂(江门)有限公司，广东江门 529000)

采用氯化铵、乙酸及尿素三种化学试剂对PBO纤维进行处理。在相同处理温度条件下，探讨低浓度试剂与高浓度试剂对纤维断裂强度、初始模量和断裂伸长率三种力学性能的影响；在相同浓度处理条件下，探讨室温(25℃)与中温(50℃)条件下，纤维三种力学性能的变化。高浓度氯化铵使单纤强力受到损伤，高浓度乙酸使得单纤强力略有提高，高浓度尿素对单纤强力损伤有修复功能，提高单纤强力。高浓度的氯化铵和乙酸使得纤维的初始模量均有所降低，高浓度尿素使得纤维的初始模量增大。高浓度的三种化学试剂均提高纤维的断裂伸长率。温度对纤维的影响：氯化铵处理时主要影响纤维的初始模量，乙酸处理时中温使纤维断裂伸长率降低，低浓度尿素中温降低断裂伸长率，高浓度尿素中温增加断裂伸长率。

聚对苯基苯并二噁唑纤维 化学试剂 力学性能 单纤强力 初始模量 断裂伸长率

聚对苯撑苯并二噁唑( poly-p-phenylenebenzobisoxazole )纤维，是芳香族杂环类聚合物，简称PBO纤维，具有超高强度、超高模量、超高耐热性和超高阻燃性四“超”性能[1-4]，被称为“21世纪的超级纤维”[4]。PBO纤维与其他纤维的性能比较见表1所示。PBO纤维性能优异，应用范围广，可作为飞船、卫星等结构材料应用于国防、航空航天等高新领域[4]，可作为赛艇、攀岩绳索、运动服、安全手套等应用于运动、高温防护材料领域[3-4]，可用于制作高档扬声器的雏形结构等[5-6]。

表1 PBO纤维与其它纤维性能比较

1 实验

1.1 实验材料及药品

PBO纤维，由日本Toyobo公司生产。

试验所用试验试剂主要有天津市化学试剂二厂生产的分析纯氯化铵、尿素和氢氧化钠及西安三浦化学试剂有限公司生产的分析纯无水乙醇、乙酸。

实验所用仪器主要宁波纺织仪器厂生产的YG(B)006型电子单纤强力仪，JA3003N电子天秤(上海精密科学仪器有限公司)以及由上海市实验仪器总厂生产的A0035型电热鼓风干燥箱。

1.2 实验过程及方案

将PBO纤维用无水乙醇浸泡24h后用蒸馏水清洗，室温干燥备用。用JA3003N型电子天平称取0.02g PBO短纤维，备用。配制1%的氢氧化钠溶液， 23%、25%、34%的氯化铵溶液，40%、80%的醋酸溶液，23.1%、33.4%的尿素溶液。(以上所配溶剂均为现配现用，氯化铵浓度为查阅溶解度后配制)

根据实际称量结果，所配置的试剂及其浓度、处理条件见表2所示。

表2 实验方案

2 结果与讨论

2.1 NH4Cl处理PBO纤维分析

氯化铵处理PBO纤维的力学性能如图1所示。

图1 氯化铵处理PBO纤维力学性能图

由图1可知，相较于原纤，纤维经氯化铵处理原纤强力有所降低，说明氯化铵对纤维强力有所损伤。初始模量取决于高聚物的化学结构以及分子间相互作用力的大小。大分子柔性越强，纤维初始模量就越小，也就越容易发生变形。对于同一种高聚物制得的纤维，若分子间的作用力越大，取向度或结晶度越高，则纤维的初始模量就越大。经氯化铵处理后，较原纤，纤维初始模量降低，大分子柔性增强，可反映出纤维的取向度和结晶度有所降低。其次，断裂伸长率反应纤维断裂情况，具有较大的断裂伸长率，表征扁丝抗冲击时有一定的单性伸长，不会立即脆断。PBO纤维经处理，断裂伸长率在3.5%～4%之间，说明条件变化对断裂伸长率影响不大，但相较于原纤，脆断情况有所改善。

2.1.1 氯化铵浓度对PBO纤维力学性能的影响

由图可知，浓度越高的氯化铵较低浓度处理纤维，纤维的断裂强力略有降低，说明高浓度的氯化铵对纤维的强力略有损伤。纤维初始模量降低，说明纤维见大分子柔性增强，纤维的取向度和结晶度都有所降低。纤维的断裂伸长率略有增加，但变化幅度不大，说明纤维在收到抗冲击时不会立即脆断，纤维韧性增强。

2.1.2 处理温度对PBO纤维力学性能的影响

处理温度越高，纤维的断裂强力、初始模量和断裂伸长率均有所降低，但是断裂强力变化很小，初始模量降低较大，断裂伸长率略有降低。处理温度的升高增加纤维柔性比氯化铵浓度升高增加纤维柔性效果好。因此实验过程中，若需要增加纤维柔性，可适当提高处理纤维的温度。

2.2 CH3COOH处理PBO纤维分析

乙酸处理PBO纤维的力学性能如图2所示。

图2 乙酸处理PBO纤维的力学性能

由图2可知，PBO纤维经乙酸处理后，与原纤相比，单纤强力有所降低，说明纤维强力有所损伤；纤维初始模量有所降低，说明纤维的柔性增大，大分子的结晶度和取向度有所降低；断裂伸长率有所增加，说明纤维在遭受抗冲击时，不易发生脆断，韧性增大。

2.2.1 乙酸浓度对PBO纤维力学性能的影响

由图2可知，同温度处理条件下，经不同浓度醋酸处理的PBO纤维，单纤强力增大，初始模量降低，断裂伸长率增大。说明PBO纤维经不同浓度醋酸处理，纤维力学性能有所变化。

高浓度醋酸处理PBO纤维，纤维强力变化不大，还略有提高，说明醋酸浓度有利于纤维的强力。高浓度的醋酸处理PBO纤维，纤维的初始模量有所降低，说明高浓度的醋酸可使得纤维变得柔性，改善纤维的刚性，可推测纤维内部结晶度和取向度有所降低。对于纤维的断裂伸长率，经高浓度的醋酸处理，纤维的断裂伸长率提高，且均较原纤断裂伸长率大，说明纤维的脆断有所改善，同时也说明纤维的柔性、韧性有所提高。其中25℃，80%醋酸浓度处理的PBO纤维，断裂伸长率大于4%，说明其韧性较其他都有所改善。

2.2.2 处理温度对PBO纤维力学性能的影响

由图2，发现无论是在低浓度的乙酸处理，还是在高浓度的乙酸处理条件下，室温处理和中温处理纤维，纤维的单纤强力、初始模量变化不大，纤维的断裂伸长率降低，且下降趋势基本一致，说明在乙酸处理PBO纤维时，温度对PBO纤维的初始模量和单纤强力几乎没有影响，同时中温使得纤维在抗冲击情况下易发生脆断，韧性降低。因此可直接在室温条件下用乙酸处理纤维。

2.3 尿素处理PBO纤维分析

尿素处理PBO纤维的力学性能如图3所示由图3可知，与原纤相比，PBO纤维经尿素处理后，纤维强力、初始模量均有所降低，断裂伸长率有所增加。说明纤维经处理后，纤维强力损伤，纤维柔性增加，大分子取向度和结晶度有所降低，纤维在抗冲击时，不易发生脆断。

图3 尿素处理PBO纤维的力学性能

2.3.1 尿素浓度对PBO纤维力学性能的影响

由图3可知，在相同温度处理条件下，不同浓度的尿素对PBO纤维进行处理，纤维的强力、初始模量、断裂伸长率较原纤都有所降低，说明纤维经尿素处理后，强力有所损伤，纤维柔性增大，取向度和结晶度有所降低，纤维在断裂时较原纤不易发生脆断。

较高浓度的尿素处理PBO纤维与较低浓度尿素处理纤维相比，PBO纤维强力增大，初始模量增高，断裂伸长率增大。说明高能度的尿素对纤维强力的损伤有一定的修复功能，还使得纤维在抗冲击中，易脆断性有所改善，但纤维的柔性被降低了。

2.3.2 处理温度对PBO纤维力学性能的影响

在相同浓度尿素条件下，不同处理温度对纤维力学性能也有所影响，说明尿素对PBO纤维有一定的作用。

低浓度的尿素浓度，中温条件下处理较常温条件下处理，纤维强力有所降低，初始模量略有增加，断裂伸长率降低。说明低浓度尿素处理条件下，纤维在温度较高时，强力受损，纤维变得刚性，抗冲击时易脆断。

在高浓度的尿素浓度中，中温条件较低温条件处理，纤维断裂强力几乎不变，初始模量有所增加，断裂伸长率大幅增加。说明高浓度尿素在较高温度处理纤维时，纤维受损的强力得到修复，同时纤维柔性降低，纤维在抗冲击情况下，不易发生脆断。

3 结论

通过三种化学试剂对纤维进行处理及其力学性能分析，得到如下结论：

(1)三种化学试剂处理后，PBO纤维的单纤强力、初始模量较原纤均有所下降，断裂伸长率较原纤均有所增大。说明三种化学试剂处理后，纤维强力有所损伤，纤维的柔性增加，大分子结构中的取向度和结晶度有所降低，在抗冲击情况下，纤维不易发生脆断，韧性增加。

(2)氯化铵处理PBO纤维，浓度越高，纤维强力损伤越大，初始模量降低反应出纤维柔性增加，断裂伸长率略有增加，纤维不易发生脆断。温度影响纤维的初始模量，温度越高，初始模量降低越大，纤维柔性越好。

(3)乙酸处理PBO纤维，浓度越高，单纤强力略有增大，初始模量降低，纤维柔性增加，断裂伸长率大幅增大，纤维韧性得到提高，不易发生脆断。处理温度针对纤维强力和初始模量没有影响，升高温度降低纤维的断裂伸长率，使得纤维易发生脆断。

(4)尿素处理PBO纤维，高浓度的尿素处理PBO纤维对纤维的强力有所修复，脆断性得到改善，但纤维初始模量增加，刚性增加柔性降低。温度主要影响纤维的断裂伸长率，低浓度温度升高，纤维断裂伸长率降低，纤维易发生脆断，高浓度温度升高，断裂生存率大幅增加，纤维不易发生脆断。

[1] 冒亚红，管宇.聚对亚苯基苯并二噁唑(PBO)纤维的载体染色[J].成都纺织高等专科学校学报，2015(4)：28-33.

[2] 管宇.分散染料在多聚磷酸处理PBO纤维上的吸附热力学研究[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(1)：46-52.

[3] 刘宝成，赵晓明.生化防护服的研究现状及发展趋势[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(4)：216-219.

[4] 董晓宁，尉霞，郭昌盛.PBO纤维的性能及应用[J]．成都纺织高等专科学校学报，2016(2)：182-185.

[5] 李仲伟，宋永生．PBO缝纫线的生产及性能研究[J]．纺织导报，2013( 10)： 70- 71．

[6] 李旭，王鸣义，钱军，等．高性能PBO纤维的开发和应用[J]．合成纤维，2010(6)： 1-5+14．

[7] 黄姗．PBO纤维压缩强度改性及其光老化研究 [D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007．

[8] 王虎，刘吉平．聚对苯撑苯并噁唑纤维的抗紫外光老化研究进展[J]．中国塑料，2013，27(4)： 7-12．

[9] 刘姝瑞，谭艳君，霍倩，等．紫外光照射对PBO纤维结构与性能的影响[J]．合成纤维工业，2015，38(5)： 12- 15．

[10]Tan Y J, Liu C N, Qian H, et al. Structure performance of UVA and UVB light irradiated poly-p-phenylenebenzobisoxazole fiber (PBO)[J]. e-Polymers, 2015, 15(5): 317-322.

[11]刘姝瑞，马佳利，谭艳君，等．PBO纤维的防紫外线改性研究进展[J]．印染，2015，41(8)： 46- 50．

2016-12-15

刘姝瑞(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织印染新材料、新助剂、新技术的研发。

谭艳君(1963-)，女，教授级高级工程师，硕士生导师。

TS195.6

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1008-5580(2017)01-0141-04