應用故事 | 對位/間位芳綸纖維混紡織物的熱重分析

芳綸纖維（聚苯二甲酰苯二胺），是一種人工合成的新型的芳香族聚酰胺纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、低密度、高耐磨等優異特性，與碳纖維、超高分子量PE纖維并稱世界三大高科技纖維，已被廣泛應用于各種高性能防護服。

芳綸纖維包括全芳香族聚酰胺纖維和雜環芳香族聚酰胺纖維兩大類。全芳香族聚酰胺纖維中，按結構劃分且工業化生產的主要分為對位芳綸纖維和間位芳綸纖維，這兩種是芳綸纖維中具有實用價值的兩種芳綸纖維。

對位芳綸纖維全稱聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，我國稱之為芳綸1414，該纖維顯微鏡下觀察橫截面呈圓形，縱面光滑，有節狀形態，有點類似聚酯纖維表面形態，其分子鏈沿纖維軸向排列，分子間的氫鍵同時具有共軛效應而呈現出剛性特征，是當今世界產量大、用途廣的高性能纖維之一。間位芳綸纖維全稱聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，我國稱之為芳綸 1313，該纖維顯微鏡下觀察橫截面呈腰子形，縱面上有凹槽，有點類似于腈綸表面形態，化學結構上在分子間有氫鍵，化學性質穩定，是一種性能優異的有機耐高溫阻燃防火纖維。

有研究表明芳綸織物中隨著芳綸1414纖維含量的增加織物強力先減小后增大，織物損毀長度減小，織物熱防護性能逐步提高[1-3]。因此在實際的芳綸織物設計時，很少將芳綸1313纖維單獨使用，特別是那些對阻燃性以及熱防護有高要求的織物中都會添加一定比例的芳綸1414纖維。

本文利用耐馳熱重分析儀TG 209 F1對兩種芳綸纖維（對位/間位）盲樣進行熱重分析，來鑒別兩種纖維的類別，該測試方法所需樣品量少、環保，是一種簡單便捷的測試手段。

儀器：Netzsch TG209 F1

樣品：【對位芳綸纖維盲樣】和【間位芳綸纖維盲樣】

測試方法：分別取一束待測芳綸纖維樣品，并將其纏繞在鑷子上，然后將其放入氧化鋁坩堝（如圖1所示）。將盛有樣品的坩堝放入熱重分析儀內，在氮氣氣氛下以10K/min的升溫速率從室溫加熱至700℃。

圖1 纖維樣品的制備示意圖

圖1是是對位芳綸盲樣的熱重曲線，其熱分解過程包含2個階段：第1階段是室溫～200℃的微量質量損失階段，熱失重百分數約為4.17%，主要是分子間結合水的燒失；第2階段是對位芳綸的熱分解過程，由于芳綸1414纖維是對位連接的苯酰胺，其酰胺鍵與苯環基團形成大π鍵共軛結構，內旋位能非常高，分子結構非常穩定，熱分解溫度非常高，當溫度高達562℃時1414纖維吸收了充足的能量，其分子鏈開始發生隨機的斷裂和分解，進而導致劇烈的降解、碳化以及可能的交聯等復雜反應，表現出其質量損失顯著現象。最后，700℃時質量殘余百分數約為42%。

圖2 對位芳綸纖維盲樣的TG曲線

圖2是間位芳綸盲樣的熱重曲線，其熱分解過程包含3個階段：第1階段與對位芳綸纖維一樣是失去結合水的過程，熱失重百分數約為2.80%，表明間位芳綸纖維的分子結合水含量低于對位芳綸。第2階段是間位芳綸的熱分解過程，由于間位芳綸纖維大分子中的酰胺基團以間位苯基相互連接，分子間氫有鍵但無共軛效應，內旋位能低于對位芳綸纖維，因此該階段的熱分解溫度較對位纖維低，在430℃～500℃發生顯著的質量損失，質量損失百分數約為16.67%；隨后又出現一失重平臺500 ℃ ～700℃，該失重猜測是對位芳綸纖維的裂解失重，故猜測該間位芳綸盲樣不是單一組分的纖維，可能是間位和對位芳綸纖維的混紡織物。最后，700℃時質量殘余百分數約為56.89%。

圖3 對位芳綸纖維盲樣的TG曲線

熱重分析是分析材料熱穩定性的有效而快捷的一種方法，不同纖維的熱分解溫度各有差異，故可以通過熱重測試將不同的混紡纖維加以區分。熱重分析方法操作方便、準確度高、檢測時間短，與傳統化學方法相比具有一定的優勢，后續可以研究不同單組份纖維的熱分解特性，建立熱失重參比庫，從而對纖維盲樣進行區分。

[1] 劉敏燕,李玲,何粟華.熱失重法定量分析間位/對位芳綸纖維混紡織物.中國纖檢,2020(10):81-83.

[2] 袁玥,李鵬飛,凌新龍.芳綸纖維的研究現狀與進展.紡織科學與工程學報,2019,36(1):146-152.

[3] 沈逍安,王曉映,夏光美,韓文佳,孔凡功,徐振.芳綸的發展現狀及其表面改性研究進展.合成纖維,2021,50(1):20-25.

作者

盛沈俊

耐馳儀器公司應用實驗室