PBO纤维的改性研究进展

张振方,安红玉

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

PBO纤维的改性研究进展

张振方,安红玉

(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安 710048)

介绍了PBO纤维的结构、性能，对PBO纤维的改性研究取得的进展进行了概述和展望，以期对PBO纤维后续的研究提供相关思路。

PBO纤维 结构 性能 表面改性

0 前言

PBO纤维即聚对苯撑苯并二噁唑纤维。PBO纤维是近年来研究比较热门的纤维种类，其商品名是紫隆[1]，由芳杂环高分子高聚成纤维聚合物，高聚物分子在空间呈刚棒状，分子的取向度具有较高的一致性，并且分子链与分子链之间的空隙很小，纤维的力学性能较为优异的原因之一正是由于上述分子结构特征。PBO纤维具有较高的耐热性能，就是因为纤维在高温、高压和恶劣化学环境下具有较高的稳定性[2-3]。但是纤维不易与树脂浸润，且纤维与树脂基体结合的界面性能差，其主要原因是PBO高分子的取向结构有序及纤维表面光滑，纤维内部绝大多数是极性杂原子，由于这些原子特性在纤维的综合性能上影响较大，使得PBO纤维在某些领域如先进复合材料中的应用前景受到较大影响[3-4]。本文主要针对PBO纤维在改性研究的主要进展作一概述与展望。

1 PBO纤维的结构与性能

1.1 PBO纤维的结构

PBO纤维在纺纱工艺上属于液晶纺丝，分子链具有较高的取向度。PBO纤维的密度虽然远远低于碳纤维，但力学性能如强度、模量等却远远高于芳纶，因此是质量较轻的高强复合材料的极佳材料[5-6]。PBO纤维分子是由分子结构上的苯环和双噁唑环耦合，由于该分子结构受到苯环大π键的作用，提高了噁唑环的稳定性，所以一般具有亲电性的物质很难接近[7]。

PBO纤维是由微纤结构组成，其直径一般为10μm-15μm，纤维是皮芯结构，且由微纤构成芯层，芯层在皮层下面，正是高度由于PBO分子沿着纤维方向高度取向，这种结构单元才能组成微纤，而微纤之间是毛细管状的微孔，微孔是由裂缝或微纤的开口链接的[8]。

1.2 PBO纤维的性能

PBO纤维较多是在多聚磷酸(PPA)中或PPA与甲磺酸MSA体系中缩聚制得的，但是聚合物链的堆积会形成液晶，但链长须增长到一定长度，这是在PBO聚合物质量分数大于5%时才会发生的[9]。PBO纤维具有相对较好的化学稳定性和优良的力学性能[2,5,6]，9倍于钢的拉伸模量，被认为直链高分子聚合物的极限模量。其热分解温度高于650摄氏度，工作温度高达300摄氏度，被认为是现今稳定性最高的有机纤维[10]。

2 PBO纤维的改性研究

由于PBO纤维缺乏官能团，纤维表面的光滑度较高，在纤维具有较强的化学惰性，根据相似相容原理，其较难与树脂基体进行粘结，因此对纤维的改性研究已经成为近些年来的研究热点。目前，对纤维抗压性能和表面粘结性能的改性处理较为普遍。

2.1 PBO纤维的抗压性能的研究

目前关于PBO抗压性能较差的理论研究主要有两方面：一是刚性棒状高分子压缩强度偏低的原因之一是微纤的不稳定性，微纤使得横向相互作用，压力下易于弯曲。因此，通过提高微纤相互作用，是能够改善纤维的压缩性能的。二是通过铰链方法将扭曲的PBO纤维分子链联结，使得链侧向稳定，可以提高纤维的压缩强度[11]。合成PBO/玻璃溶胶凝胶微观复合纤维可以有效实现PBO纤维压缩强度的提高，经过证实，经氧化硅的渗入可以有效提高25%的抗压强度。但是，提高PBO侧向相互作用力的方法虽然比较多，但即使能较为有效的提高压缩强度，同时也会有不同程度的降低拉伸强度。

2.2 PBO纤维表面改性处理

由于PBO纤维与树脂基体的粘结性能较差，影响了其在先进复合材料中的应用，为改善PBO纤维与树脂基体的界面粘结性能，需要对其表面采用相关方法进行处理，化学处理、辐射、等离子体处理和电晕处理等处理方法比较常见[12]。

2.2.1 化学处理

所谓的化学处理方法就是利用化学反应在纤维表面加进去一些可以发生反应的基团，其中产生的化学键是在其与基体复合时产生的，这样处理的目的是改善并增加增强材料的界面性能，进而达到对纤维表面改性的目的[13]。

化学改性方法一般包括有酸氧化法、表面接枝、偶联剂改性以及表面蚀刻等方法。

2.2.1.1 酸氧化法

李钟一等[14]分别采用化学处理等单一处理方法与“辐照+等离子体”等综合改性方法对PBO纤维进行表面处理，并对各种方法的改性后的纤维进行了单丝拉伸强度、与树脂的接触角和单丝拔出性能测试，结果表明，经综合改性处理后的纤维性能较单一方法处理的纤维性能最优，单丝拉伸强度保持率为85.1%，与水的接触角达到74.15%，与未经表面处理纤维相比，其与树脂基体间的粘结强度提高了48.6%。刘丹丹等[15]采用多聚磷酸/乙酸体系对PBO纤维表面进行处理发现，该体系改性后PBO纤维表面的亲水性变得较好。罗国等[16]采用多聚磷酸及其乙醇溶液(1:1)对PBO纤维进行表面处理，实验设计为两种溶液分别处理1分钟及5分钟，实验结果表明，纤维/树脂的界面粘结强度分别提高24%和55%，但单丝强度均下降。

2.2.1.2 表面接枝法

表面接枝技术的原理是烯类单体与纤维发生接枝反应时，可增强纤维表面和树脂基体之间的相互作用，进而能够达到增强复合材料界面性能的目的[16]。在处理过后的纤维表面粗糙度增加，并有明显的隆起物，其中的原因可能是：一是等离子体的蚀刻使得纤维表面的粗糙度增加，二是处理过程中产生了自由基，与烯类单体接触时引发了单体在纤维表面的接枝聚合。

2.2.1.3 偶联剂改性

由于在处理时不会损伤纤维的力学性能且其界面改性效果较好，这正是偶联剂改性处理的优点所在，其结合的原理在于偶联剂上的双官能团可以在纤维—基体间形成共价键，但是由于PBO纤维的应用领域一般在高温区段，因此偶联剂的耐热性也有比较高的性能要求。岳淼等[17]采用常压射频低温等离子体技术以硅烷偶联剂处理PBO纤维在纤维表面形成了较多的极性基团，并且在其表面产生了明显的凹坑，PBO纤维与树脂的粘结性能提高50%，纤维的拉伸强度下降5%。

2.2.2 等离子体改性

目前对PBO纤维处理方法使用最多的处理手段是等离子体技术，其之所以能够取得最广的流传度有很多的优点，比如容易控制反应在PBO纤维的表面，并且反应时对其本体不会产生较大的损伤，这种方法对表面惰性较强的高聚物能够起到比较明显的改性效果。杨建忠等[18]采用低温等离子体技术处理PBO纤维，并设计正交试验和玻璃实验测试改性前后PBO纤维与聚四氟乙烯之间的剥离强力和剥离功，研究发现，改性后的PBO纤维与聚四氟乙烯之间的玻璃强力和剥离功最大可提高58.7%和52.7%，粘结牢度增强，粘着性改善，改性后的PBO纤维粗糙程度增加。潘贤林等[19]采用常压等离子体射流以功率和处理时间为变量对PBO纤维进行改性，结果表明PBO纤维经过处理后，表面浸润性能得到改善，界面剪切强度提高了27.85%～130.96%，而纤维强力损伤很小。岳震楠等[20]采用低温等离子体结合涂层技术对PBO纤维进行改性，结果表明处理后纤维表面粗糙度和极性均增强，且PBO纤维/环氧树脂的层间剪切强度提高了39%。周雪松等[21]选用氩气作为处理气氛以低温等离子体对其处理，处理后纤维表面亲水性增强，PBO纤维/环氧树脂的界面剪切强度较未处理样品提高了42%。

2.2.3 电晕处理方法

所谓的电晕处理法就是改变(增大或者减小)PBO纤维的表面积进而改变树脂的粘结力，一般采用改变加载压力的方式。张春华等[22]采用γ射线辐照技术对PBO纤维进行接枝改性处理，结果表明，极性官能团的引入增加了纤维表面化学活性，改善了纤维表面化学惰性。

3 结语

随着科技的发展和先进生产设备的研发，PBO纤维改性技术的突破和改进得到一定程度的实现。等离子体技术可以相对快速地改善纤维表面性质，并且该技术可以使得处理实现大批量化，但是等离子体会出现衰减效应。表面蚀刻技术虽然会损害纤维本身强度，但其工艺操作简单。而辐射处理虽然也会带来纤维本身的强度损伤，但其可以实现大批量处理，节约了较多的资源。

总之，现有的改性技术无法较为完美的改性处理PBO纤维，因为各自独立的改性技术都有其本身短板，也许可以探索将多种改性技术混合使用的可能性或者寻找新的改性技术，继续探索PBO纤维改性工艺的最佳方法是今后PBO改性处理的关键。

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2016-12-06

张振方(1990-)，男，硕士，研究方向：功能性纺织材料研究开发。

TS102

A

1008-5580(2017)01-0236-03