1、 毕业设计（论文）题 目： 常见试剂及等离子体处理对 PBO 纤 维性能影响的探究 学 院： 纺织与材料学院 专业班级： 轻化工程 08 级（2）班 指导教师： 谭艳君 职称： 高工 学生姓名： 田习菲 学 号： 40801030232 摘 要聚对苯撑苯并二噁唑（PBO)纤维是由 PBO 聚合物通过液晶纺丝技术制得的一种高性能纤维。与其它高性能纤维相比，PBO 纤维具有更高的比强度、比模量和耐热性、阻燃性，因此被誉为“21 世纪的超级纤维” 。但 PBO 纤维表面光滑，且呈化学惰性，与树脂基体间的界面粘接性能很差，这极大影响了纤维力学性能的充分发挥，严重制约了 PBO 纤维在高性能复合材料领域
2、中的应用。因此，改善 PBO 纤维的表面性能、提高它与树脂基体间的界面粘结性能是 PBO纤维得以在高性能复合材料领域中广泛应用的关键。目前，应用于 PBO 纤维改性的方法很多，包括化学改性、辐射改性和等离子体改性等。其中，等离子体改性是一种非常理想的方法，它只作用于纤维最表层，对纤维本体损伤小，具有高效、环保、操作简单等优点。本课题分别采用低温等离子体及常见化学试剂对 PBO 纤维进行处理，其中在低温等离子体处理中，分别通过处理时间以及处理功率的改变来研究其对纤维性能的影响。通过单纤维拉伸测试，分析了等离子体处理及化学试剂处理对纤维力学性能的影响；通过 SEM 观察纤维表面形态的变化；并通过显
3、微镜观察纤维横截面的变化；最后通过 IR 分析纤维表面元素组成及基团的变化。单纤维拉伸测试结果表明，碱、还原剂、氧化剂对 PBO 纤维力学性能几乎没什么影响，强质子酸对 PBO 纤维力学性能影响很大，而低温等离子体对PBO 纤维的力学性能影响很小。SEM 观察结果显示，碱、还原剂、氧化剂处理PBO 纤维后，纤维表面形态几乎没什么变化，强质子酸处理后纤维表面有大面积的刻蚀，而低温等离子体对纤维表面的刻蚀程度较强质子酸要小，但表面形态较原样已经发生很大变化。显微镜观察结果显示，实验中所有的改性处理对纤维的横截面形态没有影响。最后 IR 分析测试结果表明，低温等离子体处理PBO 纤维后，纤维表面引入
4、了羟基，纤维的亲水性增强。关键词： PBO 纤维，等离子体处理，表面性能ABSTRACTPoly( P-Phenylene benzobisoxazole ) ( PBO ) fiber is a kind of high Performance fiber obtained by liquid crystal spinning through PBO polymer. PBO fiber is called“ the super fiber in the 21st century“， for its excellent properties such as higher special st
5、rength and modulus, heat resistant and flame retardant than other high-Performance fibers . It can be used to produce high-performance composite materials in aeronautics, and national defense and other high-tech fields.However，the relatively smooth and chemically in active surface，induce the poor ad
6、hesion property between PBO and resin matrix , and enormously affect the fiber mechanic performances to fully display in composites, thus seriously restrict applications of PBO fiber in high-performance composite material fields.Therefor，the improvements of PBO fiber surface properties and adhesion
7、properties between PBO and resin matrix are the keys for it to be applied in the domain of high performance composite materials.At present , there are many ways for modifying PBO fiber surface , such as chemistry modification ,radiation modification and plasma modification ,etc. Plasma modification
8、is a perfect method among them with the advantage that the modification only affects the outer most layers of a substrate without damaging the bulk properties of materials, and also the advantages of high efficiency,environment friendly，and simple operation，etc. The subject used low-temperature plas
9、ma and common chemical reagents to treat PBO fiber surface . In the low- temperature plasma treatment ,the subject studied influence of processing parameters such as processing time and power on the fiber surface properties.Processing of chemical reagents, the subject studied processing time on the
10、fiber surface properties.Through single fiber tensile test, analyzed plasma processing and chemical reagents handling of fiber mechanical properties.Observed changes in fiber surface morphology observed by SEM and observed changes in the fiber cross section through the microscope. Finally , analyzed
11、 the changes in the fiber surface elements and groups by the IR spectrum.The single fiber tensile test results show that ,alkali , reducing agents , oxidizers have little impact on the mechanical properties of PBO fiber, strong proton acid is a great influence on the mechanical properties of PBO fib
12、er, and low temperature plasma on the mechanical properties of PBO fiber has little effect.SEM observation results showed that,alkali , reducing agents , oxidizing agents deal with PBO fiber , the fiber surface morphology is almost no change,strong proton acid treated fiber surface has a large area
13、etching,the low temperature plasma strong protonic acid etching on the surface of the fiber to be small, but the surface morphology compared with AS has been greatly changed.Microscopy results show that,all the trials of modification of the fiber cross-sectional shape does not affect.Finally IR anal
14、ysis results show that ,low temperature plasma processing of PBO fiber , the fiber surface introduces a hydroxyl group.KEY WORDS: PBO fiber，plasma modification ，surface properties 目 录第 1 章 前 言 .11.1 PBO 纤维的发展过程及现状 .11.2 PBO 纤维的结构和形态 .21.3 PBO 纤维的应用 .31.4 本论文研究的目的及意义 .4第 2 章 理论基础 .52.1 PBO 纤维的性能 .52.
15、1.1 力学性能 .52.1.2 热性能 .62.1.3 其它性能 .62.2 表面化学刻蚀 .62.3 等离子体 .72.3.1 等离子体的定义 .72.3.2 等离子体的生成 .72.3.3 低温等离子体表面改性的特点 .82.3.4 等离子体改性技术在纺织生产上的应用 .8第 3 章 实验部分 .93.1 实验材料及仪器 .93.1.1 实验材料 .93.2 常见试剂对 PBO 纤维的表面处理 .103.2.1 实验准备 .103.2.2 处理方法 .103.3 低温等离子体对 PBO 纤维的表面处理 .113.3.1 试样准备 .113.3.2 处理方法 .113.4 性能测试 .11
16、3.4.1 单纤维拉伸测试 .113.4.2 SEM 观察 .123.4.3 显微镜观察纤维横截面 .123.4.4 IR 分析测试 .13第 4 章 结果与讨论 .144.1 常见试剂处理对 PBO 力学性能的影响 .144.1.1 碱、还原剂、氧化剂对 PBO 力学性能的影响 .144.1.2 几种强酸对 PBO 力学性能的影响 .144.2 低温等 离子体处理对 PBO 纤维的影响 .154.2.1 低温等离子体处理对 PBO 纤维力学性能的影响 .154.2.2 处理功率对 PBO 纤维力学性能的影响 .164.2.3 处理时间对 PBO 纤维力学性能的影响 .174.3 等离子体处理
17、 PBO 纤维的 SEM 表征 .184.4 数码显微镜观察 PBO 纤维横截面 .204.5 IR 分析 .22结 论 .24参考文献 .25致 谢 .27诚信声明 .28 西安工程大学毕业设计（论文）0 第 1 章 前 言1.1 PBO 纤维的发展过程及现状 聚对苯撑苯并二噁唑（Polyp-Phenylene-2 ，6-benzobisoxazole） ，简称PBO，经历了 20 世纪 80 年代初的发现、提出及探索，90 年代技术的逐步成熟和工业化，以及世纪之交开始应用于特殊领域等发展阶段。20 世纪 70 年代初，杜邦(DuPont)公司研究工作者、美国空军材料实验室的聚合物科学家致力
18、于开发耐高温的芳杂环聚合物。几乎在同一年代，斯坦福(Stanford)大学研究所(SRI)Wolfe 等人经过近 10 年的探索，从近百种的模型聚合物中，在 1981 年筛选出了主链上含有 2，6-苯并双杂环的对位芳香聚合物，合成了聚对亚苯基苯并二噻唑(PBZT） ，其性能超过 Kevlar（芳纶） ，使得此项研究获得巨大的进展，引起了广泛的关注，被认为是新一代高强度、高模量、耐高温聚合物材料的先驱和代表，这也是聚合物设计上的一次巨大成功。五年后 PBZ 家族的另一聚亚苯基苯并噁唑也随着脱颖而出，并发展成家族系列聚合物，其化学结构如下图所示：图 1-1其中：Z=S(trans)聚苯并二噻唑 P
19、BZT Z=S(trans)聚苯并二噻唑ABPBZTZ=O(cis)聚对苯撑苯并二噁唑 PBO Z=O(cis)聚对苯撑苯并二噁 ABPBOZ=NH 聚对苯撑苯并二咪唑 PBI Z=NH 聚对苯撑苯并二咪唑 ABPBIWolfe 等人在取得了单体和聚合物合成的基本专利以后，该技术移转至美国 Dow 化学公司继续此材料研发工作,美国 Dow 化学公司获得其全世界实施权，并对 PBO 进行了工业性开发。但由于当时 Dow 化学公司在纺丝成型技术上没有过关，所制备的 PBO 纤维强度一直和 Kevlar 纤维相类似。1990 年 Dow 化学公司日本 Toyobo 开发出 PBO 的纺丝技术，使 P
20、BO 纤维的强度和模量成为Kevlar西安工程大学毕业设计（论文）2 纤维的两倍以上。目前世界上 PBO 的生产由 Toyobo 公司所垄断，大部分的文献和专利都归 Toyobo 公司所有，PBO 基体制备及其纤维加工技术，目前大都属于 Toyobo 公司和 Dow 化学公司的专利范围。Toyobo 公司发展 PBO 的最终目标是：在经济允许的前提下最终取代年产 3000tKevlar 材料，而进入人类的日常生活用品域，并已开始逐步实施扩大规模至 3000t/y 的发展趋势以适应市场之需求，同时 Dow 化学公司仍在对 PBO 基体制备工艺进行不断的改进和完善、以降低成本，为 Toyobo 公
21、司提供 PBO 聚合物的技术来源。1.2 PBO 纤维的结构和形态PBO 纤维是由芳杂环组成的高聚物通过液晶纺丝制得的一种新型高性能聚合物纤维。纤维的分子结构式见图 1-2。纤维大分子结构最显著的特征是大分子链沿纤维轴向呈几乎完全取向排列，具有极高的取向度。PBO 分子单元链接角为 180 ，是由刚性功能单元组成的棒状高分子。分子结构单元上的双噁唑环和苯环耦合，在苯环大 键影响下，芳香性不高的恶唑环的稳定性得到了很大的提高，一般的亲电试剂难以进攻。纤维的这种结构特征赋予了纤维优异的力学性能、耐热阻燃性能和耐化学腐蚀性能。顺式聚对苯撑苯并二噁唑 反式聚对苯撑苯并二噁唑图 1-2 PBO 纤维的结
22、构式PBO 纤维直径一般为 1015m，具有线性的分子结构。Tooru Kitagawa 等人在前人研究工作的基础上，通过 X 射线衍射和透射电镜、 WAXS 等对 PBO 纤维的结构进行表征，推断出 PBO 纤维的结晶结构模型，如图 1-3 所示。纤维呈皮芯结构，在约小于 0.2m 光滑的皮层下是由微纤构成的芯层，微纤是由沿着纤维方向以高度取向的 PBO 分子组成的，微纤的直径在 1050nm，微纤之间是毛细管状的微孔，微孔通过裂缝或微纤的开口连接起来。通常纤维的次级结构又含有微纤、小微纤和分子链三个层次。微纤由 5m 的大微纤到 500 的小微纤几条分子链结合在一起构成微纤，微纤间则由更弱
23、的分子间力结合在一起构西安工程大学毕业设计（论文）2成纤维，因西安工程大学毕业设计（论文）3 此 PBO 纤维比较容易微纤化。图 1-3PBO 纤维结构模型1.3 PBO 纤维的应用PBO 纤维优异的性能决定了它的应用领域十分广泛：(1)长丝可用于各种塑料和混凝土等的补强材料；弹道导弹和复合材料的增强组分；纤维光缆的受拉件和光缆的保护膜电；热线、耳机线等各种软线的增强纤维；绳索和缆绳等高拉力材料；高温过滤用耐热过滤材料；导弹和子弹的防护设备、防弹背心、防弹头盔和高性能航行服；网球、快艇、赛艇等体育器材；航空航天用材料等。(2)短切纤维和浆粕可用于摩擦材料和密封垫片用补强纤维; 各种树脂、塑料的增强材料等。(3)纱线加工成织物可用于制作消防服以及炉前工作服、焊接工作服、处理熔融金属现场用的耐热工作服;防切伤的保护服、安全手套和安全鞋；赛车服、骑手服；各种运动服和活性运动装备；Carrace 飞行员服；防割破装备等。(4)短纤维织物主要用于铝材挤压加工等用的耐热缓冲垫毡；高温过滤用耐过滤材料；热防护皮带等。PBO 纤维虽然具有一系列优越的性能，但它与树脂基体的界面粘结性能很差，一般比芳纶还低。另外 PBO 的分子结构排列特点也决定了 PBO 的染色性
