PBO纖維的熱處理對其性能和表面形貌的影響

摘 要：為研究熱處理對PBO纖維的性能和表面形貌的影響，在氮氣氛圍的保護下，在不同的時間、溫度和張力的條件下，對實驗室自制的PBO纖維進行熱處理，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、熱失重（TG）、拉伸強度測試等方法對處理后的PBO纖維的結構和性能進行表征。拉伸實驗結果顯示：低于650℃的溫度熱處理過的纖維，其拉伸強度稍有上升趨勢，但在650℃以上的溫度熱處理后，其拉伸強度有明顯降低。SEM圖片顯示：經650℃以上的溫度熱處理后的PBO纖維的表面出現了明顯的溝槽和缺陷。

關鍵詞：PBO纖維；熱處理；拉伸強度；表面形貌

1 引言

聚對苯撐苯并雙 唑（Poly-p-phenylene-benzobisoxazole，PBO）纖維是一種高強度、高模量、高熱穩定性、高耐化學腐蝕性的新型纖維，在電子電氣、合成材料、安全防護、國防軍工、交通運輸等領域有著廣泛的用途。進行PBO纖維的性能研究對我國高性能纖維的國產化以及航空航天工業、國防科技的發展具有重大的現實意義[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，嚴重限制了PBO纖維在復合材料中的應用，所以對纖維表面進行改性，提高其與樹脂基體的界面剪切強度，成為PBO纖維作為樹脂基復合增強材料時能否充分發揮其性能的關鍵[4]。因此本文著重研究改變熱處理條件對PBO的性能和形貌的影響。

2 實驗及測試方法

2.1 PBO纖維的熱處理

2.2 PBO纖維的測試和表征

經熱處理后的PBO纖維按照ASTM-D3379標準《高模量單絲材料拉伸強度和楊氏模量測試方法》進行單絲拉伸強度測試，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，將纖維樣品用導電膠固定于鋁箔上，經噴金處理后用掃描電子顯微鏡進行觀察。

使用STA449C 熱重分析儀（TG）進行分析熱處理后纖維的熱分解溫度：氮氣氣氛；溫度范圍：室溫至850℃；控制升溫速率10℃/10min，試樣用量：4-7mg。

3 結果與討論

3.1 熱處理對PBO纖維拉伸強度的影響

PBO纖維的拉伸強度在不同的張力和處理時間下隨溫度的變化如圖3-1所示，從圖中可以看出PBO纖維的拉伸強度隨熱處理溫度的升高而呈現如下規律：張力和時間的變化對纖維強度有一定影響，但溫度是主要的影響因素；在低于650℃的溫度下熱處理，其纖維的強度無明顯變化，而在熱處理溫度高于650℃時則其拉伸強度逐漸下降。分析其原因可能是PBO纖維在650℃時開始發生熱分解，且隨溫度升高其熱分解程度加大，導致纖維表面和內部可能會出現一定程度的缺陷，故強度呈現逐漸下降的趨勢。

3.2 熱處理對PBO表面形貌的影響

通過對TG測試結果的分析可以看出：經過熱處理的PBO纖維的熱分解溫度和熱失重斜率最大點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出逐漸降低的趨勢，至800℃時出現一個較大程度的降低。這可能是高溫熱處理導致PBO纖維在熱處理過程中已經有一定程度上的分解，分子鏈有部分斷裂，進而導致其在稍低的溫度就已經發生分解，并且分解的速率較未處理的PBO纖維快[6]。

4 結論

4.1 當熱處理溫度低于600℃時，對PBO纖維的拉伸強度的影響不大，但是高于650℃時，拉伸強度明顯降低。

4.2 熱處理有助于改善PBO纖維的粗糙程度，從來增強其與樹脂基體的結合強度。

4.3 經過高溫熱處理的PBO纖維的熱分解溫度和熱失重斜率最大點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出逐漸降低的趨勢，700℃至800℃時出現一個較大程度的降低。

參考文獻

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

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

[3]汪家銘.PBO纖維的發展與應用前景[J].石油化工技術與經濟，2009，25（2）：26-31.

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

[5]承建軍，張敏，劉子濤等.熱處理對PBO纖維分子鏈結構和性能的影響[J].固體火箭技術，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].華東理工大學學報.2006，32（1）：60-64.

作者簡介：鞏桂芬（1966-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，教授，博士。主要從事生物質能源化工的研究，主要研究領域為功能材料、生物質化工，通訊聯系人。