碳納米管和石墨烯增強(qiáng)PBO復(fù)合纖維的制備及結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、PBO纖維是一種低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫且阻燃的高性能有機(jī)纖維,在眾多尖端領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。然而如此優(yōu)異的PBO纖維仍存在一些缺陷,如實(shí)際模量與理論模量存在很大差距,與樹(shù)脂的粘結(jié)性能不好等缺點(diǎn)。本文以提高PBO纖維的力學(xué)性能、耐熱性能及復(fù)合材料界面性能為主要目標(biāo),設(shè)計(jì)合成了碳納米管和石墨烯增強(qiáng)PBO基體的兩種復(fù)合纖維,著重分析了這兩種復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)和性能,為制備綜合性能更為優(yōu)異的復(fù)合纖維進(jìn)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(duì)單壁碳納米管(SWCNTs)進(jìn)行純化、切短和氧化處理。采用化學(xué)接枝法對(duì)SWCNTs進(jìn)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(tuán)轉(zhuǎn)變成二元羧酸基團(tuán),獲得更多的羧酸

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

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(chǔ)。
　　采用脫氯化氫原位聚合法制備了三種SWCNTI-III&PBO復(fù)合纖維,分析了SWCNTI-III&PBO復(fù)合纖維的化學(xué)組成、特性粘數(shù)及粘均分子量、復(fù)合纖維的表面和斷面形貌、結(jié)晶行為及復(fù)合纖維中SWCNTs的分布情況,證明不同功能化處理SWCNTs的加入對(duì)PBO纖維的結(jié)構(gòu)有很大影響,通過(guò)對(duì)復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量及斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試,研究三

5、種不同功能化SWCNTI-III對(duì)PBO纖維力學(xué)性能的增強(qiáng)作用,發(fā)現(xiàn)復(fù)合纖維拉伸強(qiáng)度和模量都有相應(yīng)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(duì)PBO纖維熱穩(wěn)定性的影響。這些研究結(jié)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(qiáng)PBO纖維的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的效果上要更好些。通過(guò)對(duì)復(fù)合纖維的浸潤(rùn)性和與樹(shù)脂結(jié)合的界面剪切強(qiáng)度測(cè)試,研究添加功能化SWCNTI-III對(duì)PBO

6、纖維復(fù)合材料界面性能的增強(qiáng)作用。
　　采用一鍋原位聚合復(fù)合內(nèi)鹽法制備了兩種不同GO含量的GO-co-PBO復(fù)合纖維,對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究和系統(tǒng)分析,并且對(duì)GO增強(qiáng)PBO纖維的機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。通過(guò)對(duì)GO-co-PBO(1%)和GO-co-PBO(3%)復(fù)合纖維的化學(xué)組成分析、特性粘數(shù)的測(cè)定及粘均分子量的計(jì)算、復(fù)合纖維的表面和斷面形貌的觀察、結(jié)晶行為研究及對(duì)復(fù)合纖維中GO的分布情況進(jìn)行觀察,研究添加不同的GO含量對(duì)PBO纖