聚苯撑苯并二噁唑改性聚合物的制备及结构性能的研究

摘要

聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维具有具有高强、高模、耐高温及阻燃等优异特性,具有巨大的应用前景。但PBO纤维表面光滑,亲水性差,表面自由能较小,同时纤维与树脂基体的界面粘结性能较差,严重地制约了其在高性能纤维增强复合材料中的应用。因此,通过PBO纤维的表面改性,提高PBO纤维的表面自由能和与树脂基体的界面粘结性能具有重要意义。
　　本文通过共聚合在PBO刚性大分子链上引入磺酸基团,以增加PBO纤维的极性,改善其表面性能。首先以4,4’-二苯醚二甲酸(ODBA)为原料,通过磺化反应成功地合成了2,2’-二磺酸-4,4’-二苯醚二甲酸(SODBA),然后以SODBA和TPA、DAR为单体,在多聚磷酸(PPA)中共缩聚制备了不同磺酸基团含量的改性PBO液晶聚合物DSPBO,通过红外光谱、元素分析等方法证实了聚合物的结构。将聚合得到的DSPBO/PPA液晶溶液经干喷湿纺工艺成型了DSPBO纤维,并对其力学性能、结晶形态、特性粘度进行了测试。DSPBO纤维液晶形态类似于PBO,力学性能和特性粘度略有下降。通过X射线衍射、拉曼光谱分析和密度测定研究了离子基团含量对DSPBO纤维聚集态结构的影响,结果表明随着离子基团含量的增加,纤维的结晶程度、取向度及密度均有所降低。通过液体与纤维表面接触角测试和衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR),研究了DSPBO纤维的表面性能。接触角的测试结果表明,磺酸基团(-SO3H)引入大分子主链之后,DSPBO纤维对水和乙醇的浸润性能得到改善,接触角减小,表面自由能增加,且磺酸基团含量越大,改善效果越明显。DSPBO-1％纤维与水的接触角从PBO的71.4°减小到52.1°,DSPBO-3%纤维的接触角减小到了46.7°;DSPBO-1%纤维的表面自由能从PBO的35.5mJ/m2增大到48.67mJ/m2;DSPBO-3%纤维的表面自由能增至53.46mJ/m2。衰减全反射红外光谱分析得出DSPBO纤维表面OH的含量要高于PBO纤维表面。利用微脱粘测试和SEM研究了DSPBO纤维/环氧树脂的界面粘结性能,DSPBO纤维/环氧树脂的界面剪切强度较PBO/环氧树脂的界面剪切强度增加了31.7%,达到了10.8MPa。复合材料破坏形貌的SEM分析也显示出纤维界面粘结性能明显改善,由原来界面破坏变成复合材料基体的部分破坏。考察了PBO、DSPBO纤维在紫外加速老化条件下的紫外稳定性能。DSPBO-3%纤维在紫外照射310小时后的强度保持率为63.75%,而PBO纤维为44.17%,PBO经紫外光照射后粘度的变化最大,照射310小时后特性粘度下降26.34%,而DSPBO-3%则只下降了15%左右。相对比于PBO,DSPBO的紫外稳定性能得到了明显的改善。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 PBO纤维研究现状及发展趋势

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 PBO纤维的性能及应用

1.3.1 PBO纤维的性能

1.3.2 PBO纤维的应用

1.4 PBO纤维改性研究

1.4.1 表面性能

1.4.2 紫外稳定性能

1.5 本论文的研究工作及意义

第二章 SODBA单体和DSPBO离聚物的合成

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 SODBA的合成

2.2.3 DSPBO聚合物的合成

2.3 性能测试

2.3.1 红外光谱分析

2.3.2 NMR分析

2.3.3 元素分析

2.3.4 偏光显微镜(POM)观察液晶现象

2.3.5 特性粘度测试

2.4 结果与讨论

2.4.1 SODBA的红外光谱分析

2.4.2 NMR分析

2.4.3 DSPBO的聚合

2.4.4 DSPBO/PPA溶液的液晶织构

2.4.5 DSPBO的红外光谱分析

2.4.6 DSPBO的元素分析

2.4.7 DSPBO的特性粘度

2.5 本章小结

第三章 DSPBO纺丝成型及纤维的结构与性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 DSPBO纤维的纺丝成型

3.3 性能测试

3.3.1 力学性能测试

3.3.2 热失重分析

3.3.3 广角X射线衍射分析(XRD)

3.3.4 密度测定

3.3.5 拉曼光谱测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 纤维的力学性能

3.4.2 纤维的热稳定性

3.4.3 纤维聚集态结构

3.4.4 纤维的密度

3.4.5 拉曼光谱分析

3.5 本章小结

第四章 DSPBO纤维的表面性能和与环氧树脂的界面粘结性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试验材料

4.2.2 微脱粘试样的制备

4.3 性能测试

4.3.1 浸润性能测试

4.3.2 接触角及表面自由能的测定

4.3.3 衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)

4.3.4 微脱粘测试

4.3.5 SEM扫描观察

4.4 结果与讨论

4.4.1 纤维的浸润性能

4.4.2 接触角及表面自由能

4.4.3 衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)

4.4.4 DSPBO与环氧树脂的界面剪切强度

4.4.5 复合材料破坏形貌SEM分析

4.5 本章小结

第五章 DSPBO纤维的紫外老化性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 紫外老化实验

5.2.2 纤维强度测试

5.2.3 特性粘度测试

5.2.4 扫描电镜分析(SEM)

5.2.5 衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)

5.3 结果与讨论

5.3.1 紫外老化后纤维的力学性能

5.3.2 紫外老化后纤维特性粘度的变化

5.3.3 纤维紫外加速老化前后的SEM分析

5.3.4 衰减全反射红外光谱测试(ATR-FTIR)

5.3.5 光老化机理分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

附录 I 攻读硕士学位期间发表的论文

致谢