聚苯硫醚(PPS)是一种耐高温、耐化学腐蚀、阻燃的高性能材料,其纤维制品可广泛应用于高温过滤、化学防护等领域。通过纳米填料熔融复合技术,可显著提高PPS材料及其纤维的综合性能。聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide,PPS)是一种分子主链结构为硫和芳基结构交替连接的一种高分子聚合物.
日本东丽 Torelina A515 PPS纤维一般为米黄色,具有一定的光泽度。PPS树脂的性质(如分子链结构、对分子质量、分子量分布等) 与加工参数(纺丝温度、热牵伸与热定型温度等) 直接影响其纤维制品的综合性能。日本东丽 Torelina A515 PPS加工成纤维后,仍然有其树脂先天的性能。首先,具有极高的热稳定性。PPS的熔点高达285℃ ,热变形温度高达260℃ 。PPS纤维可以在180℃左右的条件下长期连续使用 。其次,具有优异的耐化学腐蚀性。在高温下,放置于强氧化剂(如浓硫酸、浓硝酸和铬酸)以外的酸、碱和盐中一周后仍能保持原有的拉伸强度;同时,它还具有很好的耐有机试剂的能力,如在氯仿等有机溶剂中,即使在沸点下放置一周后其强度仍不会发生变化 。再次,具有先天的阻燃性能,其极限氧指数(LOI)大于35。*后,PPS纤维还具有低吸湿性和沸水收缩率的性能。尽管PPS具有许多优异的性能,但其紫外光稳定性差,在太阳光下易发生交联降解 、黄化 ,这严重限制了PPS纤维的应用领域。此外,PPS纤维的力学性能、耐磨性和耐热性能仍需进一步提高,以适应于市场需求。
通过加入纳米填料制备纳米复合PPS及其纤维,提高其紫外光稳定性、热稳定性、结晶性能、力学性能和耐磨性等。纳米填料主要包括纳米氧化物(碳氧化物)、纳米碳和纳米金属化合物等。纳米氧化物(碳氧化物)有二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙和二氧化铈等;纳米碳主要有多壁碳纳米管、碳纤维、炭黑等;纳米金属化合物有二硫化钨、氧化铜等。
日本东丽 Torelina A515 PPS紫外光稳定性
PPS在紫外光照射下以及受空气中氧气分子的协同作用,PPS中的硫醚键容易发生断裂,分子链发生交联降解,降解成一系列复杂结构的产物(如联苯结构、硫化物等)。这使得PPS纤维制品变硬变脆,力学性能急剧下降。此外,还会造成PPS纤维从米黄色变为黑褐色,并且严重降低日本东丽 Torelina A515 PPS纤维的使用寿命 。因此,必须通过改性的方法,提高PPS的紫外光稳定性。目前,对于PPS纤维紫外光稳定性的研究与应用,主要集中于添加有机⋯或无机紫外光稳定剂。有机紫外光稳定剂虽然具有良好的紫外光吸收和自由基猝灭性能,但是PPS纤维的加工温度高,以及有机小分子的迁移特性,极大地限制了其在PPS纤维中的应用。无机纳米填料以其优良的紫外光吸收与屏蔽性能和耐溶剂性,常用于高分子材料的紫外光改性研究中。
通过加入1.5%互配体系的紫外光稳定剂,制备出日本东丽 Torelina A515 PPS复合纤维。紫外光老化实验研究结果表明,复合PPS纤维比纯PPS纤维颜色变深程度明显降低,紫外光稳定性显著提高。纳米二氧化钛具有宽频的紫外光散射性能,在紫外光波长为387 nm左右具有较强的紫外吸收峰,与紫外吸收峰在340 nm左右的苯并三唑相互协同,吸收和屏蔽太阳光中的大量紫外光而降低PPS纤维的紫外光降解程度,赋予长时间的紫外光稳定性
改性后的纳米复合纤维比纯日本东丽 Torelina A515 PPS纤维表面裂纹明显减少。进一步证明了纳米二氧化钛具有提高PPS纤维紫外光稳定性的效果。纳米二氧化钛固有的光催化活性,在一定条件下容易导致PPS降解。,纳米炭黑由于具有自由基猝灭基团,可以阻碍高温断裂产生的自由基与大分子链进一步反应,也具有提高PPS耐热性能的效果
炭黑质量含量为1.5% 时,经紫外光照射192 h后,与纯PPS纤维相比,其断裂强度保留率和断裂伸长保留率大幅提高,分别为30.3% 和41.4% ,抗紫外光老化性能得到了改善。这是由于炭黑对紫外光具有较强的吸收,可以减少紫外光对PPS纤维的破坏,炭黑表面还具有多种猝灭基团,可以猝灭单线态氧和链自由基,并防止PPS断链端自由基与基体反应,进一步交联降解。但是,由于炭黑改性的PPS长丝为黑色,不利于后期染色,其应用范围受到很大的限制。作者课题组 还在PPS基体中加入纳米二氧化铈,熔融纺丝制备纳米复合纤维。其中,在光照条件下,纳米二氧化铈加速了PPS分子链的交联作用,使纤维保持一定的动态机械性能。但是,增强力学强度的同时,交联作用可能降低基体的断裂伸长率,作为复合纤维应用,还需进一步研究。
目前,对于PPS紫外光稳定性的研究,并没有完全降低紫外光对PPS的影响,PPS纤维的光照下使用寿命还需进一步提高,PPS固有的黄化、深色化还需解决,才能进一步拓宽PPS纤维的应用领域(如服用纺织品、民用或军用工业纺织品)。