聚芳酯织物的光老化性能
颓废的反义词潘巧灵;杜以军;蒋金华;陈南梁
【摘 要】为了探究聚芳酯织物受光老化作用的影响,通过氙弧灯光照老化实验处理聚芳酯织物,研究了聚芳酯织物光老化前后的拉伸性能和结构变化,探讨了聚芳酯纤维的光老化机制.结果表明:氙弧灯光的加速老化使聚芳酯织物的拉伸强力明显下降.红外图谱分析显示,1 725 cm-附近的C=O吸收峰和1 110 cm-1附近的C-O吸收峰有明显下降,分子链发生断裂;ESEM分析显示,纤维内部有低分子物质析出,导致试样表面微观结构严重粗化;DSC分析显示,光老化使纤维内部的结晶结构遭到严重破坏.
【期刊名称】《纺织学报》
【年(卷),期】2014(035)007
【总页数】5页(P53-56,73)
【关键词】聚芳酯织物;光老化;拉伸;结晶结构
【作 者】潘巧灵;杜以军;蒋金华;陈南梁
寸草心【作者单位】东华大学纺织学院,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620;产业用纺织品教育部工程研究中心,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620;产业用纺织品教育部工程研究中心,上海201620;东华大学研究院,上海201620
【正文语种】中 文
【中图分类】TS151
嘉应学院分数线作为一种典型的热致液晶聚合物，聚芳酯纤维显示出很高的抗拉强力和高模量[1-2]。美国于1996年底发射的探路者号火星探测器就使用了聚芳酯纤维作为缓冲气囊原料，该气囊成功抵抗了火星表面严酷的环境并将探测器安全送达火星表面，说明聚芳酯纤维具有轻质高强、抗撕裂、高低温性能良好的特性[3-6]，这些特性使聚芳酯纤维在产业用纺织品及一些特殊领域很受欢迎，人们对其进行的各项性能研究也有很多。但是目前国内对于聚芳酯纤维的光老化性能的研究却鲜见报道，鉴于聚芳酯纤维在使用过程中经常要遭受各种波段的光源照射，对其进行抗光老化性能的研究显得尤为重要。
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本文在前期对聚芳酯纤维研究的基础上，利用人工加速光老化的方法，对聚芳酯织物进行了光老化处理，测试了光老化前后聚芳酯织物的拉伸力学性能，利用ESEM、DSC和红外分析的手段，研究了聚芳酯纤维表面、内部分子结构及热学性能受光老化作用的影响，以期对提高聚芳酯纤维光老化性能方面的研究作一个初步的探索。
1 试验部分
1.1 试验材料
图1示出聚芳酯纤维的化学结构。本文用聚芳酯机织平纹织物作为试验原料，织物纱线线密度为44.44 tex，纱线最大载荷为98.5 N，面密度为124.44 g/m2，经、纬向密度均为140根/10 cm。
1.2 试验及测试方法
1.2.1 人工光老化试验
使用FY3100+水冷式日晒气候老化仪模拟日光光照条件，按照GB/T 8427—2008《纺织品 车子的简笔画
色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧》进行试验。将试样按照其受光照时间不同分为4组，光照时间分别为0、90、180、270 h。具体参数设置为：光源氙弧灯，辐照强度42 W/m2；黑板温度50 ℃；预置湿度40%；预置温度35 ℃。
图1 聚芳酯纤维的化学结构Fig.1 Chemical structure of Vectran fiber
1.2.2 拉伸测试
采用扯边纱条样法[7]，织物宽度为25 mm，并保证在宽度范围内纱线根数相同，为防止打滑，使用牛皮纸在两端做垫片，用强力胶水将织物粘到牛皮纸上。使用华龙微机控制万能材料试验机(型号为WDW-20)进行材料的拉伸测试，采用等速伸长(CRE)拉伸的方法，上下夹头间距为100 mm，拉伸速度为200 mm/min，每个试样测10次，环境温度为(20±2)℃，湿度为(65±3)%。参照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定 第3部分：薄膜和薄片的试验条件》进行测试。
1.2.3 扫描电镜观察
使用捷克FEI公司的Quanta-250型环境扫描电子显微镜(ESEM)对聚芳酯纤维表面进行拍照，
观察光照前后纤维表面形貌的变化，分析聚芳酯纤维受光老化作用的影响。
1.2.4 红外光谱测试
使用美国尼高力仪器公司的Nicolet 5700型傅里叶变换红外光谱仪，通过观察红外光谱吸收谱带的变化，分析聚芳酯纤维受光老化后分子结构的变化。
1.2.5 热学性能测试
热学性能测试主要反映试样受光照前后高聚物的熔点及结晶度的变化，根据其结晶熔融吸热峰的变化反映高聚物中晶格的变化及破坏情况，从纤维结晶结构的角度来分析聚芳酯纤维受光老化作用的影响。使用美国Perkin-Elmer公司的DSC-7型差示扫描量热仪测试试样的热学性能。样品用氮气保护，空样品盘作参比，称取5 mg试样，于50 ℃保持1 min，然后以10 ℃/min的速率升温，得到样品的DSC升温曲线。
2 结果与讨论
2.1 拉伸性能
观察聚芳酯织物外观受光老化作用的影响可以发现，随着照射时间的不断增长，聚芳酯织物表面的发黄现象呈加重趋势、光泽消失，手感不再顺滑，织物整体变轻、发脆，纱线头端蓬松、毛羽加重，这些都是聚芳酯织物受到较为明显损伤的标志。在此基础上，对聚芳酯织物进行了拉伸试验。
试样的拉伸均沿织物经向进行，测试结果见表1。聚芳酯织物在未经加速光老化的情况下能承受的最大强力为1 062.54 N/cm，经过氙弧灯照射后，尤其是最初的180 h内，聚芳酯织物能承受的最大强力迅速下降。经计算，光照90 h后织物能承受的最大强力为723.38 N/cm，损失了31.92%，光照180 h后织物能承受的最大强力为565.04 N/cm，损失了46.82%。在180 h过后，继续使织物受氙灯照射，发现织物能承受的最大强力损失速率有所降低，在照射270 h后基本达到平衡。由此可见，氙弧灯光照对于聚芳酯纤维来说是致命的。
从织物断裂伸长率的变化情况可以发现，随光照时间延长，断裂伸长率逐渐下降。作为刚性链状分子结构[8]的聚芳酯纤维本身具有很小的伸长率，经过光老化后伸长率变得更小，说明光老化会使聚芳酯纤维韧性逐渐减弱而脆性增强，这可能是光老化过程使聚芳酯纤维的分子量降低、物理聚集态结构和分子链结构改变引起的。
表1 聚芳酯织物光老化前后拉伸性能数据Tab.1 Tensile strength of Vectran fabric during photolysis光照时间/h强力/(N·cm-1)断裂伸长率/%强力损失率/%01062.546.68090723.384.5831.92180565.044.3546.82270526.453.7250.45
2.2 表面形貌
图2示出聚芳酯织物受不同光照时间后纤维表面的形貌变化。由图2(a)可见，未老化的纤维表面光洁无痕，无任何裂纹及析出物；观察图2(b)，受光老化90 h后，纤维表面出现少许的横向裂纹，并且可以观察到部分纤维表面已经粗化了许多，个别位置有少许从纤维内部析出的物质出现，从而在表面形成凸起状；观察图2(c)，受光老化180 h后，表面呈现许多大小不一的凸起物质，尺寸较小的多为细条状，尺寸较大的呈球状附在纤维表面；观察图2(d)，受光老化270 h后，纤维表面的凸起物质更多，且大都表现为细条状物质，这些细条状物质分布方向不一，较老化180 h的纤维比，这些细条的长度有所增加。综合上述现象表明，氙弧灯光的照射破坏了高分子内部的结构，使聚芳酯纤维的分子链发生断裂，低分子的物质从纤维内部释放出来，大分子的规整聚集态结构遭到破坏，并且随着光照时间的增长，这种现象越来越明显。这个结果进一步解释了聚芳酯织物受光老化后强力损伤严重的原因，分子链的断裂导致聚芳酯织物的强力迅速下降。
图2 聚芳酯织物光加速老化表面的SEM照片Fig.2 SEM images of Vectran fiber during photolysis. (a) Unaged; (b) 90 h of illumination; (c) 180 h of illumination; (d) 270 h of illumination雪梅香
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2.3 分子结构
图3示出ATR-FTIR测试光照不同时长织物的红外光谱。由图可见，光老化前后，聚芳酯织物的红外图谱吸收峰的位置变化不大，没有吸收峰消失也没有新的吸收峰生成，说明聚芳酯织物经光老化后没有生成新的化学键。但是比较光老化不同时间试样之间的吸收峰大小可以发现其较原样存在明显差异，主要表现为归属于CO的1 725 cm-1处和归属于C—O的1 110 cm-1处的吸收峰有明显下降，表明该键发生断裂。羰基能够吸收260～340 nm波段的能量光线[9]，吸收峰大量削弱表明部分羰基发生了断裂。结合聚芳酯纤维的分子结构分析，C—O是聚芳酯纤维大分子2个单体的连接键，C—O键的断裂直接导致了聚芳酯纤维分子量的下降，从而强力出现大幅下滑。仔细观察图谱还可发现，随着照射时间增加到180 h后，在3 000～2 850 cm-1范围内，微小的吸收峰有逐渐增大的趋势，表明芳环上的CH有变化。
图3 聚芳酯织物光老化不同时间的红外光谱Fig.3 ATR-FTIR spectra of Vectran fabrics expod to xenon-arc lamp
2.4 热学性能
高聚物受热熔融时，只有其中的结晶部分发生变化，所以熔融热实际上是破坏结晶结构所需的热量。结晶度越高，熔融热也越大，即聚合物的熔融热与其结晶度呈正比[10]。以此推理，若某种高聚物在加热过程中有明显的吸热熔融峰出现，可以说明该高聚物有熔融过程，其内部存在结晶结构。图4示出不同光老化时间后聚芳酯织物的DSC曲线。
