聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维被誉为“有机纤维之王”,具有高强、高模、优异的热氧稳定性等性能,在国防军事、航空航天、民用高科技领域具有广阔的应用前景。但是作为纤维增强树脂基复合材料的增强体,PBO纤维与树脂之间的界面性能差,使之在应用中受到一定的限制。本论文以改善PBO纤维增强树脂基复合材料界面性能为目的,通过在PBO聚合过程中加入[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑](PIPD)聚合物制备出PBO/PIPD复合纤维,在基本不降低PBO纤维强度的情况下,通过纤维的复合化提高其增强复合材料的界面性能。本论文通过在PBO聚合过程中加入PIPD聚合物进行共混制备复合纤维。通过研究聚合过程中分子量变化以及不同共混温度制备的复合纤维的力学性能、不同纺丝速率纺制纤维的直径,确定复合纤维最佳的合成和纺丝工艺参数;利用X射线衍射、X射线光电子能谱、热失重分析和浸润性测试对PBO/PIPD复合纤维的微晶尺寸、表面元素含量、纤维的耐热性以及纤维的表面能进行表征;最后采用树脂微球单丝拔出的方法对PBO/PIPD复合纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度进行了测试。结果表明,制备复合纤维的最佳工艺条件为:共混温度为PBO聚合过程中的160℃;在超声的条件下将PIPD聚合物在多聚磷酸溶液中进行搅拌2 h后加入到PBO聚合体系中,PIPD聚合物混合更均匀;最佳纺丝速率为90 m/min。PBO/PIPD复合纤维表面N元素的含量高于PBO纤维;复合纤维的表面形貌比PBO纤维更紧密,单丝拉伸断裂的纤维断面形貌与PBO纤维相比,微纤化情况更少,分层现象减少;随着PIPD加入量的增多,纤维的拉伸强度与PBO纤维相比下降的更多,微晶尺寸也更小;复合纤维与去离子水、乙二醇之间的接触角,随着PIPD含量的增大而减小,复合纤维的表面能越来越大。复合纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度较PBO纤维与环氧树脂之间有了很大的提高,当PIPD含量为10 mass%时,界面强度提高了63.8%;通过PBO纤维、复合纤维界面剪切破坏形貌可以看出,复合纤维表面有残余的环氧树脂,PBO纤维上环氧树脂残余量特别少;复合纤维与PBO纤维相比界面性能有了很大的提高。通过以上研究发现,所采用的工艺参数可以很好的进行复合纤维的合成和纺丝,所制备的复合纤维强度比PBO纤维略有下降,但其增强树脂基的界面性能相对于PBO纤维得到大幅度提高,所制备的复合材料综合性能将得到提升,扩大了PBO类纤维的应用范围。
