高性能PIPD纤维的石墨烯改性及其结构与性能研究

摘要

聚[2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑](PIPD)是一种具有苯环刚性结构的棒状聚合物，其纤维具有强度大、模量高、热分解温度高及耐老化等优异性能，是综合性能最优秀的有机纤维。尽管如此，由于PIPD聚合物单体容易氧化、体系粘度大，其聚合反应后期反应活性低，以提高分子量的方式增强PIPD纤维性能具有较大局限性。相比之下，纳米增强改性更加简单有效。氧化石墨烯(GO)含有大量极性官能团，具有较高反应活性，可以参与聚合反应，达到共聚增强的效果。本文基于纳米改性增强原理，通过氧化石墨烯与还原石墨烯原位共聚-共混法对PIPD纤维进行改性，使PIPD纤维的力学性能、耐热性能及复合材料界面性能得到提高。
　　本文采用化学改性Hummers法成功制备了氧化石墨烯，并通过化学还原法制得还原石墨烯(rGO)。通过对聚合反应过程中时间和温度对PIPD聚合物对数粘度的影响研究，结果显示，聚合时间为15h聚合物粘均分子量上升最快。而在140℃-180℃的温度范围，PIPD聚合物的对数粘度随温度的升高而增大，在180℃达到最大值12.25dL/g。在200-300℃范围内对制备的PIPD纤维进行不同温度的热处理，研究热处理温度对PIPD纤维的结构及力学性能的影响。结果表明，温度升高有利于PIPD纤维晶体结构变得规整，并且纤维的力学性能也由原来的2.16GPa提升到2.73GPa，提升了26.4％。
　　将氧化石墨烯和还原石墨烯利用原位共聚，共混的方法加到PIPD基体中，得到不同含量的复合纤维，研究GO含量对复合纤维性能的影响，并与同含量的rGO/PIPD复合纤维进行对比。此外，还从取向分子和微纤的角度分析了GO增强PIPD纤维力学性能的原因。通过单丝拉伸强度测试，GO/PIPD复合纤维的拉伸强度在GO含量为1wt％达到最大2.43GPa。含量相同时，GO/PIPD的力学性能好于rGO/PIPD复合纤维;随着GO的加入，复合纤维的表面能得到提高，当GO含量为2wt％时达到最大值53.20mN/m;复合纤维/环氧复合材料的界面剪切强度高于纯PIPD纤维，在GO添加量为1wt％时达到最大51.27MPa。氧化石墨烯的加入有利于提高复合纤维的初始分解温度且当GO含量2wt％，复合纤维具有最高残炭率57％，比纯PIPD纤维提高了4％。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．2 PIPD纤维的研究进展

1．2．1 PIPD的合成与纺制

1．2．2 PIPD的结构与性能

1．2．3 PIPD研究现状与存在问题

1．3 石墨烯改性聚合物复合材料的研究进展

1．3．1 石墨烯的制备研究

1．3．2 氧化石墨烯简介

1．3．3 石墨烯改性聚合物复合材料的制备

1．4 本文的主要研究内容

2．1．1 实验主要原料

2．1．2 实验主要仪器设备

2．2 氧化石墨烯的合成

2．3 氧化石墨烯的还原

2．4 PIPD聚合物的制备

2．5 石墨烯改性PIPD聚合物的制备

2．6 PIPD及石墨烯改性PIPD复合纤维的纺丝

2．7 纤维热处理

2．8 测试与表征

2．8．1 扫描电子显微镜测试

2．8．2 傅里叶变换红外光谱测试

2．8．3 X射线衍射测试

2．8．4 X射线光电子能谱测试

2．8．5 透射电镜测试

2．8．6 热重测试

2．8．7 聚合物粘均分子量测试

2．8．8 单丝拉伸测试

2．8．9 抗压缩强度测试

2．8．10 动态接触角及表面能测试

2．8．11 界面剪切强度测试

3．1 引言

3．2 氧化石墨烯与还原石墨烯的制备及表征

3．2．1 石墨烯纳米粒子的合成

3．2．2 石墨烯纳米粒子的表征

3．3 PIPD纤维的制备及性能研究扩充

3．3．1 PIPD聚合物的制备

3．3．2 各个反应因素对PIPD聚合物的影响

3．3．3 PIPD聚合物溶液的纺丝

3．4 PIPD纤维的热处理

3．5 石墨烯改性PIPD复合纤维的制备

3．5．1 石墨烯改性PIPD聚合物的制备

3．5．2 石墨烯改性PIPD聚合物溶液的纺丝

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 PIPD纤维的表征

4．2．1 PIPD纤维的红外光谱分析

4．2．2 PIPD纤维的扫描电镜分析

4．3 PIPD纤维的热处理表征

4．3．1 PIPD纤维热处理前后的扫描电镜分析

4．3．2 PIPD纤维热处理前后的X射线衍射分析

4．3．3 PIPD纤维热处理前后的拉伸性能分析

4．3．4 PIPD纤维热处理前后的抗压缩性能分析

4．4 石墨烯改性PIPD复合纤维的结构分析

4．4．1 石墨烯改性PIPD复合纤维的扫描电镜分析

4．4．2 石墨烯改性PIPD复合纤维的红外光谱分析

4．4．3 石墨烯改性PIPD复合纤维的X射线衍射分析

4．4．4 石墨烯改性PIPD聚合物的分子量表征

4．4．5 石墨烯改性PIPD复合纤维的元素组成分析

4．5 石墨烯改性PIPD复合纤维的性能分析

4．5．1 石墨烯改性PIPD复合纤维的拉伸性能

4．5．2 石墨烯改性PIPD复合纤维的热稳定性

4．5．3 石墨烯改性PIPD复合纤维的界面性能

4．6 石墨烯增强PIPD纤维的力学性能机理

4．7 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢