熱處理對PBO纖維性能的影響研究

摘 要：在高純氮氣保護下，在不同的纖維含水率、熱處理溫度以及控制預(yù)熱段和降溫段溫度的條件下，對實驗室自制PBO初生纖維進行熱處理，并對纖維熱處理后的力學(xué)性能進行測試。結(jié)果表明，熱處理溫度低于625℃時，隨著纖維含水率的增加，熱處理后纖維的強度和模量也在提高，含水率為30.05%時，熱處理后的纖維強度和模量增加最大；熱處理溫度為600℃時，纖維強度和模量提高最大，之后強度和模量隨著溫度的升高而降低；控制預(yù)熱段和降溫段的溫度對纖維熱處理后強度和模量有提高的作用，在含水率、熱處理溫度以及控制預(yù)熱段和降溫段溫度相互作用下，強度和模量最高達到5.58GPa和264.54GPa。

關(guān)鍵詞：PBO纖維；含水率；熱處理溫度；性能

PBO是聚對苯撐苯并二 唑（Poly-p-phenylene benzobisthiazole）的簡稱，其獨特的剛性棒狀分子結(jié)構(gòu)，通過液晶紡絲得到的PBO纖維具有高強度、高模量、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等性能，被譽為“纖維之王”，在國防領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1，2]。

為了提高PBO纖維的力學(xué)性能，需要對PBO初生纖維進行熱處理。Martinez.K.T[3]等對PBO初生纖維進行熱處理，熱處理溫度為600℃和665℃，發(fā)現(xiàn)熱處理后的PBO纖維的晶體尺寸有非常顯著的增大。Yachin Cohen[4]等人在對PBO纖維進行熱處理時，給予不同的張力，得出的結(jié)論：在張力的作用下，提高了PBO纖維分子鏈的取向度。趙蕾、宋元軍[5]等人在固定張力和熱處理時間，對PBO初生纖維分別在500℃、550℃、600℃、650℃、700℃進行熱處理后，得出的結(jié)論：500℃熱處理后PBO纖維強度最大，為4.72GPa，隨著熱處理溫度的升高，纖維強度逐漸下降。文章運用實驗室自制含水率不同的PBO初生纖維進行熱處理研究，探討了纖維含水率、熱處理溫度以及預(yù)熱段和降溫段對纖維力學(xué)性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

PBO初生纖維，自制；其力學(xué)性能見表1。

1.2 實驗儀器

微機控制電子萬能試驗機（型號：CMT6104），美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；PBO纖維熱處理裝置，自制。

1.3 實驗內(nèi)容

自制一套PBO纖維分段式熱處理裝置，有預(yù)熱段、熱處理段和降溫段，如圖1所示。預(yù)熱段設(shè)置有3個溫區(qū)，熱處理段設(shè)置有10個溫區(qū)，降溫段設(shè)置有3個溫區(qū)。固定熱處理時間為12s，熱處理張力為3cN/dt，高純氮氣保護，4組纖維在熱處理段10個溫區(qū)溫度控制都為550℃、575℃、600℃、625℃和650℃進行熱處理，預(yù)熱段3個溫區(qū)溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區(qū)溫度控制分別為500℃、300℃，100℃和預(yù)熱段、降溫段都為室溫。

1.4 分析測試

纖維力學(xué)性能：按照GJB348-87《芳綸復(fù)絲拉伸性能測試方法-浸膠法》測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率對PBO纖維力學(xué)性能的影響

圖2、圖3預(yù)熱段和降溫段為室溫，圖4、圖5預(yù)熱段3個溫區(qū)溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區(qū)溫度控制分別為500℃、300℃，100℃。熱處理結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

從圖2、圖3中可以看出，在熱處理段溫度為550℃、575℃、600℃、625℃時，隨著纖維含水率的升高，纖維的強度和模量都升高，之后隨著含水率的升高，纖維的強度和模量開始下降。含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了7.78%和73.15%，達到5.40GPa和250.87GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了8.00%，強度為4.60GPa，模量稍有提高，提高了9.14%，達到158.19GPa。從圖4、圖5中可以看出，在熱處理段溫度為550℃、575℃、600℃、625℃時，隨著纖維含水率的升高，纖維的強度和模量都升高，之后隨著含水率的升高，纖維的強度和模量開始下降。含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了11.38%和82.58%，達到5.58GPa和264.54GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了7.80%，強度為4.61GPa，模量稍有提高，提高了10.03%，達到159.59GPa。分析原因：總的來說，纖維含水率為30.05%時對熱處理后的纖維強度和模量提高最大。在高溫下，聚合物分子鏈運動能力強，聚合物通過分子鏈的運動重排而提高取向度和結(jié)晶度，同時由于水分有增塑作用，有利于分子鏈的運動，在含水率為30.05%時，纖維熱處理后強度和模量提高最高。熱處理段溫度為650℃時，高于其分解溫度，聚合物發(fā)生熱解取向，其強度明顯下降。

2.2 熱處理溫度對PBO纖維力學(xué)性能的影響

圖6、圖7預(yù)熱段和降溫段為室溫，圖8、圖9預(yù)熱段3個溫區(qū)溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區(qū)溫度控制分別為500℃、300℃，100℃。

從圖6、圖7中可以看出，4組纖維隨著熱處理溫度的升高，強度和模量也升高，600℃后，隨著熱處理溫度的升高，強度和模量開始下降。纖維含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了7.78%和73.15%，達到5.40GPa和250.87GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了8.00%，強度為4.60GPa，模量稍有提高，提高了9.14%，達到158.19GPa；從圖8、圖9中可以看出，4組纖維隨著熱處理溫度的升高，強度和模量也升高，600℃后，隨著熱處理溫度的升高，強度和模量開始下降。含水率為30.05%的PBO-AS纖維在熱處理段溫度為600℃熱處理后，強度和模量提升最高，分別提高了11.38%和82.58%，達到5.58GPa和264.54GPa；PBO-AS纖維在熱處理段溫度為650℃熱處理后，強度下降了7.80%，強度為4.61GPa，模量稍有提高，提高了10.03%，達到159.59GPa。分析原因總的來說，600℃是提高PBO纖維強度和模量的最佳熱處理溫度。在600℃熱處理，聚合物通過分子鏈的運動重排而提高取向度和結(jié)晶度，其強度和模量都有明顯的提高；隨著溫度不斷的升高，由于聚合物開始發(fā)生熱解取向，導(dǎo)致PBO纖維的強度和模量逐漸開始下降。

從圖6、圖7、圖8、圖9中可以看出，預(yù)熱段和降溫段為室溫時，其強度和模量最大為5.40GPa和250.87GPa；控制預(yù)熱段3個溫區(qū)溫度控制分別為100℃、300℃、500℃，降溫段3個溫區(qū)溫度控制分別為500℃、300℃，100℃時，熱處理后其強度和模量最大為5.58GPa和264.54GPa。控制預(yù)熱段和降溫段的溫度對纖維熱處理后強度和模量有提高的作用，預(yù)熱段、熱處理段和降溫段三段的溫度是互相配合的。預(yù)熱段通過逐步提高溫度，使纖維中的水分逐漸脫除，同時，逐漸預(yù)熱聚合物，使得分子運動強度增加，以便于在熱處理段中進行分子鏈重排，使纖維結(jié)晶度和取向度提高， 從而使其模量和強度增加。同時，纖維中存在于細長微孔中的水分子需要在更高的溫度下，才能脫除。在預(yù)熱段后的熱處理段，在更高的溫度下纖維中未完全脫除的水分子， 在更高的溫度下迅速蒸發(fā)，同時在纖維內(nèi)部形成很多微孔， 而微孔還未來得及閉合， 這樣給纖維分子鏈一定的空間重排伸展， 也使得纖維的模量和強度增加。降溫段有效的避免了纖維熱處理后直接暴露在空氣中，從而有效的降低了纖維在熱空氣中的高溫?zé)嵫踅到狻?/p>

3 結(jié)束語

（1）熱處理溫度低于625℃時，隨著纖維含水率的增加，熱處理后纖維的強度和模量也在提高，含水率為30.05%時，熱處理后的纖維強度和模量增加最大。（2）熱處理溫度為600℃時，纖維強度和模量提高最大，之后強度和模量隨著溫度的升高而降低。（3）控制預(yù)熱段和降溫段的溫度對纖維熱處理后強度和模量有提高的作用。（4）在含水率、熱處理溫度以及控制預(yù)熱段和降溫段溫度相互作用下，強度和模量最高達到5.58GPa和264.54GPa。

參考文獻

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[2]夏延致，秦明正，紀(jì)全，等.新一代高技術(shù)纖維-PBO纖維[J].青島大學(xué)學(xué)報，2002，15（4）：21-24.

[3]Martinez K T，Redil S V，Paredes J I.Thermal Decomnposition of Poly （p-phenylene benzobisoxazole）Fibers Monitoring the Chemical and Nanostructural Changes by Raman Spectroscopy and Scannning Probe Microcopy[J].Polymer Degradation and Stability，2004，86：263-268.

[4]Cohen Y，Gartstein E.The Effect of Heat Treatment on the Microfibrillar Network of Poly p-phenylene-benzo bisthiazole[J].Polymer Engineering and Science.1996，36（10）：1355-1359.

[5]趙蕾，宋元軍.熱處理溫度對PBO纖維性能的影響[J].化學(xué)與黏合，2014，36（3）：159-166.

*通訊作者：冉茂強（1987-），男，助理工程師，從事特種纖維的研究與開發(fā)工作。