多聚磷酸/乙酸表面功能化改性PBO纤维

摘要：采用多聚磷酸/乙酸（PPA/AcA）改性处理聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维，采用接触角、X射线光电子能谱（XPS）、热失重分析（TGA）和扫描电镜（SEM）等手段对PBO纤维进行分析表征。结果表明，PPA/AcA成功包覆在PBO纤维表面，使其亲水性提高，纤维表层发生溶胀，粗糙度增加。

关键词：多聚磷酸；乙酸；HMPBO纤维；表面功能化

中图分类号：TQ430.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2013）08 -0046-03

聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维强度达7.0 GPa，模量达400 GPa，氧极限指数为68，最高使用温度和分解温度分别为350 ℃和650 ℃，远优于现有的有机或无机纤维。PBO纤维及PBO/树脂基先进结构复合材料具有广阔的应用前景，可用于航空、航天、航海、星球探测和民用等领域[1～5]。

但PBO纤维表面非常光滑，且分子结构中缺少极性基团，呈现极强的化学惰性，与树脂的界面性能差。提高PBO/树脂基复合材料的界面性能已成为该领域的前沿课题和难题[6～9]。

本文在前人和本课题组研究工作的基础上[10，11]，采用多聚磷酸/乙酸（PPA/AcA）对聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维表面进行功能化改性处理，采用接触角、X射线光电子能谱（XPS）、热失重分析（TGA）和扫描电镜对PBO纤维的改性效果进行分析表征。

1 实验部分

1.1 主要原料

高模PBO纤维（HMPBO），日本东洋纺公司，商品牌号为ZylonTM；多聚磷酸，化学纯，上海联合化工厂；36%乙酸（AcA），化学纯，上海贺宝化工有限公司；氢氧化钠，分析纯，天津市永晟精细化工有限公司。

1.2 HMPBO纤维的表面功能化改性

将HMPBO纤维依次放入四氢呋喃和无水乙醇中分别浸泡12 h，蒸馏水冲洗后放入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%）和蒸馏水冲洗多次，放入100 ℃真空烘箱中干燥24 h，待测。

1.3 分析与表征

采用美国热电公司的DCA322接触角仪测试HMPBO纤维和水之间的接触角；采用美国热电公司的K-Alpha型X射线光电子能谱（XPS）探测HMPBO纤维表面的元素组成；使用德国NETZSCH公司的TGA-Q50型热失重仪对HMPBO纤维进行热分析；采用日本电子公司的JEM-6700F型扫描电子显微镜观察HMPBO纤维表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 接触角分析

通过测量HMPBO纤维与水的相对润湿接触角表征其表面亲水性和湿润性。结果表明，HMPBO纤维与水的接触角从未改性的74o降低到改性后的44o，说明PPA/AcA功能化处理使HMPBO纤维的表面亲水性有所提高，湿润性能得到改善。

2.2 XPS分析

图1为改性前后HMPBO纤维的XPS测量谱图。根据峰面积计算各种元素的含量，见表1。

研究表明，未处理纤维表面存在一定量的C、O和N元素，经PPA/AcA功能化处理后，C元素含量降低，O和N元素则有所增加。这可能是因为PPA/AcA对HMPBO纤维的溶胀作用，使其分子链更柔韧，表面的C、O和N元素均有变化。改性后HMPBO纤维表面出现P元素，进一步证实HMPBO表面存在PPA/AcA。

2.3 TGA分析

图2为HMPBO纤维改性前后的TGA曲线。

由图2可知，600 ℃前未处理HMPBO纤维的失重率不到2%，主要是HMPBO表面的吸附水和其他小分子的损失所致；经PPA/AcA功能化处理后HMPBO纤维的质量随着温度升高而明显减小，归因于HMPBO纤维表面的PPA/AcA在高温下发生热解反应。

2.4 SEM分析

图3为HMPBO纤维改性前后的SEM 照片。

从图3可以看出，未处理HMPBO纤维表面光滑；经PPA/AcA功能化处理后，HMPBO表面变得相对粗糙，并存在些许粘附物（HMPBO纤维表面的PPA/AcA）。同时，改性纤维的直径也有所增加。这是因为PPA/AcA使HMPBO纤维发生溶胀所致。

3 结语

接触角分析表明PPA/AcA功能化处理后的HMPBO纤维的亲水性提高，表面湿润性改善；XPS和TGA分析表明PPA/AcA包覆在HMPBO纤维表面；SEM分析表明经PPA/AcA功能化处理后的HMPBO纤维表面变得粗糙，且纤维直径增加。

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