苯并噁嗪树脂改性PBO纤维及其性能研究

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PBO(poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole))纤维是上个世纪 70-80 年代由美国空军空气动力学研究人员为航空航天事业而研发的增强材料,以其“超高的阻燃性能”、“超高的模量”、“超高的强度”和“超高的阻燃性能”被誉为“21世纪超级纤维”。为了顺应社会产业和国防产业发展需求,加快推进新材料应用示范,中国工业和信息化部在2019年把高性能PBO纤维写入《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》,这标志着高性能PBO纤维正式成为国家关键战略材料方针的一部分。然而,PBO纤维在紫外光下易老化降解,同时PBO纤维表面光滑且没有活性基团,导致其与树脂基体的界面结合能力较差,在一定程度上限制了 PBO纤维的应用。为解决PBO纤维易紫外光老化的问题,本文依据苯并噁嗪分子结构易设计的特性,设计制备出具有紫外光吸收功能的苯并噁嗪树脂,利用接枝性涂覆技术和层层组装技术制备抗紫外老化涂层,之后对制备的苯并噁嗪进行表征,探究了改性后的PBO纤维的各类性能。利用苯并噁嗪分子结构易设计的特性,以硅烷偶联剂3-氨丙基三乙基硅烷、光稳定剂4,4’-二羟基二苯甲酮和多聚甲醛为原料,通过曼尼希反应制备得到二苯甲酮型苯并噁嗪单体。采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)等分析手段对苯并噁嗪单体的化学结构进行了表征;采用差示扫描量热法(DSC)对苯并噁嗪单体固化特性进行研究;利用紫外光可见光光谱对苯并噁嗪的紫外吸收能力进行分析。结果表明,二苯甲酮型苯并噁嗪在175℃左右开始固化;聚苯并噁嗪有较高的分解温度和残碳率,在800℃时的残碳率为54%;聚苯并噁嗪与光稳定剂4,4’-二羟基二苯甲酮一样具有紫外吸收能力。由于PBO纤维表面惰性大,没有任何活性基团,因此利用低温等离子体技术对PBO纤维表明进行活化,之后成功的将苯并噁嗪接枝性涂覆在PBO纤维表面,得到被苯并噁嗪完全包覆的PBO纤维。紫外老化加速试验表明,尽管改性前后PBO纤维的力学性能均呈“L”型下降趋势,但是涂覆了苯并噁嗪的PBO纤维具有更加优异的抗紫外老化的性能,相同条件下紫外光照射300小时,相较于原始PBO纤维其断裂强力为30.16 cN,断裂强力保持率提高了 21%。此外改性后的PBO纤维与树脂的相容性得到大幅提升,由20.31 MPa提升到31.44 MPa,提高了 54.8%。同时,低表面能的聚苯并噁嗪赋予了 PBO纤维“花瓣效应”,可以很好固定去离子水小液滴,在液滴运输和自清洁方面有很大的应用前景。结合苯并噁嗪优秀的抗紫外性能,以硅烷偶联剂3-氨丙基硅烷为桥梁,在PBO纤维表面引入紫外屏蔽性能优良的纳米TiO2,利用层层组装技术制备得到PBO/(TiO2/PBa)纤维。改性后的PBO纤维同样与树脂有良好的界而结合性能,改性后的PBO纤维其IFSS值提高了43.5%。同时,紫外老化实验表明,在相同的条件下紫外照射300小时,PBO/(TiO2/PBa)纤维的断裂强力还有38.12 cN,相较于PBO纤维其断裂强力保留率提升了38%。
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