改性聚对苯二甲酰对苯二胺的合成表征和纺丝工艺研究

摘要

聚对苯二甲酰对苯二胺（poly(p-phenylene terephthanlamide)，简称PPTA）纤维在国内被称为芳纶1414，由于其优异的热性能和机械性能被称作高性能有机材料。这些优异性能主要是由其大分子骨架中的芳香结构和酰胺键决定的，它们的存在使得分子链呈刚性棒状，且彼此之间通过很强的氢键相互作用。但是，由于PPTA的高熔点和高玻璃化转变温度(Tg)以及在各类有机溶剂中很差的溶解性，使得其只能在浓硫酸里进行液晶纺丝，因为浓硫酸对设备的腐蚀性很大，因此大大的限制了其广泛使用。
　　低温溶液缩聚法是一种工业化生产PPTA的成熟方法，而通过在芳香聚酰胺分子链中引入带有诸如醚键、亚甲基或大的侧链基团的第三或第四单体进行共缩聚反应，来提高芳香聚酰胺的溶解性和加工成型性，使得其可以在有机溶剂中直接进行纺丝，扩展其应用领域。
　　本文采用4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)作为第三单体，与对苯二胺(PDA)和对苯二甲酰氯(TPC)在低温NMP/LiCl或NMP/CaCl2溶剂体系中进行共缩聚反应，系统地探讨了不同单体配比对聚合产物溶解性和粘度的影响，以及单体摩尔浓度、反应时间、TPC加料次数、反应温度、吡啶用量、助溶剂用量、酰氯/二胺比等因素对聚合物相对分子量的影响。通过了大量交叉对比实验探索出了可供湿法纺丝的最佳反应条件：单体摩尔配比为25mol％4,4’-ODA、25mol%PDA、50mol%TPC,单体摩尔浓度0.3mol/L，反应时间40-50min，TPC分三次投料，在-5℃下反应，LiCl用量为1.6g/100ml溶剂，吡啶用量为2.5ml/100ml溶剂，酰氯/二胺摩尔比为1.02，此时可制备比浓对数黏度最高为3.81的纺丝原液。
　　通过红外光谱、元素分析、热重分析、X射线衍射和溶解性测试对聚合物的结构和性能进行了表征和分析。通过FT-IR表征，可发现样品中的-O-键的峰随着4,4’-ODA用量的增多而增强，说明了4,4’-ODA参与了共聚反应。元素分析测试比较了自制改性PPTA和国产芳纶1414以及Technora之间C、H、N三种元素的差别。热失重分析表明了引入了ODA结构的PPTA无论是在氮气氛围还是空气氛围下都具备相当优越的热性能，其5%热失重、10%热失重和最大失重温度只是略低于二元PPTA，且随着4,4’-ODA含量的增加，呈下降趋势。X射线衍射测试结果说明随着分子链中4,4’-ODA含量的增加，共聚物的结晶度下降，无定形区增加。而在多种有机溶剂下对改性PPTA和PPTA进行的溶解性测试说明了随着分子链中4,4’-ODA结构的增加，共聚物的溶解性增加，甚至在25mol%ODA配比时可以在室温下溶解于NMP/LiCl(4%LiCl)溶剂体系中。
　　通过对改性PPTA在NMP/LiCl体系中进行的流变测试，可以看出引入了4,4’-ODA的共聚物溶液为典型的切力变稀流体，浆液的表观黏度随温度的升高而降低，随着溶液浓度的增大而增大。溶液稳定性测试结果表明共聚物溶液无论是在室温还是在60℃下都具备非常好的稳定性，基本不降解，可以长期贮存不变质。以H2O/NMP/LiCl为凝固浴，对含25mol%4,4’-ODA的共聚物原液进行湿法纺丝可以得到初生力学性能较好且较稳定的初生纤维。初生纤维的强度随着原液的比浓对数黏度的增大而增大，随着拉伸强度的增大而增大，随着凝固浴温度的升高而降低，而断裂伸长率和以上因素无明显联系。在10%NMP/H2O浓度的凝固浴中，可以得到强度最优的初生纤维。通过扫描电镜观察，湿法纺丝得到的初生纤维表面无明显缺陷和空穴，只是由较高比浓对数黏度原液制得的纤维表面比较粗糙不平，而低黏度原液在60℃下具有良好的流动性，所以得到的纤维表面比较平整光滑。因为自制初生纤维的力学性能相比国外产品强度不高，因此对初生纤维进行热拉伸以进一步提高其力学性能的实验探究将在本课题组接下来的研究中继续进行。

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第一章 绪论

1.1芳纶在国内外的研究现状及应用

1.2 对位芳纶纤维的聚合方法

1.3 对位芳纶纤维共缩聚改性

1.4 本论文的研究目的和意义

第二章 改性聚对苯二甲酰对苯二胺的合成及其工艺研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章总结

第三章 共聚物的结构和性能表征

3.1 仪器及表征方法

3.2 结果与讨论

3.3 本章结论

第四章 PPTA共聚物聚合原液性质及湿法纺丝工艺研究

4.1 实验

4.2 结果与讨论

4.3 本章结论

第五章 结论

参考文献

攻读硕士研究生阶段发表的专利及论文

致谢