几种化学纤维热性能对比

欧阳春 吴立群

(中国海诚工程科技股份有限公司研发中心，上海，201702)

化学纤维简称化纤，是以天然或人工合成的高分子物质为原料、经过化学或物理方法加工而制得的纤维的统称。因所用高分子化合物来源不同，可分为以天然高分子物质为原料的人造纤维和以合成高分子物质为原料的合成纤维。化纤通常应用于纺织领域，但是随着科技的进步，化纤作为特种材料因其优良的耐热、绝缘、抗化学腐蚀等特性，被广泛应用到各种领域，包括墙纸和礼盒包装等各类装饰材料［1］;RO膜、微滤膜［2］等以及汽车发动机上的空气过滤纸［3］等过滤材料;电池隔膜［4］、碱性电池隔膜等各类电池隔膜材料以及绝缘纸［5］等绝缘阻隔材料;防弹衣、防弹头盔以及航空航天材料等军工材料［6-7］。因此，研究化纤的特性十分必要，其中热性能是化纤最重要的性能之一。

本研究选择天丝纤维、涤纶纤维、丙纶纤维及芳纶纤维为研究对象，其中，天丝纤维为纤维素纤维，属人造纤维，而其他3种均为合成纤维。采用热重分析仪以及差热扫描量热仪对4种化学纤维的热性能进行测试，分析纤维在升温过程中的变化规律以及在高温下的降解规律，以期为化学纤维应用于较高温度条件下提供理论依据。

1 实验

1.1 原料

天丝纤维，1.7D×4 mm;涤纶纤维，0.3D×5 mm;丙纶纤维1.0D×5 mm;芳纶纤维为对位芳纶浆粕。

1.2 仪器

热重分析仪 (TG)，TA公司;Q500差热扫描量热仪 (DSC)，Perkin Elmer Co，Pyris 1。

1.3 实验方法

TG分析:氮气气氛，天丝纤维、涤纶纤维、丙纶纤维在升温速率20、30、40、50℃/min下从室温升至800℃，芳纶纤维在相同的升温速率下从室温升至1000℃。

DSC分析:氮气气氛，4种化学纤维，在升温速率为10℃/min下由室温升至300℃，然后降至室温，而后再升至300℃，以第2次升温的DSC曲线为分析对象。

2 结果与讨论

2.1 DSC分析

对4种化学纤维进行DSC分析，图1为4种纤维的DSC曲线。从图1可以看出，天丝纤维和芳纶纤维没有出现明显吸热峰和放热峰，说明这两种纤维在这个温度范围内稳定性较高，不出现明显的相变以及晶型的转变等变化。而涤纶纤维及丙纶纤维在升温过程中出现明显的吸热峰:涤纶纤维的吸热峰出现在242～264℃之间，峰值温度为255℃，该温度段为涤纶纤维的熔化温度;丙纶纤维的吸热峰出现在151～171℃之间，峰值温度为161℃，即该丙纶纤维的熔点为161℃。涤纶纤维及丙纶纤维在热加工处理时，可根据DSC的吸热峰的温度范围来确定热加工的温度。

2.2 TG分析

2.2.1 升温速率对化学纤维热解特性的影响

对4种化学纤维在不同升温速率下进行热失重分析，升温速率分别为20、30、40、50℃/min，得到如图2所示的TG曲线。由图2可知，随着升温速率的提高，4种化学纤维的快速分解阶段不断向高温区偏移，即随着升温速率的升高，4种化学纤维的快速热解温度也不断提高。从图2中天丝纤维的TG曲线可以看出，不同升温速率下天丝纤维热解后剩余残渣的量基本一致，丙纶纤维也呈现同样的规律，但丙纶纤维热解后几乎没有残渣存在，热解后剩余残渣无限接近于0。不同升温速率对涤纶纤维和芳纶纤维热解后残渣的量有显著影响，涤纶纤维残渣的量随升温速率的升高呈增多趋势，而芳纶纤维热解后的残渣量随升温速率的变化并不呈规律性。天丝纤维和芳纶纤维在100℃左右均出现较小失重，该温度段的失重主要为水分蒸发所致，天丝纤维属纤维素纤维，具有较好的亲水性，而芳纶纤维也具有较好的亲水性;涤纶纤维和丙纶纤维在100℃左右并未出现明显的失重，说明涤纶纤维和丙纶纤维亲水性较差。在同一升温速率下，芳纶纤维的热分解温度最高，其次为丙纶纤维和涤纶纤维，天丝纤维分解温度最低。天丝纤维为天然高分子，其耐热性较其他3种合成高分子的纤维差。

图1 4种化学纤维DSC曲线

2.2.2 纤维的热分解动力学模型

用热重分析仪研究反应动力学的方法有等温法和非等温法。等温法实验时间长，相对误差较大，已很少使用。非等温动力学法具有测定快速、温度范围宽等优点，使用较为广泛［8-9］。本实验采用具有代表性的Kissinger法非等温动力学方法，通过测定在不同升温速率条件下的参数，获得有关动力学参数。通过研究化学反应速率随时间、温度和转化率的变化，求出反应活化能和反应级数等动力学参数。

图2 4种化学纤维不同升温速率下的TG曲线

表1 4种化学纤维采用Kissinger法所得活化能E和频率因子A计算结果

Kissinger法公式［10］见式 (1)。

式中，Tp为峰值温度，K;E为反应活化能，kJ/mol;A为频率因子;R为气体常数，J/(mol·K);β为恒定升温速率，K/min。

Kissinger法的优点是只在不同升温速度下做DTG曲线，而无需知道所测试样的反应机制即可求得表观活化能。图3为4种化学纤维的DTG曲线。

当反应速度达到最大时，升温速度对DTG峰底温度的影响服从关系式 (1)。根据图3曲线的峰值温度及式 (1)可以分别计算出ln和1/Tp，对其运用最小二乘法进行拟合可得直线，如图4所示，利用直线的斜率和截距可以求出活化能E和频率因子A，计算结果见表1。

表1中4种化学纤维热解的线性拟合相关系数均在0.99以上，相关性都较高。4种化学纤维的热解活化能分别为 128.66、125.12、153.58、211.19 kJ/mol，频率因子lnA分别为 36.29、34.11、36.93、41.80。芳纶纤维的热解活化能最高，涤纶纤维活化能最低。综合热解温度及热解活化能来看，芳纶纤维的热稳定性最高，而天丝纤维的热稳定性较差，在生产耐热材料时可以考虑采用芳纶纤维。

3 结论

3.1 通过差热扫描量热法对天丝纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、芳纶纤维4种化学纤维的差热扫描量热法(DSC)热性能进行分析，发现天丝纤维和芳纶纤维在室温至300℃范围内不出现明显的吸热峰，即在此温度范围内不出现相变，有较好的稳定性;而涤纶纤维和丙纶纤维分别在255℃和161℃出现吸热峰，该吸热峰为两种化学纤维的吸热熔化段，涤纶纤维熔点较丙纶纤维要高出很多。

3.2 通过热重分析法 (TG)对4种化学纤维的TG分析发现，随着升温速率的提高，4种化学纤维的热分解温度也随之提高;同一升温速率下，不同化学纤维的热分解温度由高到低依次为芳纶纤维、丙纶纤维、涤纶纤维、天丝纤维。

3.3 采用Kissinger法对4种化学纤维进行热解动力学计算，得到天丝纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、芳纶纤维的热分解表观活化能分别为128.66、125.12、153.58、211.19 kJ/mol，芳纶纤维的热解活化能最高，其热稳定性最高。

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