Vectran纤维的光老化行为及其防护研究

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Vectran纤维属于芳香族聚酯纤维,是新近发展起来的热致液晶高性能纤维,具有优异的性能,在军事和航空航天领域应用广泛。但在强光辐照环境下Vectran纤维极易发生降解和结构改变。本文的重点即是观察Vectran纤维的光化学老化行为,研究了纤维在氙灯辐照下的形貌、力学性能和化学结构变化。基于Vectran纤维抗光老化性能较差的情况,提出了减缓纤维降解的有效涂层防护措施。采用不同方法在Vectran纤维表面制备了纳米TiO2防护涂层,以获得分散性好的小尺寸纳米TiO2粒子,从而改善涂层防护效果,并利用有机紫外吸收剂与纳米TiO2共同复合在纤维表面制备了无机/有机复合防护涂层。评价了不同光老化涂层防护后纤维的微观结构、形貌、单丝强度及耐紫外老化等性能。研究了Vectran纤维的光老化降解行为。在氙灯辐照下,纤维的单丝强度迅速降低,纤维表面形貌受到损伤。X-射线衍射分析表明纤维结构的有序度由于辐照而有所降低,红外光谱和X-射线光电子能谱分析结果显示加速老化后纤维化学结构发生了变化。首次提出了Vectran纤维在空气和N2气环境中可能的光降解过程,空气中Vectran纤维的降解速率和断键数量高于N2气环境下的数值,在空气环境断链生成的自由基可以直接与H原子结合或与O2反应形成-OH和-COOH基团,通过取代芳环上的H原子,连接两个芳环形成二芳基醚。采用溶胶-凝胶法制备了TiO2纳米溶胶,在Vectran纤维表面形成抗光老化涂层。结果发现TiO2存在团聚现象,附着力差。为改善这种现象,在纤维表面通过逐层吸附制备了聚苯乙烯磺酸钠(PSS)/TiO2涂层,分散性和附着力有所提高。PSS/TiO2涂层纤维氙灯辐照后的单丝强度相比溶胶-凝胶法涂层纤维有所提高,但长时间光老化后强度仍很低,需进一步改善TiO2团聚问题。以钛酸丁酯为前驱体通过溶胶-凝胶法原位制备了端羟基超支化聚酯(HBPE)改性的TiO2纳米材料,TiO2平均粒径小于10nm。X-射线衍射分析和热失重分析表明端羟基HBPE与TiO2水解产物之间存在相互作用。采用改性的TiO2纳米复合溶胶对Vectran纤维进行涂层防护,在纤维表面形成了连续均匀的TiO2涂层。涂层后纤维在老化336h后保有强度百分比为22%,比PSS/TiO2涂层纤维提高了6%,反映出分散性好的小尺寸纳米TiO2涂层对提高纤维的抗光老化性能具有积极效果,为纳米TiO2/有机紫外吸收剂复合防护涂层的制备奠定了基础。采用苯并三唑类紫外吸收剂UV-1130、三嗪类紫外吸收剂Tinuvin477和受阻胺类光稳定剂Tinuvin123,与TiO2纳米溶胶复合制备光老化防护涂层。复合涂层对纤维起到了比单纯TiO2涂层更优异的防护性能,其中UV-1130尤其适合于增强TiO2涂层,紫外吸收能力较强。Tinuvin477虽然单独与TiO2复合时效果差强人意,但是与UV-1130和Tinuvin123共用时体现出了良好的协同作用,进一步提高了涂层的防护性能。采用最佳配比的有机紫外吸收剂与端羟基HBPE改性TiO2进行复合,并通过超声浸渍法有效改善了复合涂层与纤维的结合。复合涂层可以保证波长200~380nm区间紫外线的零透过率,336h光老化后复合涂层纤维的保有强度相比未涂层纤维提高了49%,这表明复合涂层有效提高了Vectran纤维的光老化防护效果。
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