聚苯撑苯并二噁唑改性聚合物(DHPBO)的制备及结构性能研究

摘要

聚对苯撑苯并二嗯唑(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。PBO纤维表面相对惰性,耐压缩性能及紫外稳定性能不足,提高PBO纤维与树脂的粘结力以及增强其紫外稳定性具有重要意义。
　　本文通过共聚合在PBO刚性大分子链上引入羟基基团,以增加PBO纤维的极性,改善其表面性能和压缩性能。由4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐(DAR)和对苯二甲酸(TA),再加入一定比例的2,5-二羟基对苯二甲酸(DHTA),在多聚磷酸(PPA)介质中共缩聚制备了不同羟基基团含量的改性PBO液晶聚合物DHPBO,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DHPBO/PPA液晶溶液经干喷湿纺工艺成型了DHPBO纤维,并对其力学性能、聚集态结构、热稳定性能进行了分析。DHPBO-5mol％纤维的拉伸强度达到了5.24GPa,DHPBO-10%纤维的拉伸强度也达到了5.05GPa。通过X射线衍射研究了羟基基团含量对DHPBO纤维聚集态结构的影响,结果表明随着羟基基团含量的增加,纤维的结晶度逐渐降低。DHPBO纤维保持了优良的耐热性能,氮气中的热分解温度达到667℃。通过液体与纤维表面接触角的测定,分析研究了DHPBO纤维的表面性能。接触角的测试结果表明,羟基基团(-OH)引入大分子主链之后,DHPBO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,且羟基基团含量越大,改善效果越明显。DHPBO-5%纤维与水的接触角从PBO的71.4°减小到66.0°,DHPBO-50%纤维的接触角减小到了50.7°;DHPBO-5%纤维的表面自由能从PBO的35.5 mJ/m~2增大到39.57mJ/m~2,DHPBO-50%纤维的表面自由能则增大到了50.25mJ/m~2。利用微脱粘测试和SEM观察研究了DHPBO纤维/环氧树脂的界面粘结性能,引入羟基基团可以使其得到明显提高。DHPBO-5%、DHPBO-10%、DHPBO-20%、DHPBO-50%纤维/环氧树脂的界面剪切强度(IFSS)与PBO纤维/环氧树脂(IFSS=9.69MPa)相比,分别提高了71.73%、92.55%、77.85和56.33%,达到了16.83MPa、18.87MPa、17.43 MPa及15.32MPa。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。单纤维压缩弯曲试验显示出DHPBO纤维的压缩弯曲性能也得到了明显改善。考察了PBO、DHPBO纤维在紫外加速老化条件下的紫外稳定性能。DHPBO纤维在紫外照射412小时后的强度保持率为74.0%,而PBO纤维为35.9%,紫外稳定性能得到明显的改善。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 PBO聚合物的合成及纺丝

1.2.1 DAR的合成

1.2.2 PBO聚合物的合成

1.2.3 PBO聚合物的纺丝及后处理

1.3 PBO纤维的结构和性能

1.4 PBO纤维的应用

1.5 PBO纤维的改性研究

1.5.1 压缩性能

1.5.2 表面性能

1.5.3 共混改性

1.6 本论文的研究内容

参考文献

第二章 DHPBO的合成、纺丝及性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 DHPBO的合成

2.2.3 DHPBO纤维的纺丝成型

2.3 性能测试

2.3.1 红外光谱分析

2.3.2 元素分析

2.3.3 特性粘度测试

2.3.4 液晶织构观察

2.3.5 力学性能测试

2.3.6 热稳定性测试

2.3.7 表面形态观察

2.3.8 广角X射线衍射分析

2.4 结果与讨论

2.4.1 DHPBO的聚合

2.4.2 DHPBO的红外光谱分析

2.4.3 DHPBO的元素分析

2.4.4 DHPBO/PPA的液晶形态

2.4.5 反应挤出—液晶纺丝一体化工艺

2.4.6 DHPBO纤维成型工艺

2.4.7 DHPBO纤维的性能

2.5 本章小结

参考文献

第三章 DHPBO纤维的表面性能及压缩弯曲性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 接触角及表面自由能的测定

3.2.3 XPS

3.2.4 微脱粘试验复合材料的制备及界面剪切强度测试

3.2.5 PBO和DHPBO纤维的压缩弯曲性能测试

3.2.6 扫描电镜(SEM)观察

3.3 结果与讨论

3.3.1 接触角与表面自由能的测定

3.3.2 PBO、DHPBO与环氧树脂的界面剪切强度

3.3.3 XPS分析

3.3.4 微脱粘试验后纤维的表面形貌

3.3.5 PBO和DHPBO纤维的压缩弯曲性能

3.3.6 轴向压缩弯曲测试后纤维的形貌

3.4 本章小结

参考文献

第四章 DHPBO纤维的紫外老化性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 紫外老化实验

4.2.2 特性粘度测试

4.2.3 纤维强度测试

4.2.4 扫描电镜分析(SEM)

4.3 结果与讨论

4.3.1 紫外老化后纤维的力学性能

4.3.2 紫外老化后聚合物的特性粘度

4.3.3 SEM分析

4.3.4 光老化机理分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 全文总结

附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利

致谢