多聚磷酸/乙酸表面功能化改性PBO纖維

摘要：采用多聚磷酸/乙酸（PPA/AcA）改性處理聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維，采用接觸角、X射線光電子能譜（XPS）、熱失重分析（TGA）和掃描電鏡（SEM）等手段對PBO纖維進行分析表征。結果表明，PPA/AcA成功包覆在PBO纖維表面，使其親水性提高，纖維表層發生溶脹，粗糙度增加。

關鍵詞：多聚磷酸；乙酸；HMPBO纖維；表面功能化

中圖分類號：TQ430.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）08 -0046-03

聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維強度達7.0 GPa，模量達400 GPa，氧極限指數為68，最高使用溫度和分解溫度分別為350 ℃和650 ℃，遠優于現有的有機或無機纖維。PBO纖維及PBO/樹脂基先進結構復合材料具有廣闊的應用前景，可用于航空、航天、航海、星球探測和民用等領域[1～5]。

但PBO纖維表面非常光滑，且分子結構中缺少極性基團，呈現極強的化學惰性，與樹脂的界面性能差。提高PBO/樹脂基復合材料的界面性能已成為該領域的前沿課題和難題[6～9]。

本文在前人和本課題組研究工作的基礎上[10，11]，采用多聚磷酸/乙酸（PPA/AcA）對聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維表面進行功能化改性處理，采用接觸角、X射線光電子能譜（XPS）、熱失重分析（TGA）和掃描電鏡對PBO纖維的改性效果進行分析表征。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高模PBO纖維（HMPBO），日本東洋紡公司，商品牌號為ZylonTM；多聚磷酸，化學純，上海聯合化工廠；36%乙酸（AcA），化學純，上海賀寶化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市永晟精細化工有限公司。

1.2 HMPBO纖維的表面功能化改性

將HMPBO纖維依次放入四氫呋喃和無水乙醇中分別浸泡12 h，蒸餾水沖洗后放入100 ℃真空烘箱中干燥24 h；然后在V多聚磷酸/V乙酸=2∶1的混合液中浸泡20 min后取出，用NaOH稀溶液（5%）和蒸餾水沖洗多次，放入100 ℃真空烘箱中干燥24 h，待測。

1.3 分析與表征

采用美國熱電公司的DCA322接觸角儀測試HMPBO纖維和水之間的接觸角；采用美國熱電公司的K-Alpha型X射線光電子能譜（XPS）探測HMPBO纖維表面的元素組成；使用德國NETZSCH公司的TGA-Q50型熱失重儀對HMPBO纖維進行熱分析；采用日本電子公司的JEM-6700F型掃描電子顯微鏡觀察HMPBO纖維表面形貌。

2 結果與討論

2.1 接觸角分析

通過測量HMPBO纖維與水的相對潤濕接觸角表征其表面親水性和濕潤性。結果表明，HMPBO纖維與水的接觸角從未改性的74o降低到改性后的44o，說明PPA/AcA功能化處理使HMPBO纖維的表面親水性有所提高，濕潤性能得到改善。

2.2 XPS分析

圖1為改性前后HMPBO纖維的XPS測量譜圖。根據峰面積計算各種元素的含量，見表1。

研究表明，未處理纖維表面存在一定量的C、O和N元素，經PPA/AcA功能化處理后，C元素含量降低，O和N元素則有所增加。這可能是因為PPA/AcA對HMPBO纖維的溶脹作用，使其分子鏈更柔韌，表面的C、O和N元素均有變化。改性后HMPBO纖維表面出現P元素，進一步證實HMPBO表面存在PPA/AcA。

2.3 TGA分析

圖2為HMPBO纖維改性前后的TGA曲線。

由圖2可知，600 ℃前未處理HMPBO纖維的失重率不到2%，主要是HMPBO表面的吸附水和其他小分子的損失所致；經PPA/AcA功能化處理后HMPBO纖維的質量隨著溫度升高而明顯減小，歸因于HMPBO纖維表面的PPA/AcA在高溫下發生熱解反應。

2.4 SEM分析

圖3為HMPBO纖維改性前后的SEM 照片。

從圖3可以看出，未處理HMPBO纖維表面光滑；經PPA/AcA功能化處理后，HMPBO表面變得相對粗糙，并存在些許粘附物（HMPBO纖維表面的PPA/AcA）。同時，改性纖維的直徑也有所增加。這是因為PPA/AcA使HMPBO纖維發生溶脹所致。

3 結語

接觸角分析表明PPA/AcA功能化處理后的HMPBO纖維的親水性提高，表面濕潤性改善；XPS和TGA分析表明PPA/AcA包覆在HMPBO纖維表面；SEM分析表明經PPA/AcA功能化處理后的HMPBO纖維表面變得粗糙，且纖維直徑增加。

參考文獻

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