聚苯并唑类高性能纤维的结构设计与性能研究

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聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)是具有延伸链构象的棒状聚合物,具有优异的热氧稳定性以及良好的耐水解性和耐溶剂性,PBO纤维具有优异的拉伸强度、拉伸模量、耐磨性以及阻燃性,PBO纤维卓越的力学及热力学性能使其在高性能复合材料领域具有广泛的应用潜力。然而PBO纤维表面相对光滑且惰性大,导致纤维与树脂基体界面间的粘附力差,这严重限制了PBO在复合材料增强体中的应用;此外,PBO纤维的耐紫外稳定性非常差,在短时间的紫外光照射下,纤维性能会迅速下降。聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)(PIPD)纤维是基于PBO纤维开发出的苯并唑类高性能纤维,由于分子链上存在双向的氢键结构,侧链存在大量极性基团,PIPD纤维的压缩强度、界面性能及耐紫外性能都远远优于PBO纤维,但是由于目前国内对PIPD的研究尚处于探索阶段,制备PIPD纤维力学强度远低于其理论强度,合成及纺丝工艺都尚未成熟。PIPD分子链刚性大、氢键结构致密的特点不仅赋予其优异的力学及热力学性能,同时也使得聚合物取向度低、纺丝性能差。  为了增强PBO纤维的紫外稳定性及界面性能,通过将另一种刚性棒状的PIPD链段部分引入到PBO的主链中来制备PBO-PIPD嵌段共聚物,并通过干喷湿法纺丝从聚合溶液制备PBO-PIPD共聚纤维。纤维的动态接触角测试结果发现PBO-PIPD共聚纤维与乙二醇及水的接触角均有明显的减小,浸润性相对PBO纤维有着明显的提高;对PBO-PIPD共聚纤维进行紫外老化试验,拉伸性能测试结果表明,辐照480h后共聚纤维的拉伸强度保持率相对于PBO纤维提高了30%左右,共聚纤维的表面破坏程度更小。  针对PIPD纤维纺丝性能差及实际强度低的现状,本文通过引入第三单体4,4-二氨基二苯醚(ODA)共聚合制备PIPD-ODA共聚纤维的方法在PIPD分子链中引入柔性基团C-O-C结构,PIPD-ODA共聚纤维的取向度相对PIPD纤维有一定的提高,共聚纤维的纺丝性相对PIPD纤维也有明显的提高,分子量测试表明共聚纤维的分子量相对PIPD纤维提高了6%左右,拉伸试验表明共聚纤维的拉伸强度及模量相对PBO纤维分别提高了10%及8%。此外,本文研究了制备PIPD-ODA共聚物时ODA加入温度对聚合物分子量的影响,以及制备共聚纤维时纺丝速率对纤维质量的影响。通过FTIR、XRD、SEM、TG、XPS、单丝拉伸强度测试等方法对共聚纤维进行了表征。
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