芳纶纤维吸湿性能测试与评价

张亚如，徐广标

(东华大学纺织学院，上海201620)

芳纶纤维(Aramid Fiber)，即芳香族聚酰胺纤维，纤维大分子是由两个酰胺基团之间通过间位苯基连接，呈柔性结构[1]，具有强度高、模量高、耐高温等优点。芳纶纤维独特的物理和化学性能，使得其广泛应用于各个行业，如:航天航空、汽车制造业、高温过滤等[2－5]，目前对于芳纶纤维材料的相关研究大多集中在芳纶纤维的制备、改性及应用等方面[6－9]。因芳纶纤维含有大量的酰胺键，吸湿后其内部分子链遭到破坏，酰胺键易发生水解，导致其性能发生变化。在企业实际存储及海洋运输时，由于环境湿度的改变，芳纶纤维回潮率会随之改变，从而使得纤维的性能发生变化。由于目前对芳纶纤维吸湿性能的相关研究较少，本论文将探究芳纶纤维在标准条件下(20±2℃、65±5%RH)的回潮率及回潮率为10%、20%、30%时的吸湿及拉伸性能，并对此进行测试评价，为实际的纤维储存及运输提供参考依据。

1 试验

1.1 试样

采用三种不同厂家的芳纶1313纤维，具体参数指标如表1所示，纤维的表面形态如图1所示。由图1可知，芳纶纤维纵向截面有明显的凹槽，不同厂家生产的芳纶纤维纵向稍有差别，1＃表面较光滑，2＃表面有明显的竖纹，3＃表面有不规则纹路。

图1 芳纶纤维的表面形态

表1 试样基本参数

1.2 试验方法

1.2.1 纤维吸湿性能

(1)回潮率

采用许敏[10]已验证的芳纶纤维回潮率测试的改进方法。使用八篮烘箱对纤维进行预烘干处理，即在105±5℃条件下烘至恒重，在标准大气条件下(20±2℃、65±5%RH)将烘至恒重的纤维进行调湿至湿平衡，称重记为G，再在105±5℃条件下烘至恒重记为干重G0，由式(1)得纤维回潮率。

(2)吸湿滞后性

试验测试芳纶1313纤维试样的吸湿滞后性，其吸湿、放湿过程同时在同一环境中测试完成，从早上8点开始，每隔两个小时记录一次测试环境的温湿度直到测试结束，得测试环境的温湿度变化范围(温度:16.5℃～18.5℃、相对湿度:43.8%～53.3%)。

吸湿:从三个不同厂家的芳纶纤维包中各拿出40g纤维作为试验样品，称取6g作为试样，将纤维试样放置在烘箱中烘至绝对干燥，称重后迅速将纤维转移至同一实验室环境中(温度变化为16.7℃～18.5℃、湿度变化为43.8%RH～53.3%RH)进入吸湿过程。在此过程中尽量使纤维保持蓬松状态，每隔10min称重一次，直至前后两次称重小于0.0001g时，即认为纤维吸湿达到平衡状态。

放湿:从上述芳纶纤维样品中分别取出6g的试样3份，将其烘至恒重，计算纤维回潮率为10%、20%、30%的湿重，通过均匀地将水喷洒在水平放置的纤维表面来达到计算得到的湿重，喷湿后的纤维放入分装袋，尽量挤出分装袋内的空气密封24h后拿出测试，测试环境同上，每隔10min称重一次，直至前后两次称重小于0.0001g时，即认为达到放湿平衡。

1.2.2 拉伸性能

根据GB9997－88化学纤维单纤维断裂强力和断裂伸长的测定，纤维在标准大气(20±2℃、65±5%RH)状态下放置24h，采用XQ－2型纤维强力仪对三种纤维的断裂强力、断裂伸长率等指标进行测试。等速拉伸、夹持隔距20mm、拉伸速度20mm/min，每种纤维测试50根，结果取平均值。

纤维在标准大气(20±2℃、65±5%RH)状态下放置24 h，然后放入烘箱内干燥，将其烘至恒重，按照上述纤维放湿加湿方法得到不同纤维回潮率，密封24h后拿出测试，为了避免芳纶纤维在恒温恒湿(20±2℃、65±5%RH)环境中放湿过多，纤维强力测试应在样品拿出密封袋后的10 min内换批次进行测试，每个回潮率梯度实验按照上述方法重复3遍。

2 结果与讨论

2.1 吸湿性能

2.1.1 回潮率

芳纶纤维在标准大气条件(20±2℃、65±5%RH)下的回潮率如下页表2所示。

表2 芳纶纤维的回潮率

从表2中可以看出芳纶纤维在标准大气条件下的回潮率约在7%左右，不同厂家的芳纶纤维相比其回潮率几乎没有差异，在0.2%范围内波动。

2.1.2 吸湿滞后性

根据在温度变化范围为16.7℃～18.5℃、相对湿度变化范围为43.8%～53.3%的环境中测得的芳纶纤维吸湿、不同回潮率(10%、20%、30%)放湿达到平衡时的数据，绘制芳纶纤维吸湿滞后性曲线如图2所示，芳纶纤维吸湿、放湿达到平衡的时间及回潮率如表3所示。

图2 芳纶纤维吸湿、放湿曲线

表3 芳纶纤维吸湿、放湿平衡时间

图2所示是在外界环境温度变化范围为16.7℃～18.5℃、相对湿度变化范围为43.8%～53.3%的环境中测得的芳纶纤维的吸湿、放湿曲线。从图2中可以看出，三个试样均符合纤维吸湿滞后性的规律。芳纶纤维均是在回潮率较大时，开始的放湿速率较大，慢慢的趋于平缓；不同回潮率的同一个厂家的芳纶纤维相比，回潮率高的芳纶纤维的放湿速率大于回潮率低的芳纶纤维，三个厂家的芳纶纤维体现了一致的性能。

由表3数据可知，不同厂家的芳纶纤维的吸湿、放湿的时间具有一致性，相差不大，在温度变化为16.7℃～18.5℃、湿度变化为43.8%RH～53.3%RH的条件下，芳纶纤维由放湿达到平衡使用的时间随着回潮率的增大而增多，30%回潮率的芳纶纤维达到放湿平衡时需要900min～1000min左右，20%回潮率的芳纶纤维达到放湿平衡时需要700min～900min左右，10%回潮率的芳纶纤维达到放湿平衡时需要400min～750min左右，芳纶纤维放湿达到平衡需要500min～600min。与标准大气条件下测得的芳纶纤维的回潮率相比，在温度变化为16.7℃～18.5℃、湿度变化为43.8%RH～53.3%RH的条件下存放的芳纶纤维达到的吸湿平衡回潮率略小一些，对于10%回潮率的放湿平衡，1＃和2＃与标准大气条件下测得的回潮率相差不大，其余差别较大。

2.2 拉伸性能

芳纶纤维在标准大气条件下(20±2℃、65±5%RH)及在外界条件变化范围为温度16.7℃～18.5℃、相对湿度43.8%～53.3%下不同回潮率(10%、20%、30%)时的断裂强力指标如图3所示。

图3 芳纶纤维断裂强力变化柱状图

图3 (a)至图3(d)所示是芳纶纤维断裂强力指标变化图。从图3(a)拉伸曲线中可以看出，以试样2＃为例，芳纶纤维的断裂强力随着回潮率的增大而降低，其断裂伸长率和初始模量变化不大，具体的断裂强力数据变化如图3(b)所示。从图3(b)可知，芳纶纤维在标准大气条件下调湿24h后测得的纤维强力在为8.35cN～9.23cN之间，三个厂家的芳纶纤维断裂强力相差不大。

由图3(b)可知，1＃回潮率为10%时，1＃、2＃、3＃的断裂强力相对于标准大气条件下测得的断裂强力下降分别为12.69%、7.19%、5.20%；回潮率为20%时，其断裂强力相对于标准大气条件下测得的断裂强力分别下降21.80%、19.64%、18.53%；回潮率为30%时，其断裂强力相对于标准大气条件下测得的断裂强力分别下降27.45%、21.20%、25.35%。由此可知，芳纶纤维断裂强力随着回潮率的增加其下降程度也随之增加，三个试样相比，1＃整体下降的程度较大，2＃、3＃相差不大。

图3(c)、图3(d)中可以看出芳纶纤维的断裂伸长率及初始模量的变化程度不大，但整体来看，断裂伸长率随着回潮率的增大呈增大趋势，其初始模量随回潮率的增大呈下降趋势。以上断裂强力指标的改变主要是由于水分子进入芳纶纤维后，改变了分子间的结合状态所致。

3 结论

(1)芳纶纤维在标准大气条件下的回潮率在7%左右；30%回潮率的芳纶纤维达到放湿平衡时需要900min～1000min左右，20%回潮率的芳纶纤维达到放湿平衡时需要700min～900min左右，10%回潮率的芳纶纤维达到放湿平衡时需要400min～750min左右，芳纶纤维放湿达到平衡需要500min～600min，不同的纤维试样间存在一定差异；且回潮率高的芳纶纤维的放湿速率大于回潮率低的芳纶纤维。

(2)芳纶纤维在标准条件下的断裂强力约为8.5cN，断裂伸长率约为37%，初始模量约为0.6cN/dtex；随着回潮率的增大，芳纶纤维的断裂强力下降的程度也随之增大，不同回潮率断裂强力的下降程度范围在5%～27%之间。