聚苯硫醚纤维与聚醚砜纤维的结构与性能

聚苯硫醚纤维与聚醚砜纤维的结构与性能姜细思1，林荣2，吴成燕1，占海华1＊（1.绍兴文理学院，浙江绍兴312000；2.烟台泰和新材料股份有限公司，山东烟台264000）摘要：分别以聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）切片为原料，在一位4头的熔融纺丝实验机上，制备了PPS及PES纤维，并对两者结构与性能的差异进行比较。

结果表明：PPS和PES的初生纤维都具有光滑的表面，PES的流动性能比PPS差，表观黏度也比PPS要大；PPS纤维的玻璃化转变温度为90~ 100℃，结晶温度为130.09℃，熔融温度为279.56℃，初始热分解温度为500℃，半寿温度为625℃；PES纤维的玻璃化转变温度为225℃，初始热分解温度为460℃，半寿温度为600℃，没有结晶温度和熔融温度；PPS纤维为半结晶聚合物，结晶速率为0.045s-1，而PES纤维属于无定形或极低结晶度材料；PES纤维和PPS纤维都具有优异的热稳定性和阻燃性，都非常适合应用在阻燃及耐高温场合。

关键词：聚苯硫醚纤维；聚醚砜纤维；结构与性能中图分类号：TQ342.793文献标志码：A文章编号：1001-7054（2013）11-0033-05随着现代工业的不断发展，高温含尘废热烟气通常直接排放到大气中，这一大气污染对生态环境以及人们的健康造成了严重威胁，而研究如何去除这些高温含尘气体具有很大的现实意义。

耐高温过滤材料也因此成为相关研究中的关键，在现实应用中，对这种材料也提出了越来越高的热性能以及力学性能的要求[1]。

聚苯硫醚（PPS）纤维和近几年来刚刚兴起的聚醚砜（PES）纤维凭借耐热、不易燃、耐腐蚀和较强的力学性能成为该领域中被应用较多的两种高性能纤维。

目前，已有关于PPS和PES纤维作为耐高温过滤材料的相关报道[2]，但对两者的微观结构及性能的研究还较少。

本文采用熔融纺丝法制得PPS、PES初生纤维，通过电子显微镜、热形变实验仪、热失重分析仪、DSC分析仪和结晶速度测量仪进行测试，研究了PPS纤维和PES纤维的形态结构和热性能，整理出相关试验数据，分析比较两种纤维的结构性能，得出这两种纤维的异同点，从而为其在不同领域的应用提供理论依据。

1试验1.1材料PPS树脂切片，四川德阳科吉高新材料有限公司产，密度1.35g/cm3，熔融黏度187Pa·s。

PES 树脂切片，德国巴斯夫公司产，密度1.37g/cm3，熔体体积流动速率15mL/min。

1.2设备张家港保税区万盛机械工业有限公司产真空干燥装置，干燥能力50kg/h。

浙江舟山金湖机械有限公司产螺杆挤出机，直径为30mm，卧式，L/D＝28，交流变频调速控制方式。

无锡兰华纺机公司产纺丝机。

上海二纺机SW4S型卷绕头。

1.3工艺流程切片干燥→熔融挤压→过滤→箱体→计量纺丝→上油→卷绕→成品。

1.4工艺条件PPS纤维制备工艺条件：干燥温度150℃，干收稿日期：2013-07-25修回日期：2013-10-30作者简介：姜细思（1991—），女，在读本科生，主要从事化学纤维新材料的开发与研究。

*通讯联系人。

燥时间10~15h，真空度-1.5Pa；纺丝温度300~ 330℃；冷却风速度0.8m/s，温度20℃，湿度78%；卷绕速度800m/min。

PES纤维制备工艺条件：干燥温度150℃，干燥时间10~15h，真空度-1.5Pa；纺丝温度350~ 380℃；冷却风速度0.8m/s，温度20℃，湿度78%；卷绕速度800m/min。

1.5测试1.5.1截面测试采用SNG-3000型扫描电子显微镜，在温度为20℃、湿度为65%的恒温恒湿实验室进行纤维横截面和纵向表面的观察。

测试方法是用Y172型纤维切片器分别切出各种单丝的横截面，制成切片（纵向可直接做成切片），然后用MCM-100溅射镀膜仪进行镀金，完成切片的最终制作，进行观察。

1.5.2取向度测试采用SCY-Ⅲ型声速取向测量仪，测定每个试样在20cm和40cm处声音传播所需的时间。

每个试样分别测试5次，得到声速取向因子、声模量和声波传播速度，计算取向度。

1.5.3热形变性能测试采用GTS-Ⅲ型热形变性能测量仪进行测试。

1.5.4热失重（TG）曲线测试采用TG/DTA6300型差动热分析仪，在氮气保护下，以10℃/min的速率从室温升至700℃。

1.5.5差示扫描（DSC）测试采用Diamond DSC差式扫描量热仪，在250℃下退火60min，以10℃/min的速率冷却至室温；然后以10℃/min从室温加热到350℃，得到DSC 曲线，最后根据DSC曲线进行分析。

1.5.6结晶速率测试采用GJY-Ⅲ型结晶速度测量仪，设置结晶温度和熔融温度分别为110℃和360℃，接着取两个载玻片，把剪好的样品夹到载玻片中间，然后放在熔融台上融化。

待样品完全融化后快速地将样品导入到测试炉内开始测试。

2结果与讨论2.1截面形态PPS纤维与PES纤维的横截面和纵向表面形态分别见图1~4。

由图1~4可知：PES纤维和PPS纤维的纵向都比较光滑，横截面都表现为规整的圆形；纤维的整体外观效果较好，表现为毛羽很少，粗细均匀，表面比较光滑，说明两种树脂具有较好的可纺性能。

另外，上述两个图都是在同样的放大倍数下观察到的，但明显表现出PES的直径大很多，而在纺丝工艺控制中，PES的纺丝温度要比PPS高近50℃，这充分说明PES的表观黏度比PPS大得多。

因为表观黏度大，从喷丝板出来的熔体丝束膨化效应图1放大1000倍下PPS纤维的横截面图3放大1000倍下PPS纤维的纵向表面图2放大1000倍下PES纤维的横截面图4放大1000倍下PES纤维的纵向表面大，造成纤维明显变粗。

2.2取向度试验开始时，无规取向的纤维声速值C u设定为1.3，最后自动得出PPS的模量值E=0.25111cN/dtex，声速值C o=1.428571km/s。

PES的模量值E= 0.23261cN/dtex，声速值C o=1.432853km/s。

根据公式f s=1-(C u/C o)2，最后计算出PPS纤维的取向度为17.19%，PES纤维的取向度为17.68%。

可见，PPS的取向度比PES要小，进一步说明PPS的流动性能比PES要好。

因为切片流动性能好，纺丝固化成形前解取向的程度更显著，从而得到的初生纤维取向度较低[3]。

2.3热形变性能PPS纤维与PES纤维的温度—形变曲线见图5、图6。

图5PPS纤维的温度—形变曲线由图5可知：PPS树脂的温度—形变曲线属于轻度（半结晶）结晶高聚物，温度足够低时，高分子链和链段的运动被“冻结”，外力的作用只能引起高分子键长和键角的变化，高聚物表现出硬而脆的玻璃态；随着温度上升，结构分子运动能量也逐渐增加，到达玻璃化转变温度（93℃）后，分子运动能量已经能够克服链段运动所需克服的位垒，链段首先开始运动，表现为柔软而富于弹性的高弹体，高聚物进入高弹态；温度进一步升高至黏流温度（280℃）时，整个高分子链能够在外力作用下发生滑移，高聚物进入黏流态，成为可以流动的黏液。

图6PES纤维的温度—形变曲线由图6可知：PES纤维出现了典型的交联高聚物的温度—形变曲线图，这可能是由于温度过高，从而引起PES大分子交联。

由于大分子交联，链段的运动能力下降，在受到外力作用后分子链之间的相对滑移也不能发生，故不存在黏流转变和黏流态。

另外，PES的玻璃化转变区在225℃左右。

从此试验进一步证实，PPS纤维与PES纤维存在差异：PPS纤维有结晶行为，会出现熔点；而PES纤维发生交联行为，没有出现后面的黏流态。

2.4TG分析PPS纤维与PES纤维的TG分析曲线见图7、图8。

从图中TG曲线可知：PPS纤维的质量从500℃才开始逐渐减少，当质量损失到一半时，温度约为625℃，也即半寿温度为625℃，在约630℃开始，失重速率继续升高，当温度达到约705℃时样品已基本挥发完毕；PES纤维的质量从460℃就开始逐渐减少，当质量损失到一半时，温度约为600℃，也即半寿温度为600℃，自600℃以后PES纤维的质量开始发生显著改变，当温度达到约705℃时样品已基本挥发完毕。

从DTG失重速率曲线可知：当温度达到500℃，PPS纤维开始分解，温度达到630℃左右的时候分解速率达到最大，为670μg/min；当温度达到460℃，PES纤维开始分解，温度达到604℃左右的时候分解速率达到最大，为1700μg/min。

从DTA 相变曲线可知：PPS 纤维具有结晶性，向上的小峰即为结晶峰，结晶温度约为135℃，向下的峰为PPS 纤维熔融峰，熔点约为280℃；PES 纤维曲线中无熔点，也没有结晶温度，说明PES 大分子链是无定形结构。

由此可见：PPS 的半寿温度、开始分解温度、最大分解速率温度都比PES 要高，分解速率则比PES 要低，说明PPS 比PES 具有更高的耐热性能。

2.5DSC 测试PPS 纤维与PES 纤维的DSC 测试曲线分别见图9、图10。

从图9可知：PPS 纤维的DSC 曲线图上出现了两个峰———A 峰与B 峰，A 峰为结晶放热峰，B 峰为熔融吸热峰，说明PPS 纤维有结晶行为；另外，在A 峰前面有一个向上的小波峰为玻璃化转变松弛过程，是PPS 高聚物从玻璃态到高弹态的过程。

因此可以得出：PPS 的玻璃化转变温度为90~100℃；结晶温度为130.09℃，结晶热-19.3463J/g （放热）；熔点为279.56℃，熔融热30.3945J/g （吸热）。

图9PPS 纤维的DSC 重曲线图10PES 纤维的DSC 曲线从图10可知：PES 纤维的DSC 曲线图上只出现了一个很小的波动C 峰，为玻璃化转变松弛过程，是PES 高聚物从玻璃态到高弹态的过程，最高点为玻璃化转变温度225℃。

说明PES 没有发生结晶行为，最后温度升高的过程中，发生交联行为，也没有出现熔融峰，所以没有出现熔点。

产生以上现象是由于它们的大分子结构不同引起的，PES 的刚性结构使其链段运动受到限制，链段松弛变得困难，因此PES 具有较高的玻璃化转变温度，而PPS 由于存在部分非结晶区域，其玻璃化温度较低。

2.6结晶速率PPS 纤维在0时刻、t 时刻和结晶完成时的解偏振光强度分别为I 0、I t 、I ∞，如图11所示：刚开始PPS 结晶速率缓慢变化，是由于没有解偏振光透过，这一段时间为诱导期，光强度为0；之后随着图8PES 纤维的TG 曲线图7PPS 纤维的TG 曲线The Structure and Performance of Polyphenylene Sulfide and Polyether Sulfone FiberJIANG Xi-si 1,LIN Rong 2,WU Cheng-yan 1,ZHAN Hai-hua 1＊(1.Shaoxing College of Arts and Science,Shaoxing 312000,Zhejiang,China;2.Yantai Tayho Advanced Matetial Co.Ltd.,Yantai 264000,Shandong,China )Abstract:Using polyphenylene sulfide(PPS),polyether sulfone(PES)slices as raw materials,the differences in structure and performance of PPS and PES fibers prepared in a four head melt spinning experimental machine are compared.The results show that PPS and PES as -spun fibers have smooth surface,the fluidity of the PES is worse than that of PPS,and the apparent viscosity of PES fiber is bigger than that of PPS fiber.PPS fiber has a glass transition temperature of 90~100℃,a crystallization temperature of 130.09℃,a melting temperature of 279.56℃,an initial decomposition temperature of 500℃,and a half life temperature of 625℃.Whereas PES fiber has a glass transition temperature of 225℃,an initial decomposition temperature of 460℃,a half life temperature of 600℃,and no crystallization or melting temperature.PPS fiber is a semi -crystalline polymer,with a crystallization rate of 0.045s -1,PES fiber belongs to non-crystalline materials.PES and PPS fibers both have excellent thermal stability and fire-retardancy,and therefore they are very applicable to be used in fire -retardant and high -temperature situations.Key words ：polyphenylene sulfide fiber,polyether sulfone fiber,structure and performance纤维结晶过程的发生，解偏振光强度也随之迅速增加，最后以解偏振光强度增大到基本不变的40cd （I ∞）作为一个伪平衡值。