熱處理對PBO纖維性能的影響研究

摘 要：在高純氮氣保護下，在不同的纖維含水率、熱處理溫度以及控制預熱段和降溫段溫度的條件下，對實驗室自制PBO初生纖維進行熱處理，并對纖維熱處理后的力學性能進行測試。結果表明，熱處理溫度低于625℃時，隨著纖維含水率的增加，熱處理后纖維的強度和模量也在提高，含水率為30.05%時，熱處理后的纖維強度和模量增加最大；熱處理溫度為600℃時，纖維強度和模量提高最大，之后強度和模量隨著溫度的升高而降低；控制預熱段和降溫段的溫度對纖維熱處理后強度和模量有提高的作用，在含水率、熱處理溫度以及控制預熱段和降溫段溫度相互作用下，強度和模量最高達到5.58GPa和264.54GPa。

關鍵詞：PBO纖維；含水率；熱處理溫度；性能

PBO是聚對苯撐苯并二 唑（Poly-p-phenylene benzobisthiazole）的簡稱，其獨特的剛性棒狀分子結構，通過液晶紡絲得到的PBO纖維具有高強度、高模量、優異的熱穩定性等性能，被譽為“纖維之王”，在國防領域、航空航天領域具有廣闊的應用前景[1，2]。

為了提高PBO纖維的力學性能，需要對PBO初生纖維進行熱處理。Martinez.K.T[3]等對PBO初生纖維進行熱處理，熱處理溫度為600℃和665℃，發現熱處理后的PBO纖維的晶體尺寸有非常顯著的增大。Yachin Cohen[4]等人在對PBO纖維進行熱處理時，給予不同的張力，得出的結論：在張力的作用下，提高了PBO纖維分子鏈的取向度。趙蕾、宋元軍[5]等人在固定張力和熱處理時間，對PBO初生纖維分別在500℃、550℃、600℃、650℃、700℃進行熱處理后，得出的結論：500℃熱處理后PBO纖維強度最大，為4.72GPa，隨著熱處理溫度的升高，纖維強度逐漸下降。文章運用實驗室自制含水率不同的PBO初生纖維進行熱處理研究，探討了纖維含水率、熱處理溫度以及預熱段和降溫段對纖維力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

PBO初生纖維，自制；其力學性能見表1。

1.2 實驗儀器

微機控制電子萬能試驗機（型號：CMT6104），美特斯工業系統（中國）有限公司；PBO纖維熱處理裝置，自制。

1.3 實驗內容

自制一套PBO纖維分段式熱處理裝置，有預熱段、熱處理段和降溫段，如圖1所示。預熱段設置有3個溫區，熱處理段設置有10個溫區，降溫段設置有3個溫區。固定熱處理時間為12s，熱處理張力為3cN/dt，高純氮氣保護，4組纖維在熱處理段10個溫區溫度控制都為550℃、575℃、600℃、625℃和650℃進行熱處理，預熱段3個溫區溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區溫度控制分別為500℃、300℃，100℃和預熱段、降溫段都為室溫。

1.4 分析測試

纖維力學性能：按照GJB348-87《芳綸復絲拉伸性能測試方法-浸膠法》測定。

2 結果與討論

2.1 含水率對PBO纖維力學性能的影響

圖2、圖3預熱段和降溫段為室溫，圖4、圖5預熱段3個溫區溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區溫度控制分別為500℃、300℃，100℃。熱處理結果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

從圖2、圖3中可以看出，在熱處理段溫度為550℃、575℃、600℃、625℃時，隨著纖維含水率的升高，纖維的強度和模量都升高，之后隨著含水率的升高，纖維的強度和模量開始下降。含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了7.78%和73.15%，達到5.40GPa和250.87GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了8.00%，強度為4.60GPa，模量稍有提高，提高了9.14%，達到158.19GPa。從圖4、圖5中可以看出，在熱處理段溫度為550℃、575℃、600℃、625℃時，隨著纖維含水率的升高，纖維的強度和模量都升高，之后隨著含水率的升高，纖維的強度和模量開始下降。含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了11.38%和82.58%，達到5.58GPa和264.54GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了7.80%，強度為4.61GPa，模量稍有提高，提高了10.03%，達到159.59GPa。分析原因：總的來說，纖維含水率為30.05%時對熱處理后的纖維強度和模量提高最大。在高溫下，聚合物分子鏈運動能力強，聚合物通過分子鏈的運動重排而提高取向度和結晶度，同時由于水分有增塑作用，有利于分子鏈的運動，在含水率為30.05%時，纖維熱處理后強度和模量提高最高。熱處理段溫度為650℃時，高于其分解溫度，聚合物發生熱解取向，其強度明顯下降。

2.2 熱處理溫度對PBO纖維力學性能的影響

圖6、圖7預熱段和降溫段為室溫，圖8、圖9預熱段3個溫區溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區溫度控制分別為500℃、300℃，100℃。

從圖6、圖7中可以看出，4組纖維隨著熱處理溫度的升高，強度和模量也升高，600℃后，隨著熱處理溫度的升高，強度和模量開始下降。纖維含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了7.78%和73.15%，達到5.40GPa和250.87GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了8.00%，強度為4.60GPa，模量稍有提高，提高了9.14%，達到158.19GPa；從圖8、圖9中可以看出，4組纖維隨著熱處理溫度的升高，強度和模量也升高，600℃后，隨著熱處理溫度的升高，強度和模量開始下降。含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了11.38%和82.58%，達到5.58GPa和264.54GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了7.80%，強度為4.61GPa，模量稍有提高，提高了10.03%，達到159.59GPa。分析原因總的來說，600℃是提高PBO纖維強度和模量的最佳熱處理溫度。在600℃熱處理，聚合物通過分子鏈的運動重排而提高取向度和結晶度，其強度和模量都有明顯的提高；隨著溫度不斷的升高，由于聚合物開始發生熱解取向，導致PBO纖維的強度和模量逐漸開始下降。

從圖6、圖7、圖8、圖9中可以看出，預熱段和降溫段為室溫時，其強度和模量最大為5.40GPa和250.87GPa；控制預熱段3個溫區溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區溫度控制分別為500℃、300℃，100℃時，熱處理后其強度和模量最大為5.58GPa和264.54GPa。控制預熱段和降溫段的溫度對纖維熱處理后強度和模量有提高的作用，預熱段、熱處理段和降溫段三段的溫度是互相配合的。預熱段通過逐步提高溫度，使纖維中的水分逐漸脫除，同時，逐漸預熱聚合物，使得分子運動強度增加，以便于在熱處理段中進行分子鏈重排，使纖維結晶度和取向度提高， 從而使其模量和強度增加。同時，纖維中存在于細長微孔中的水分子需要在更高的溫度下，才能脫除。在預熱段后的熱處理段，在更高的溫度下纖維中未完全脫除的水分子， 在更高的溫度下迅速蒸發，同時在纖維內部形成很多微孔， 而微孔還未來得及閉合， 這樣給纖維分子鏈一定的空間重排伸展， 也使得纖維的模量和強度增加。降溫段有效的避免了纖維熱處理后直接暴露在空氣中，從而有效的降低了纖維在熱空氣中的高溫熱氧降解。

3 結束語

（1）熱處理溫度低于625℃時，隨著纖維含水率的增加，熱處理后纖維的強度和模量也在提高，含水率為30.05%時，熱處理后的纖維強度和模量增加最大。（2）熱處理溫度為600℃時，纖維強度和模量提高最大，之后強度和模量隨著溫度的升高而降低。（3）控制預熱段和降溫段的溫度對纖維熱處理后強度和模量有提高的作用。（4）在含水率、熱處理溫度以及控制預熱段和降溫段溫度相互作用下，強度和模量最高達到5.58GPa和264.54GPa。

參考文獻

[1] Kitagawa T.，Murase H.，Yabuki K.，Morphological Study on Poly-P-phenylene benzobisoxazole（PBO）fiber[J].Jpolym Sci：Part B，1998，36（1）：39-48.

[2]夏延致，秦明正，紀全，等.新一代高技術纖維-PBO纖維[J].青島大學學報，2002，15（4）：21-24.

[3]Martinez K T，Redil S V，Paredes J I.Thermal Decomnposition of Poly （p-phenylene benzobisoxazole）Fibers Monitoring the Chemical and Nanostructural Changes by Raman Spectroscopy and Scannning Probe Microcopy[J].Polymer Degradation and Stability，2004，86：263-268.

[4]Cohen Y，Gartstein E.The Effect of Heat Treatment on the Microfibrillar Network of Poly p-phenylene-benzo bisthiazole[J].Polymer Engineering and Science.1996，36（10）：1355-1359.

[5]趙蕾，宋元軍.熱處理溫度對PBO纖維性能的影響[J].化學與黏合，2014，36（3）：159-166.

*通訊作者：冉茂強（1987-），男，助理工程師，從事特種纖維的研究與開發工作。