碳納米管和石墨烯增強PBO復合纖維的制備及結構與性能研究.pdf

1、PBO纖維是一種低密度、高強度、高模量、耐高溫且阻燃的高性能有機纖維,在眾多尖端領域中有著廣泛的應用。然而如此優(yōu)異的PBO纖維仍存在一些缺陷,如實際模量與理論模量存在很大差距,與樹脂的粘結性能不好等缺點。本文以提高PBO纖維的力學性能、耐熱性能及復合材料界面性能為主要目標,設計合成了碳納米管和石墨烯增強PBO基體的兩種復合纖維,著重分析了這兩種復合纖維的結構和性能,為制備綜合性能更為優(yōu)異的復合纖維進行有益的探索。
　　采用兩種酸處

2、理方法,濃硫酸/濃硝酸體系和含有20％三氧化硫的發(fā)煙硫酸/濃硝酸體系分別對單壁碳納米管(SWCNTs)進行純化、切短和氧化處理。采用化學接枝法對SWCNTs進行功能化接枝修飾處理,分別接枝上三種氨基二元羧酸,柔性鏈小分子的L-天門冬氨酸(I)、L-谷氨酸(II)和剛性鏈小分子的5-氨基間苯二甲酸(III),得到了三種功能化接枝修飾后的SWCNTI-III。接枝化修飾處理使SWCNTs酸化后的一元羧酸基團轉變成二元羧酸基團,獲得更多的羧酸

3、活性基團參與到聚合反應中,在聚合體系中具有更好的分散性。
　　采用化學改性Hummers法成功制備了氧化石墨烯,得到的氧化石墨烯沒有進一步還原成石墨烯,而是保留了其表面的活性官能團,以便下一步功能化處理。采用獨特的“復合內(nèi)鹽法”合成了DADHB-is-(GO/TPA)復合內(nèi)鹽。設計“復合內(nèi)鹽”的目的是為了實現(xiàn)GO在聚合體系中具有更好的分散性,并且參與到聚合反應中。研究發(fā)現(xiàn),GO在復合內(nèi)鹽中能夠均勻分散,同時GO在復合內(nèi)鹽中起到了結

4、晶模板劑的作用,有效地阻止了GO的重新堆積,為GO在下一步聚合體系中均勻分散打下了基礎。
　　采用脫氯化氫原位聚合法制備了三種SWCNTI-III&PBO復合纖維,分析了SWCNTI-III&PBO復合纖維的化學組成、特性粘數(shù)及粘均分子量、復合纖維的表面和斷面形貌、結晶行為及復合纖維中SWCNTs的分布情況,證明不同功能化處理SWCNTs的加入對PBO纖維的結構有很大影響,通過對復合纖維的拉伸強度、拉伸模量及斷裂伸長率測試,研究三

5、種不同功能化SWCNTI-III對PBO纖維力學性能的增強作用,發(fā)現(xiàn)復合纖維拉伸強度和模量都有相應的增加,其中添加SWCNTIII增加最多。研究添加三種不同功能化SWCNTI-III對PBO纖維熱穩(wěn)定性的影響。這些研究結果表明接枝剛性鏈小分子的SWCNTs要比接枝柔性鏈小分子的SWCNTs在增強PBO纖維的力學性能和熱穩(wěn)定性的效果上要更好些。通過對復合纖維的浸潤性和與樹脂結合的界面剪切強度測試,研究添加功能化SWCNTI-III對PBO

6、纖維復合材料界面性能的增強作用。
　　采用一鍋原位聚合復合內(nèi)鹽法制備了兩種不同GO含量的GO-co-PBO復合纖維,對其結構和性能進行深入研究和系統(tǒng)分析,并且對GO增強PBO纖維的機理進行了初步的探討。通過對GO-co-PBO(1%)和GO-co-PBO(3%)復合纖維的化學組成分析、特性粘數(shù)的測定及粘均分子量的計算、復合纖維的表面和斷面形貌的觀察、結晶行為研究及對復合纖維中GO的分布情況進行觀察,研究添加不同的GO含量對PBO纖