高性能聚苯硫醚(PPS)纤维的制备与改性

摘要

聚苯硫醚(PPS)树脂最早由美国菲利浦石油有限公司首先研制成功，是一种性能优良的热塑性材料。PPS的分子链由苯环和硫原子交替排列构成，根据排列方式不同主要有三种结构，即高分子线形PPS，架桥型PPS和超支化PPS。高分子线形PPS具有良好的加工性能，用其制备的聚苯硫醚(PPS)纤维具有很强的耐化学腐蚀性和耐热性，阻燃性，以及良好的纺织加工性能。加工成的过滤毡主要用于过滤高温以及化学腐蚀性流体，比如作为燃煤发电厂和垃圾焚烧站的烟室过滤袋材料，减少有害气体的排放，实现环境的可持续发展。 本课题主要从四个方面研究了聚苯硫醚，包括树脂材料的合成、长纤维的制备、超支化聚苯硫醚的合成并将其作为纺丝添加剂用以改善线形PPS的可纺性。 本研究采用能够工业化生产聚苯硫醚的方法即硫化钠和对二氯苯在极性溶剂N—甲基吡咯烷酮中缩聚法。研究发现原料必须严格控制含水量，反应分二阶段进行，第一阶段温度大约在220℃保持1hr，第二阶段在260℃保持4～6hr。物料的摩尔比要严格控制，对二氯苯对硫化钠的摩尔比大约为1.03：1。升高温度有利于聚合的进行，得到产物的结晶度较高。在达到反应温度以后，反应4hr即可，过长反应时间对产物结晶度提高不显著。 PPS的最佳纺丝条件纺丝温度330℃，卷绕速度600m/min；后拉伸最佳条件为150℃，分级拉伸总倍数为4倍。升高拉伸温度和拉伸比有利于得到结晶度和拉伸强度更高，延伸率低的PPS纤维。使用异形纤维截面模拟软件来设计能得到最低堆砌密度的喷丝孔形状尺寸，即Y形截面的底部的分支长度是顶部分支长度两倍，此时在一定面积内堆砌密度最低，过滤效率高。异形截面PPS纤维比圆形截面PPS纤维具有更高的拉伸强度和相对较低的延伸率。其中 Y形截面纤维的截面周长和比表面积比三叶形更大，且由于分支不等长，产生大量空隙，能有效避免三叶形截面纤维因等长的分支易于互相嵌入面降低比表面积，使过滤效率降低的缺点。 通过3，4-二氯硫酚和无水碳酸钾在极性溶剂 NMP条件下150℃反应8.5hr可以得到超支化PPS。高度支化的结构具有与线形PPS所不同的特征，它为无定形结构，在DSC曲线上没有熔融峰。此外，超支化PPS能溶解于几种常见的溶剂。 将超支化PPS和线形PPS在双螺杆挤出机中共混挤出抽丝即可得到超支化PPS/PPS共混纤维。非等温结晶动力学测试发现结晶时超支化PPS能起到异相成核剂作用。与纯PPS纤维相比，超支化PPS/PPS共混纤维的结晶温度和结晶速度有所提高。此外，加入超支化PPS能提高PPS的热稳定性和结晶度，有利于扩大超支化PPS/PPS共混纤维的使用温度范围，提高力学性能。超支化PPS能形成大量缠结，有利于拉伸应力的传递，形成提高纤维力学性能的界面结构，改善PPS基体的韧性，随着添加量的增加，挤出物断裂面表现得更为均匀。最佳添加量控制在3～4％之间。在改善流动性能方面，添加超支化PPS能够减小流体偏离牛顿流体的程度。在共混过程中，球状的超支化PPS由于附壁效应能够起到如同表面活性剂一样的作用，向聚合物表面迁移。挤出时，如同滚珠一样减小了熔体和毛细管之间的摩擦力，熔体在相同的剪切速率下和相对较低的纺丝温度下具有较小的表观粘度，可纺性得到改善，有利于得到优良力学性能纤维，拉伸强度达到4.15cN/dtex。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2聚苯硫醚的结构

1.3线型高分子量聚苯硫醚的合成途径

1.3.1早期PPS合成途径

1.3.2国内PPS合成方法

1.3.3一些新的工艺路线

1.4聚苯硫醚纤维的性质

1.5聚苯硫醚纤维的用途

1.5.1聚苯硫醚针刺过滤袋

1.5.2用于生产液体过滤布

1.5.3用于生产隔热保温的轻质衣料

1.6超支化聚合物

1.6.1超支化聚合物的合成方法

1.6.2超支化聚合物的性能

1.6.3超支化聚合物在聚合物共混中的应用

1.7.1改善聚苯硫醚流动性能添加剂的制备及应用

1.7.2 Y形截面纤维的设计和制备

1.8研究内容与意义

参考文献

第二章聚苯硫醚树脂的合成与异形截而纤维的制备

2.1前言

2.2实验

2.2.1原料

2.2.2聚苯硫醚树脂的合成

2.2.3聚苯硫醚树脂的表征

2.2.4 Y形截面喷丝孔尺寸的设计

2.2.5圆形截面和Y形截而纤维的制备

2.2.6圆形截面和Y形截面纤维的性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1聚苯硫醚树脂的红外光谱分析

2.3.2聚苯硫醚树脂的拉曼光谱分析

2.3.3聚苯硫醚树脂的热学性能分析

2.3.4聚苯硫醚树脂和纤维的WAXD分析

2.3.5圆形截面和Y形截面纤维的力学性能和取向度分析

2.4结论

参考文献

第三章超支化PPS的合成与表征

3.1前言

3.2实验

3.2.1原料

3.2.2 3，4一二氯苯磺酰氯的制备

3.2.3 3，4.二氯苯磺酰氯的还原(3，4.二氯硫酚的制备)

3.2.4超支化PPS的合成

3.2.5超支化PPS的表征

3.3结果与讨论

3.3.1超支化PPS的红外光谱分析

3.3.2超支化PPS的WAXD分析

3.3.3超支化PPS的热学性能分析

3.3.4超支化PPS的溶解性能

3.4结论

参考文献

第四章超支化PPS对PPS流变性能的影响

4.1前言

4.2实验

4.3结果与讨论

4.3.1流动参数介绍和数据处理

4.3.2剪切应力σ和剪切速率γ的关系

4.3.3剪切应力σ和校正剪切速率γm的关系

4.3.4校正表观粘度ηam和校正剪切速率γm的关系

4.3.5校正表观粘度ηam和剪切应力σ的关系

4.3.6校正表观粘度ηam和温度的关系

4.3.7超支化PPS对PPS流动性能改善的机理分析

4.4结论

参考文献

第五章超支化PPS／PPS共混纤维的制备与表征

5.1前言

5.2实验

5.2.1原料

5.2.2超支化PPS／PPS共混纤维的制备

5.2.3超支化PPS／PPS共混纤维的表征

5.3结果与讨论

5.3.1超支化PPS／PPS共混纤维的非等温结品动力学分析

5.3.3超支化PPS／PPS共混纤维的WAXD分析

5.3.4超支化PPS／PPS共混纤维的力学性能分析

5.3.5超支化PPS／PPS共混纤维以及挤出物的形貌分析

5.4结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢