超临界CO2中PBO纤维改性研究

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聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维由于性能良好而被得以广泛应用,但它的表面光滑导致界面剪切性能较差。PBO纤维的另一个性能缺点是抗紫外线性能差,在紫外线照射下极易发生降解,分子量急剧下降,纤维的力学性能大幅度降低。这些缺点限制了纤维的广泛使用。本文在超临界CO2中改性PBO纤维,并表征和分析改性前后的纤维的多种性能。本论文利用超临界CO2对PBO纤维进行了改性研究。PBO纤维在超临界CO2中施加一定的张力进行热拉伸来提高纤维的力学性能;超临界CO2携带2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)-六氟丙烷(BisAPAF)改性PBO纤维来提高纤维的界面剪切性能(IFSS);并在超临界CO2中在PBO纤维表面制备TiO2来提高纤维的抗光老化性能。主要内容如下:1)超临界CO2具有较强的塑化作用,在超临界CO2中对PBO纤维进行热拉伸,研究了压强和张力对纤维结构和力学性能的影响。PBO纤维在一定张力的作用下,纤维内部的分子链会朝着外部作用力的方向运动,无定形区部分进一步规整排列,结晶区进一步结晶。X射线衍射(XRD)分析显示热拉伸后的纤维的结晶度、取向度和力学性能在压强、张力作用下都升高了。当实验变量为压强时,纤维的改性效果在12MPa时取得最佳,结晶度和取向度较原纤维相比分别提高36.1%和22.94%,强度和模量分别提高42.7%和26.8%。当变量为张力时,纤维的改性效果在3g?d-1取得最佳,较原纤维相比,纤维的结晶度和取向度分别提高26%和19.04%,强度和模量分别提高40.5%和24.4%。2)BisAPAF在超临界CO2能很好的溶解和迁移,利用其对PBO纤维进行表面改性。设置了不同的压强,并对处理前后的纤维的IFSS进行分析。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱分析(XPS)显示处理后的PBO纤维表面接入-NH2、-OH、-CF3等活性基团,-NH2容易和环氧树脂中的环氧基反应,提高了界面性能。当反应条件为14MPa时,PBO-untreated和PBO-BisAPAF-14MPa与树脂的IFSS分别为8.2MPa和31.4MPa,提高了282.9%。3)利用超临界CO2的溶解和携带作用,将TiO2接枝到PBO纤维表面,研究了不同的反应压强对处理后纤维的抗光老化性能的影响。伴随着反应压强的升高,纤维表面反应上的TiO2粒子愈加致密和分布均匀,能有效的阻隔紫外线对纤维本体的伤害,减缓纤维的老化降解。紫外-可见光谱(UV-Vis)分析中,较原纤维相比,TiO2处理后纤维的紫外线吸收能力均有明显的提高,当处理压强为15MPa时,纤维的抗紫外线性能提升最突出。并在TiO2改性后的PBO纤维基础上制备BisAPAF,发现PBO-TiO2-BisAPAF较原纤维相比,其IFSS和抗光老化性能都有着一定程度的改善。其中PBO-TiO2-BisAPAF的IFSS较原纤维相比提高了235.4%。紫外-可见光谱分析显示PBO-TiO2-BisAPAF的紫外吸收能力较原纤维相比更强。利用超临界CO2对PBO纤维进行结构和表面改性,成功的提高了其力学性能、界面剪切性能及抗紫外线性能等,拓宽了PBO纤维的使用范围。
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