PBO纖維的熱處理對(duì)其性能和表面形貌的影響

摘 要：為研究熱處理對(duì)PBO纖維的性能和表面形貌的影響，在氮?dú)夥諊谋Ｗo(hù)下，在不同的時(shí)間、溫度和張力的條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制的PBO纖維進(jìn)行熱處理，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、熱失重（TG）、拉伸強(qiáng)度測(cè)試等方法對(duì)處理后的PBO纖維的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：低于650℃的溫度熱處理過的纖維，其拉伸強(qiáng)度稍有上升趨勢(shì)，但在650℃以上的溫度熱處理后，其拉伸強(qiáng)度有明顯降低。SEM圖片顯示：經(jīng)650℃以上的溫度熱處理后的PBO纖維的表面出現(xiàn)了明顯的溝槽和缺陷。

關(guān)鍵詞：PBO纖維；熱處理；拉伸強(qiáng)度；表面形貌

1 引言

聚對(duì)苯撐苯并雙 唑（Poly-p-phenylene-benzobisoxazole，PBO）纖維是一種高強(qiáng)度、高模量、高熱穩(wěn)定性、高耐化學(xué)腐蝕性的新型纖維，在電子電氣、合成材料、安全防護(hù)、國(guó)防軍工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的用途。進(jìn)行PBO纖維的性能研究對(duì)我國(guó)高性能纖維的國(guó)產(chǎn)化以及航空航天工業(yè)、國(guó)防科技的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。但是由于PBO纖維的表面光滑且表面活性很低，和樹脂基體的粘合性差，嚴(yán)重限制了PBO纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用，所以對(duì)纖維表面進(jìn)行改性，提高其與樹脂基體的界面剪切強(qiáng)度，成為PBO纖維作為樹脂基復(fù)合增強(qiáng)材料時(shí)能否充分發(fā)揮其性能的關(guān)鍵[4]。因此本文著重研究改變熱處理?xiàng)l件對(duì)PBO的性能和形貌的影響。

2 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法

2.1 PBO纖維的熱處理

2.2 PBO纖維的測(cè)試和表征

經(jīng)熱處理后的PBO纖維按照ASTM-D3379標(biāo)準(zhǔn)《高模量單絲材料拉伸強(qiáng)度和楊氏模量測(cè)試方法》進(jìn)行單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試，加載速度10mm/min。

利用荷蘭飛利浦公司FEI Sirion掃描電子顯微鏡觀察熱處理后纖維表面形貌，將纖維樣品用導(dǎo)電膠固定于鋁箔上，經(jīng)噴金處理后用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

使用STA449C 熱重分析儀（TG）進(jìn)行分析熱處理后纖維的熱分解溫度：氮?dú)鈿夥?；溫度范圍：室溫?50℃；控制升溫速率10℃/10min，試樣用量：4-7mg。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱處理對(duì)PBO纖維拉伸強(qiáng)度的影響

PBO纖維的拉伸強(qiáng)度在不同的張力和處理時(shí)間下隨溫度的變化如圖3-1所示，從圖中可以看出PBO纖維的拉伸強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而呈現(xiàn)如下規(guī)律：張力和時(shí)間的變化對(duì)纖維強(qiáng)度有一定影響，但溫度是主要的影響因素；在低于650℃的溫度下熱處理，其纖維的強(qiáng)度無明顯變化，而在熱處理溫度高于650℃時(shí)則其拉伸強(qiáng)度逐漸下降。分析其原因可能是PBO纖維在650℃時(shí)開始發(fā)生熱分解，且隨溫度升高其熱分解程度加大，導(dǎo)致纖維表面和內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的缺陷，故強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

3.2 熱處理對(duì)PBO表面形貌的影響

通過對(duì)TG測(cè)試結(jié)果的分析可以看出：經(jīng)過熱處理的PBO纖維的熱分解溫度和熱失重斜率最大點(diǎn)溫度較未處理的纖維有明顯降低，且隨熱處理溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，至800℃時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較大程度的降低。這可能是高溫?zé)崽幚韺?dǎo)致PBO纖維在熱處理過程中已經(jīng)有一定程度上的分解，分子鏈有部分?jǐn)嗔?，進(jìn)而導(dǎo)致其在稍低的溫度就已經(jīng)發(fā)生分解，并且分解的速率較未處理的PBO纖維快[6]。

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)熱處理溫度低于600℃時(shí)，對(duì)PBO纖維的拉伸強(qiáng)度的影響不大，但是高于650℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度明顯降低。

4.2 熱處理有助于改善PBO纖維的粗糙程度，從來增強(qiáng)其與樹脂基體的結(jié)合強(qiáng)度。

4.3 經(jīng)過高溫?zé)崽幚淼腜BO纖維的熱分解溫度和熱失重斜率最大點(diǎn)溫度較未處理的纖維有明顯降低，且隨熱處理溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，700℃至800℃時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較大程度的降低。

參考文獻(xiàn)

[1]李霞，黃玉東，矯靈艷.PBO纖維的合成及其微觀結(jié)構(gòu)高分子通報(bào)，2004，（4）：102-107.

[2]羅益峰.世界高性能纖維的研究發(fā)展近況[J].高科技纖維與應(yīng)用.2002，27（3）：1～11.

[3]汪家銘.PBO纖維的發(fā)展與應(yīng)用前景[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2009，25（2）：26-31.

[4]馬春杰，寧榮昌.PBO纖維的研究及進(jìn)展[J].高科技纖維與應(yīng)用，2004，29（3）：46-51.

[5]承建軍，張敏，劉子濤等.熱處理對(duì)PBO纖維分子鏈結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].固體火箭技術(shù)，2007（4）：353-357.

[6]張敏，唐來安，莊啟昕等.聚亞苯基苯并二噁唑的熱分解行為[M].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào).2006，32（1）：60-64.

作者簡(jiǎn)介：鞏桂芬（1966-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，教授，博士。主要從事生物質(zhì)能源化工的研究，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣δ懿牧?、生物質(zhì)化工，通訊聯(lián)系人。