综述与专论 合成纤维工业,201033(2):38 CH NA SY NTHETI FBER NDUSTRY 热分析技术在芳纶结构性能研究中的应用 赵会芳42张美云1张素风 (1.陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安710022浙江科技学院,浙江杭州3100 摘要:介绍了热重分析法、差热分析法、动态热分析法、热力学分析法等热分析技术在芳纶结构和性能分 析中的应用。指出国内对芳纶热性能研究应将各种热分析技术和其他结构分析技术联合使用,揭示芳纶结 品结构和无定形区链分子的运动规律,分析芳纶结枃与芳纶制品性能之间的关系,为我国芳纶材料设计、芳 纶结构性能的研究及芳纶制品的开发应用提供思路。 关键词:热分析技术芳纶结构性能制品开发应用 中图分类号:T34272文献识别码:A文章编号:100k0041(2010)02003804 芳纶是全芳香族聚酰胺纤维的通称,是20世价。结果显示,100℃左右失去纤维上吸附的水 纪6070年代由美国杜邦公司率先研制开发的一分,300℃附近有玻璃化转变温度出现。从DTA 种高性能合成纤维,广泛应用于航空航天、国防、曲线上看到 Key lar49纤维在560℃有个结晶熔 汽车工业、防护服、运动器材等方面。根据化学结点,590℃有一急剧的热降解峰,而Nmex纤维没 构的不同芳纶可分为间位芳纶和对位芳纶,杜邦有熔融峰出现,只在40℃附近出现了热降解 公司将其分别称为Nmex纤维和 Key hr纤维,国 A.M. H nde lel等156系统研究了热处理、 内称其为芳纶1313和芳纶1414间位芳纶以高热老化和热降解对 Key lar49纤维微结构的影响, 强度、耐热性、绝缘性为主要特征,而对位芳纶以以及纤维微观结构与拉伸强度和模量之间的关 高强度、高弹性模量为主要特征。 系。ⅫRD测定结果显示350℃前结晶度基本不 热分析技术是在程序控制温度下测量物质的变(755%),400℃时结晶度达到最大值8‰ 物理性质与温度关系的一类技术。热分析技而500℃时结晶度下降到5,微晶尺寸在 术是研究高聚物结构与性能最重要的方法之 250℃前基本不变,在400℃达到最大值,此后 广泛用于芳纶结构和性能的研究l。主要的热开始下降。TG法显示低于350℃时质量损失小 分析技术有热重分析法(TG)、差热分析法于1%,450℃时质量损失39%,500℃时损失 (DTA)差示扫描量热分析法(DSC)、动态热力学55%,657℃时损失204%。DTA曲线显示有 分析法(DMA)和热力学分析法(MA)等,为了提6个转变温度,在5367℃有1个熔融峰。 Key lar 高分析测试的准确性和可靠性,常将TG和DSC49纤维的收缩率大约为B。150℃静止空气里 等热分析仪联用,也和X射线衍射(XRD)、傅的热老化在1-150d的周期里前7d结晶度没有 里叶变换红外光谱法(FTR)、原子力显微镜变化,但横向的微晶片尺寸出现了增长 (AHM)、扫描电子显微镜(SM)等结构分析手段 W. D Jam es等1利用TGA和DSC技术从 联用,以表征芳纶的热性能与结构之间的关系。结构上探讨了热处理的 Key lar29纤维压缩性能 作者总结了热分析技术在芳纶结构与性能分析中提高的机制,认为氢键破裂的同时导致了晶粒的 的应用,为我国芳纶材料设计、芳纶结构性能的研取向偏差。作者通过对 Key lar29纤维在400 究及芳纶制品的开发提供思路 440470℃下的HTR分析表明,对位芳纶在热处 理后皮层发生了交联,芯层出现了氢键断裂 lDTA(DSC)和TG技术的应用 11结晶行为的分析 收稿日期:200906-22修改稿收到日期:20100-07 在芳纶结构与性能的研究中,往往将DTA和 作者简介:赵会芳(1971-),女,博士研究生。从事特种纸 与加工纸的研究与开发。 TG技术结合使用。 I R brow n等利用DTA 基金项目:国家自然科学基金(50873057);高等学校博 T对k如9和Nme红维的高性进行评pbsh什点项和全20e..http://www.cnki.ne综述与专论 合 成 纤 维 工 业, 2010, 33 ( 2 ): 38 CH INA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY 收稿日期: 2009- 06-22; 修改稿收到日期: 2010- 01- 07。 作者简介: 赵会芳 ( 1971) ), 女,博士研究生。从事特种纸 与加工纸的研究与开发。 基金项目: 国家自然科学基金 ( 50873057); 高等学校博士 学科点专项科研基金 ( 200807080006)。 热分析技术在芳纶结构性能研究中的应用 赵会芳 1, 2 张美云 1 张素风 1 ( 1. 陕西科技大学造纸工程学院, 陕西 西安 710021; 2. 浙江科技学院, 浙江 杭州 310023 ) 摘 要: 介绍了热重分析法、差热分析法、动态热分析法、热力学分析法等热分析技术在芳纶结构和性能分 析中的应用。指出国内对芳纶热性能研究应将各种热分析技术和其他结构分析技术联合使用, 揭示芳纶结 晶结构和无定形区链分子的运动规律, 分析芳纶结构与芳纶制品性能之间的关系, 为我国芳纶材料设计、芳 纶结构性能的研究及芳纶制品的开发应用提供思路。 关键词: 热分析技术 芳纶 结构 性能 制品开发 应用 中图分类号: TQ 342. 72 文献识别码: A 文章编号: 1001- 0041( 2010 ) 02- 0038- 04 芳纶是全芳香族聚酰胺纤维的通称, 是 20世 纪 60, 70年代由美国杜邦公司率先研制开发的一 种高性能合成纤维, 广泛应用于航空航天、国防、 汽车工业、防护服、运动器材等方面。根据化学结 构的不同, 芳纶可分为间位芳纶和对位芳纶, 杜邦 公司将其分别称为 Nomex纤维和 K ev lar纤维, 国 内称其为芳纶 1313和芳纶 1414。间位芳纶以高 强度、耐热性、绝缘性为主要特征, 而对位芳纶以 高强度、高弹性模量为主要特征。 热分析技术是在程序控制温度下测量物质的 物理性质与温度关系的一类技术 [ 1]。热分析技 术是研究高聚物结构与性能最重要的方法之一, 广泛用于芳纶结构和性能的研究 [ 2]。主要的热 分析 技术 有热 重分 析法 ( TG )、差热 分析 法 ( DTA )、差示扫描量热分析法 ( DSC)、动态热力学 分析法 ( DMA)和热力学分析法 ( TMA )等, 为了提 高分析测试的准确性和可靠性, 常将 TG 和 DSC 等热分析仪联用 [ 3] , 也和 X 射线衍射 ( XRD)、傅 里叶变换红外光谱法 ( FTIR )、原子力显微镜 (AFM )、扫描电子显微镜 ( SEM )等结构分析手段 联用, 以表征芳纶的热性能与结构之间的关系。 作者总结了热分析技术在芳纶结构与性能分析中 的应用, 为我国芳纶材料设计、芳纶结构性能的研 究及芳纶制品的开发提供思路。 1 DTA( DSC)和 TG 技术的应用 1. 1 结晶行为的分析 在芳纶结构与性能的研究中, 往往将 DTA 和 TG 技术结合使用。 J. R. Brow n等 [ 4 ]利用 DTA, TG 对 Kevlar 49和 Nomex纤维的耐高温性进行评 价。结果显示, 100 e 左右失去纤维上吸附的水 分, 300 e 附近有玻璃化转变温度出现。从 DTA 曲线上看到 K ev lar 49纤维在 560 e 有个结晶熔 点, 590 e 有一急剧的热降解峰, 而 Nomex纤维没 有熔融峰出现, 只在 440 e 附近出现了热降解。 A. M. H inde leh等 [ 5- 6] 系统研究了热处理、 热老化和热降解对 Kev lar 49 纤维微结构的影响, 以及纤维微观结构与拉伸强度和模量之间的关 系。XRD 测定结果显示 350 e 前结晶度基本不 变 ( 75. 5% ), 400 e 时结晶度达到最大值 81%, 而 500 e 时结晶度下降到 51% , 微晶尺寸在 250 e 前基本不变, 在 400 e 达到最大值 , 此后 开始下降。TG 法显示低于 350 e 时质量损失小 于 1% , 450 e 时质量损失 3. 9 %, 500 e 时损失 5. 5% , 657 e 时损失 20. 4 %。DTA 曲线显示有 6 个转变温度, 在 536. 7 e 有 1个熔融峰。Kev lar 49纤维的收缩率大约为 1%。 150e 静止空气里 的热老化在 1~ 150 d的周期里前 7 d结晶度没有 变化, 但横向的微晶片尺寸出现了增长。 W. D. Jam es等 [ 7] 利用 TGA 和 DSC技术从 结构上探讨了热处理的 Kev lar 29纤维压缩性能 提高的机制, 认为氢键破裂的同时导致了晶粒的 取向偏差。作者通过对 Kev lar 29 纤维在 400, 440, 470 e 下的 FT IR 分析表明, 对位芳纶在热处 理后皮层发生了交联, 芯层出现了氢键断裂