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聚苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维是一种新型高强度、高模量的高性能纤维材料,并且具有优异的耐高温及阻燃特性,有“超级纤维”的美誉。但PBO纤维表面光滑,缺少极性基团,导致了纤维与树脂基体的界面粘结性能较差,界面剪切强度低,严重地制约了其在高性能纤维增强复合材料中的应用。另外,PBO的抗紫外光性也存在问题。通过在PBO大分子链上引入离子基团的方法,设计了聚苯撑苯并二噁唑液晶离聚物(SPBO)大分子结构式,采用共聚合工艺即在聚合过程中添加少量5-磺酸钠-间苯二甲酸(SIPA)代替部分对苯二甲酸(TPA)与4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐(DAR)进行共聚,得到了改性离聚物SPBO。
以自制的DAR和市售的TPA、SIPA为原料,首次成功制备了不同离子基团(-NaSO3)含量的SPBO聚合物,当离子基团含量较小时,可以获得较高分子质量的SPBO离聚物(特性粘度为25.23dL/g)。通过红外光谱、元素分析等证明了所合成产物即为期望结构的SPBO。初步摸索出了聚合过程中影响SPBO分子质量的因素,其中TPA的粒径、PPA中P2O5的含量等对聚合有较大影响,通过采用本课题组前期发明的加压脱除HCl的工艺和新型双螺带式搅拌器以及利用反应挤出——液晶纺丝一体化工艺成功制备了高分子质量的SPBO聚合物并纺丝成型了不同离子含量的SPBO纤维。SPBO纤维的拉伸强度比PBO有所降低,但热稳定性能更加优良。通过X射线衍射、拉曼光谱分析和密度测定研究了离子基团含量、纺丝速度对SPBO纤维聚集态结构的影响,结果表明随着离子基团含量的增加,纤维的结晶程度、取向度及密度均有所降低。借助SEM观察发现,用稀磷酸作为凝固浴时,凝固成型更加缓和,纤维表面结构更加致密,也有利提高纤维的拉伸强度。
通过液体与纤维表面接触角的测定、XPS、内反射红外光谱分析研究了SPBO纤维的表面性能。接触角的测定结果说明,离子基团(-NaSO3)引入大分子主链之后,SPBO纤维对水、乙醇和丙酮的浸润性能得到改善,接触角减小,表面自由能从35.5 mJ/m2增加到40.3mJ/m2。XPS分析表明,SPBO纤维表面上O、N元素含量都明显提高,且N元素含量增幅较大。内反射红外光谱分析得出SPBO纤维表面OH的含量要高于PBO纤维表面。利用微脱粘测试和SEM观察研究了SPBO纤维/环氧树脂的界面粘结性能,SPBO纤维/环氧树脂的界面剪切强度较PBO/环氧树脂的界面剪切强度增加了23％,达到了10.1MPa,复合材料破坏形貌的SEM分析也显示出纤维界面粘结性能明显改善,由原来界面破坏变成复合材料基体的部分破坏。