矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室
煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室
文章来源：P.E.Perepelkin.THERMAL CHARACTERISTICS OF HIGH-STRENGTH AND THERMOSTABLE AROMATIC FIBRES. Fiber Chemistry[J]. 2005: 346-351
中文题目：表高机械强度和耐热性能的芳纶纤维的热性能研究
芳纶纤维因为具有较好的机械性能和热稳定性，在很多极端场合中广泛应用。目前，由芳纶纤维制备的绝缘材料被大量用于过负荷、过热等极端生产环境中。而在这些极端环境中，由芳纶纤维制备的材料仍能长期保持良好的热稳定性、机械和介电性能。其中较为常见的几种芳纶纤维材料有：聚酰亚胺纤维(PIPM)、POD纤维、对位芳纶纤维(PPTA)。
目前研究进展
通过对不同芳纶材料在高温下性能的对比分析可以优化材料的使用，更好地满足工业生产要求。目前，已有学者在250℃和300℃环境下，对芳纶纤维材料的强度系数进行了测量和对比。虽然这些数据对于优化材料性能具有重要的意义，但是对于不同芳香族纤维材料的热降解特性的研究仍然不够深入。
因此，本文对不同芳纶纤维的热稳定性和机械性能进行了比较，研究其在实际使用环境下的变化规律。
试验选取材料和方案
试验选取材料为PI-PM、POD和PPTA纤维。样品重5-10mg。
试验方案：采用热重分析(TGA)和差示扫描热量法(DSC)对材料热氧化降解进行了研究。测试环境温度低于600℃。
采用热机械分析(TMA)仪研究材料内部纤维尺寸随温度的变化规律。测试温度从室温升温至600℃，升温速率为10℃/min。
热稳定性试验
从TGA曲线上看，在425℃-480℃范围内材料质量开始降低。在450℃-540℃下，材料内部分解加剧。从DSC曲线上可以看到，材料内部纤维在400-450℃开始发生热氧化，当温度达到470-520℃时内部热氧化分解处于加剧状态。
基于TGA和DSC数据得到的三种纤维热降解特性对比如表1所示：
表1，纤维热降解特性
从TGA和DSC结果来看，三种纤维在400℃下的环境中不会发生热氧化。当温度在400-450℃以上时，纤维内部开始发生热降解。利用这些数据并通过对TMA测量结果进行分析，可以确定实际生产中这些纤维制品的耐热等级。
从图1和图2数据中可以看到，这三种材料中，聚酰亚胺热稳定性相比而言是最好的。
图1，TGA试验结果 图2，DSC试验结果
纤维线性尺寸的变化
TMA测量结果如图3所示，表2中对三种纤维材料尺寸的改变进行了对比。
图3，TMA测试结果
表2，热机械分析(TMA)结果
可以看到对位芳纶纤维在400-450℃中，尺寸没有明显的变化。而多恶唑纤维和聚酰亚胺纤维在温度低于450℃范围内，尺寸没有明显变化。
芳香纤维热稳定性分析
在对聚合物材料进行热稳定性分析的过程中，引入氢指数IH和芳香度IAR:
（1）
（2）
其中是氢原子数量；是聚合物单体中所有原子的数量；为聚合物单体中不饱和双键数；是单体中所有化合键数目。
氢指数IH和芳香度IAR均与芳香聚合物的热稳定性有密切关系：IH最小值和IAR的最大值决定了其热稳定性。表3为3种纤维的IH和IAR。
表3，试样IH、IAR值
结论
（1）通过对芳香聚合物的氢指数IH和芳香度IAR的比较，可以近似确定聚合物的热稳定性，从而可以在生产过程中优化对材料的选择。
（2）芳香纤维在400-450℃下仍然能保持良好的热稳定性和机械性能，当温度升高至450℃-500℃时会出现热氧化降解并产生线性形变。
（3）聚酰亚胺纤维和POD纤维的热稳定性强于对位芳纶纤维，优异的热稳定性和机械性能使它们能够应用于一些极端环境。
