改性聚苯硫醚纤维的性能研究

邢 颖 杨晓红 李 明 张建国

（1.江苏工程职业技术学院，江苏南通，226007；2.南京理工大学，江苏南京，210094；3.江苏苏化集团有限公司，江苏苏州，215006）

聚苯硫醚（PPS）纤维同时具备高力学强度、耐腐蚀以及良好的阻燃特性，但PPS中呈现致密分布的分子结构，分子链也保持有序的排列状态，这使得PPS纤维只达到很小的吸湿率，无法实现理想的上染效果，针对特种使用工况下的防护效果与舒适状态都造成了不利影响［1-2］。为提升吸湿程度，本研究选择熔融共混的方式实现改性功能，考虑到对PPS进行加工时需将温度升高到295 ℃附近，这就要求添加剂也要达到很高的热稳定性［3-4］。

聚丙烯酸（PAA）中各分子存在化学交联作用，易发生大分子链缠绕现象生成空间网络，经过分子官能团检测发现在PAA分子中还存在—COONa与—COOH等多种高吸水性能的活性基团，这使其具备优异的耐高温稳定性、良好的吸附能力并表现出一定的高分子电解质特征，与生物组织间可以形成良好的相容性。PAA的以上特性与本研究改性目标相符，可以达到人体服用的安全标准［5-6］。纳米SiO2颗粒具备耐高温稳定性、高比表面积并且在颗粒表面存在大量羟基官能团，在自然界中分布广泛，而且还具备优异的防紫外线效果，能够对紫外线起到明显吸收与散射作用，有效隔绝紫外线穿透，从而实现优异抗光老化性能［7］。

本研究将PAA和纳米SiO2颗粒作为添加剂加入PPS熔融共混制得PPS母粒，再与纯PPS切片实施混合得到改性PPS纤维，研究该改性PPS纤维的改性效果。

1 试验

1.1 改性PPS纤维的制备

将PPS/PAA（98/2）和PPS/SiO2混 合 母 粒放置到DZF6000型真空干燥箱，母粒升温到120 ℃经过12 h干燥后，再把PPS切片放入真空转鼓干燥箱内。纺丝前应先对切片、母粒充分干燥，干燥处理不仅可以去除切片中的水分，还利于PPS更大的结晶度与软化点的形成，同时抑制环结阻料的过程，使纺丝加工过程更为顺畅。根据设定配比称量复合母粒和PPS切片纺丝，并优化纺丝加工的参数条件，保证改性PPS纤维成形良好。表1给出了各PPS纤维成分［8-10］。

表1 各PPS纤维成分配比

1.2 测试与表征

通过JSM-6700F型扫描电镜观察纤维截面微观结构。按照GB/T 6503—2017《化学纤维 回潮率试验方法》测定试样的吸湿回潮率。切割得到一段固定长度的纤维，再利用SCY-Ⅲ型声速纤维取向测量仪测定声速，用以衡量各纤维取向度。按照GB/T 14344—2022《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》要求，以YG061FQ型强伸仪测定各PPS纤维力学特性，隔距长度250 mm，控制拉伸速率120 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 可纺性

表2为各PPS纤维制备工艺条件以及可纺性、表观色泽指标。其中热盘温度均为90 ℃，牵伸倍数均为3.5倍；PPS纤维的螺杆温度为290 ℃，PPS-1纤维～PPS-8纤维螺杆温度均为289 ℃。从表2可以看到，随着PAA添加量升高至1.50%，纤维发生了少量断头的情况，此时依然可以保持稳定的纺丝状态，PPS-4纤维表现出了优异的可纺性。PPS纤维表面呈现淡黄色，并形成了一定的光泽度，添加一定量的PAA时，纤维变白，可以充分保留光泽感，产生上述结果的原因是PAA属于一种白色粉末，在纺丝熔融阶段不会发生高温分解，分子结构稳定；同时PPS与PAA相容状态良好，纺出纤维颜色均匀。SiO2作为一种用途广泛的白色粉末，目前已成为纺织品制造加工中的重要消光剂，有助于纤维与织物获得更大白度。在纤维中添加纳米SiO2颗粒后，纤维颜色更白，但光泽明显变暗。

表2 不同SiO2、PAA添加配比下各PPS纤维的纺丝性能统计

2.2 微观形貌

图1为PPS、PPS-4、PPS-8的微观形貌。根据图1可以发现，在改性PPS纤维截面上没有明显观察到PAA、PPS间的界面结构，并且也没有发生团聚的情况，表明PAA和PPS间达到了良好的相容状态；SiO2并未在PPS基体内发生团聚现象，总体上呈现均匀分散状态，PAA也呈现良好的分散效果。

图1 3种PPS纤维扫描电镜图

由声速测试结果可知，PPS纤维～PPS-8纤维取向度声速值分别为1.863 km/s、1.816 km/s、1.762km/s、1.704 km/s、1.642 km/s、1.881 km/s、1.773 km/s、1.715 km/s、1.692 km/s。可 以 发现，提高PAA加入量后，PPS纤维取向度有逐渐减小的趋势，但总体波动幅度很小，添加PAA不会对PPS纤维取向造成严重影响。这是因为PAA会对PPS最初规整结构造成干扰，发生取向度减小的现象，这跟纤维结晶度变化规律相近，与纺丝外力之间存在紧密关联。

2.3 热稳定性能

通过热重分析方法测定各PPS纤维热稳定性及其发生热分解的过程，具体结果见表3。

表3 氮气气氛下PPS纤维的热重数据

根据表3可知，逐渐提高PAA含量后，改性PPS纤维最初发生失重的温度有下降趋势。PAA改性PPS纤维最初分解温度T5%超过503 ℃，T10%超过518 ℃；SiO2和PAA改性PPS纤维最初分解温度T5%超过504 ℃，T10%超过520 ℃。这是因为PAA相对PPS更容易发生热分解，并且添加PAA之后会对PPS纤维内原先的致密分子结构造成破坏，从而导致PPS聚集形态发生变化，最终引起改性PPS纤维热稳定性的下降。而添加PAA并未造成改性PPS纤维热分解温度的显著下降。加入PAA和SiO2颗粒的改性PPS纤维快速分解温度Tmax略高。这是因为添加改性剂后对PPS运动过程造成了限制，SiO2粒子对热量传输起到了隔绝效果。

2.4 强伸性能

各PPS纤维的断裂强度与断裂伸长率见图2。图2显示，当PAA含量上升后，改性PPS纤维断裂强度出现了减小的趋势，从PPS纤维2.941 cN/dtex减 小 至2.861 cN/dtex，同 时 断 裂伸长率从27.2%提升至30.4%。加入SiO2颗粒后，PPS-5纤维断裂强度达到了2.995 cN/dtex，两种纤维形成了相近的断裂强度变化特征。通过分析结晶度和取向性参数可以发现，PAA对PPS规整结构造成了一定程度的破坏，随着非晶态组织比例的提高，共混高聚物大分子链发生了更大程度的滑移，受到外部载荷作用后形成了更大的断裂伸长率，加入SiO2后均达到30%以上。由此可以判断PAA并不会引起PPS初始力学性能的降低，依然可以有效保留PPS纤维优异的力学特性。

图2 PPS纤维力学性能

2.5 吸湿性能

表4是各PPS纤维的水接触角和吸湿回潮率测试结果。由表4可知，当PAA含量上升后，水接触角从74.8°减小至53.1°，亲水性能获得显著改善。这主要与PAA中的—COONa与—COOH等亲水官能团有关，同时PAA的加入破坏了PPS的规整结构，随着非晶区范围的扩大，纤维获得了更大吸湿性。在纤维中添加纳米SiO2后，水接触角随PAA加入量的升高而发生下降，其中PPS-8纤维的水接触角达到52.7°，相对PAA改性PPS纤维形成了基本一致的接触角度。

表4 PPS纤维水接触角和吸湿回潮率统计

纤维舒适性受吸湿回潮率指标的直接影响。由表4可知，提升PAA加入量后，PPS-4纤维吸湿回潮率为2.06%。添加纳米SiO2颗粒的情况下，改性PPS纤维吸湿回潮率与PAA比例也呈现正相关变化特征，PPS-8达到了与PPS-4纤维基本一致的吸湿回潮率。根据水接触角数据可知，以共混形式将PAA、SiO2添加到PPS后，PAA是引起改性PPS纤维吸湿性变化的主因。

3 结论

（1）PPS与PAA具有良好相容性，可制得具有均匀颜色的改性PPS纤维，纳米SiO2有助于纤维与织物获得更高的白度。加入的纳米SiO2并未在PPS基体内发生团聚现象，总体上呈现均匀分散状态。

（2）提高PAA加入量后，引起PPS纤维取向度逐渐减小的变化趋势，但总体波动幅度很小，添加PAA不会对PPS纤维取向造成严重影响。逐渐提高PAA含量后，最初发生失重的温度发生了下降。加入PAA和纳米SiO2颗粒的情况下，PPS纤维的快速分解温度更高。

（3）当PAA含量上升后，改性PPS纤维断裂强度减小，从PPS纤维2.941 cN/dtex减小至2.861 cN/dtex，断裂伸长率从27.2%提升至30.4%；水接触角减小，使纤维亲水性能获得显著改善，PAA配比1.5%的改性PPS纤维吸湿回潮率为2.06%。