PBO纤维.doc

毕业设计（论文）题 目： 常见试剂及等离子体处理对PBO纤 维性能影响的探究 学 院： 纺织与材料学院 专业班级： 轻化工程 08级（2）班 指导教师： 谭艳君 职称： 高工 学生姓名： 田习菲 学 号： 40801030232 摘 要聚对苯撑苯并二噁唑（PBO)纤维是由PBO聚合物通过液晶纺丝技术制得的一种高性能纤维。与其它高性能纤维相比，PBO纤维具有更高的比强度、比模量和耐热性、阻燃性，因此被誉为“21世纪的超级纤维”。但PBO纤维表面光滑，且呈化学惰性，与树脂基体间的界面粘接性能很差，这极大影响了纤维力学性能的充分发挥，严重制约了PBO纤维在高性能复合材料领域中的应用。因此，改善PBO纤维的表面性能、提高它与树脂基体间的界面粘结性能是PBO纤维得以在高性能复合材料领域中广泛应用的关键。 目前，应用于PBO纤维改性的方法很多，包括化学改性、辐射改性和等离子体改性等。其中，等离子体改性是一种非常理想的方法，它只作用于纤维最表层，对纤维本体损伤小，具有高效、环保、操作简单等优点。 本课题分别采用低温等离子体及常见化学试剂对PBO纤维进行处理，其中在低温等离子体处理中，分别通过处理时间以及处理功率的改变来研究其对纤维性能的影响。通过单纤维拉伸测试，分析了等离子体处理及化学试剂处理对纤维力学性能的影响；通过SEM观察纤维表面形态的变化；并通过显微镜观察纤维横截面的变化；最后通过IR分析纤维表面元素组成及基团的变化。单纤维拉伸测试结果表明，碱、还原剂、氧化剂对PBO纤维力学性能几乎没什么影响，强质子酸对PBO纤维力学性能影响很大，而低温等离子体对PBO纤维的力学性能影响很小。SEM观察结果显示，碱、还原剂、氧化剂处理PBO纤维后，纤维表面形态几乎没什么变化，强质子酸处理后纤维表面有大面积的刻蚀，而低温等离子体对纤维表面的刻蚀程度较强质子酸要小，但表面形态较原样已经发生很大变化。显微镜观察结果显示，实验中所有的改性处理对纤维的横截面形态没有影响。最后IR分析测试结果表明，低温等离子体处理PBO纤维后，纤维表面引入了羟基，纤维的亲水性增强。关键词： PBO纤维，等离子体处理，表面性能ABSTRACT Poly( P-Phenylene benzobisoxazole ) ( PBO ) fiber is a kind of high Performance fiber obtained by liquid crystal spinning through PBO polymer. PBO fiber is called the super fiber in the 21st century， for its excellent properties such as higher special strength and modulus, heat resistant and flame retardant than other high-Performance fibers . It can be used to produce high-performance composite materials in aeronautics, and national defense and other high-tech fields.However，the relatively smooth and chemically in active surface，induce the poor adhesion property between PBO and resin matrix , and enormously affect the fiber mechanic performances to fully display in composites, thus seriously restrict applications of PBO fiber in high-performance composite material fields.Therefor，the improvements of PBO fiber surface properties and adhesion properties between PBO and resin matrix are the keys for it to be applied in the domain of high performance composite materials. At present , there are many ways for modifying PBO fiber surface , such as chemistry modification ,radiation modification and plasma modification ,etc. Plasma modification is a perfect method among them with the advantage that the modification only affects the outer most layers of a substrate without damaging the bulk properties of materials, and also the advantages of high efficiency,environment friendly，and simple operation，etc. The subject used low-temperature plasma and common chemical reagents to treat PBO fiber surface . In the low- temperature plasma treatment ,the subject studied influence of processing parameters such as processing time and power on the fiber surface properties.Processing of chemical reagents, the subject studied processing time on the fiber surface properties.Through single fiber tensile test, analyzed plasma processing and chemical reagents handling of fiber mechanical properties.Observed changes in fiber surface morphology observed by SEM and observed changes in the fiber cross section through the microscope. Finally , analyzed the changes in the fiber surface elements and groups by the IR spectrum.The single fiber tensile test results show that ,alkali , reducing agents , oxidizers have little impact on the mechanical properties of PBO fiber, strong proton acid is a great influence on the mechanical properties of PBO fiber, and low temperature plasma on the mechanical properties of PBO fiber has little effect.SEM observation results showed that,alkali , reducing agents , oxidizing agents deal with PBO fiber , the fiber surface morphology is almost no change,strong proton acid treated fiber surface has a large area etching,the low temperature plasma strong protonic acid etching on the surface of the fiber to be small, but the surface morphology compared with AS has been greatly changed.Microscopy results show that,all the trials of modification of the fiber cross-sectional shape does not affect.Finally IR analysis results show that ,low temperature plasma processing of PBO fiber , the fiber surface introduces a hydroxyl group.KEY WORDS: PBO fiber，plasma modification ，surface properties 目 录第1章 前 言11.1 PBO纤维的发展过程及现状11.2 PBO纤维的结构和形态21.3 PBO纤维的应用31.4本论文研究的目的及意义4第2章 理论基础52.1 PBO纤维的性能52.1.1力学性能52.1.2 热性能62.1.3 其它性能62.2表面化学刻蚀62.3等离子体72.3.1等离子体的定义72.3.2 等离子体的生成72.3.3低温等离子体表面改性的特点82.3.4等离子体改性技术在纺织生产上的应用8第3章 实验部分93.1实验材料及仪器93.1.1实验材料93.2常见试剂对PBO纤维的表面处理103.2.1实验准备103.2.2处理方法103.3低温等离子体对PBO纤维的表面处理113.3.1试样准备113.3.2处理方法113.4性能测试113.4.1单纤维拉伸测试113.4.2 SEM观察123.4.3 显微镜观察纤维横截面123.4.4 IR分析测试13第4章 结果与讨论14 4.1 常见试剂处理对PBO力学性能的影响144.1.1 碱、还原剂、氧化剂对PBO力学性能的影响144.1.2 几种强酸对PBO力学性能的影响144.2低温等离子体处理对PBO纤维的影响154.2.1低温等离子体处理对PBO纤维力学性能的影响154.2.2 处理功率对PBO纤维力学性能的影响164.2.3 处理时间对PBO纤维力学性能的影响174.3 等离子体处理PBO纤维的SEM表征184.4数码显微镜观察PBO纤维横截面204.5 IR分析22结 论24参考文献25致 谢27诚信声明28 第1章 前 言1.1 PBO纤维的发展过程及现状 聚对苯撑苯并二噁唑（Polyp-Phenylene-2，6-benzobisoxazole），简称PBO，经历了20世纪80年代初的发现、提出及探索，90年代技术的逐步成熟和工业化，以及世纪之交开始应用于特殊领域等发展阶段。20世纪70年代初，杜邦(DuPont)公司研究工作者、美国空军材料实验室的聚合物科学家致力于开发耐高温的芳杂环聚合物。几乎在同一年代，斯坦福(Stanford)大学研究所(SRI)Wolfe等人经过近10年的探索，从近百种的模型聚合物中，在1981年筛选出了主链上含有2，6-苯并双杂环的对位芳香聚合物，合成了聚对亚苯基苯并二噻唑(PBZT），其性能超过Kevlar（芳纶），使得此项研究获得巨大的进展，引起了广泛的关注，被认为是新一代高强度、高模量、耐高温聚合物材料的先驱和代表，这也是聚合物设计上的一次巨大成功。五年后PBZ家族的另一聚亚苯基苯并噁唑也随着脱颖而出，并发展成家族系列聚合物，其化学结构如下图所示：图 1-1其中：Z=S(trans)聚苯并二噻唑PBZT Z=S(trans)聚苯并二噻唑ABPBZT Z=O(cis)聚对苯撑苯并二噁唑PBO Z=O(cis)聚对苯撑苯并二噁ABPBO Z=NH聚对苯撑苯并二咪唑PBI Z=NH聚对苯撑苯并二咪唑ABPBI Wolfe等人在取得了单体和聚合物合成的基本专利以后，该技术移转至美国Dow化学公司继续此材料研发工作,美国Dow化学公司获得其全世界实施权，并对PBO进行了工业性开发。但由于当时Dow化学公司在纺丝成型技术上没有过关，所制备的PBO纤维强度一直和Kevlar纤维相类似。1990年Dow化学公司日本Toyobo开发出PBO的纺丝技术，使PBO纤维的强度和模量成为Kevlar西安工程大学毕业设计（论文）纤维的两倍以上。目前世界上PBO的生产由Toyobo公司所垄断，大部分的文献和专利都归Toyobo公司所有，PBO基体制备及其纤维加工技术，目前大都属于Toyobo公司和Dow化学公司的专利范围。Toyobo公司发展PBO的最终目标是：在经济允许的前提下最终取代年产3000tKevlar材料，而进入人类的日常生活用品域，并已开始逐步实施扩大规模至3000t/y的发展趋势以适应市场之需求，同时Dow化学公司仍在对PBO基体制备工艺进行不断的改进和完善、以降低成本，为Toyobo公司提供PBO聚合物的技术来源。1.2 PBO纤维的结构和形态 PBO纤维是由芳杂环组成的高聚物通过液晶纺丝制得的一种新型高性能聚合物纤维。纤维的分子结构式见图1-2。纤维大分子结构最显著的特征是大分子链沿纤维轴向呈几乎完全取向排列，具有极高的取向度。PBO分子单元链接角为180 ，是由刚性功能单元组成的棒状高分子。分子结构单元上的双噁唑环和苯环耦合，在苯环大键影响下，芳香性不高的恶唑环的稳定性得到了很大的提高，一般的亲电试剂难以进攻。纤维的这种结构特征赋予了纤维优异的力学性能、耐热阻燃性能和耐化学腐蚀性能。顺式聚对苯撑苯并二噁唑 反式聚对苯撑苯并二噁唑图1-2 PBO纤维的结构式 PBO纤维直径一般为1015m，具有线性的分子结构。Tooru Kitagawa等人在前人研究工作的基础上，通过X射线衍射和透射电镜、WAXS等对PBO纤维的结构进行表征，推断出PBO纤维的结晶结构模型，如图1-3所示。纤维呈皮芯结构，在约小于0.2m光滑的皮层下是由微纤构成的芯层，微纤是由沿着纤维方向以高度取向的PBO分子组成的，微纤的直径在1050nm，微纤之间是毛细管状的微孔，微孔通过裂缝或微纤的开口连接起来。通常纤维的次级结构又含有微纤、小微纤和分子链三个层次。微纤由5m的大微纤到500的小微纤几条分子链结合在一起构成微纤，微纤间则由更弱的分子间力结合在一起构成纤维，因 30 西安工程大学毕业设计（论文）此PBO纤维比较容易微纤化。图1-3PBO纤维结构模型1.3 PBO纤维的应用PBO纤维优异的性能决定了它的应用领域十分广泛： (1)长丝可用于各种塑料和混凝土等的补强材料；弹道导弹和复合材料的增强组分；纤维光缆的受拉件和光缆的保护膜电；热线、耳机线等各种软线的增强纤维；绳索和缆绳等高拉力材料；高温过滤用耐热过滤材料；导弹和子弹的防护设备、防弹背心、防弹头盔和高性能航行服；网球、快艇、赛艇等体育器材；航空航天用材料等。 (2)短切纤维和浆粕可用于摩擦材料和密封垫片用补强纤维;各种树脂、塑料的增强材料等。 (3)纱线加工成织物可用于制作消防服以及炉前工作服、焊接工作服、处理熔融金属现场用的耐热工作服;防切伤的保护服、安全手套和安全鞋；赛车服、骑手服；各种运动服和活性运动装备；Carrace飞行员服；防割破装备等。 (4)短纤维织物主要用于铝材挤压加工等用的耐热缓冲垫毡；高温过滤用耐过滤材料；热防护皮带等。 PBO纤维虽然具有一系列优越的性能，但它与树脂基体的界面粘结性能很差，一般比芳纶还低。另外PBO的分子结构排列特点也决定了PBO的染色性能极差。这些缺点极大地限制了PBO纤维在高性能复合材料中的应用，因此需要对其进行表面处理，改善其与树脂基体的界面粘结性能和染色性能。1.4本论文研究的目的及意义PBO纤维是一种新型高强度、高模量的增强纤维材料，但因其表面光滑、表面活性低且呈极强的化学惰性。因此，限制了PBO纤维在高性能复合材料中的应用，也因其分子结构紧密，疏水性大，染色困难等，使其在服用性能有所限制。本课题主要研究低温等离子体和常见化学试剂处理对PBO纤维性能的影响。通过两种不同方法的改性后，对PBO纤维的性能进行分析并与改性之前PBO纤维性能对比找出更优的改性方法。通过对PBO纤维的表面处理，改善了PBO纤维的表面性能，使其染色性、粘结性等增强。 第2章 理论基础2.1 PBO纤维的性能2.1.1力学性能 PBO纤维具有近似极限拉伸强度和弹性模量这两个纤维基本性能，还有极好的抗水解性及耐化学性。另外，苯并唑类纤维有优秀的热稳定性，在适当的环境和一定时间内，可以在500以下使用。另外，PBO纤维具有良好的抗辐射性能，结构中的共扼体系使纤维表现出非线性光学现象。表2-1列举了PBO纤维的一些基本性能。表2-1 PBO纤维与其它纤维性能比较纤维品种断强/(N/tex)模量/GPa断裂伸长率/%密度/(g/cm-3)回潮率/%LOI/%裂解温度/钢纤维0.352001.47.800碳纤维2.052301.51.76高模量聚酯3.571103.50.97016.5150聚苯并咪唑（PBI）0.285.6301.401.541550Zylon HM3.72802.51.560.668650Zylon AS3.71803.51.54268650对位芳族 聚酰胺1.951092.41.454.529550 PBO纤维出色的抗拉性能是因为其大分子中刚性的苯环及杂环是几乎与链轴共轴的，在拉伸变形时，应变能直接因刚性对位键和环的变形而降低。完全结晶、完全取向、无限长链的PBO纤维的预测拉伸模量在730GPa，实际模量受晶区取向、分子链长及低序区的影响，报道实测的最高模量在470GPa左右。纤维的强度主要由共价键和主链堆砌密度决定，也受到分子量分布、分子链取向、链与链之间的次价键作用、纤维形态结构的不匀和各向异性及杂质和空隙的存在的影响，强度的提高必须通过多种途径来解决。PBO纤维的强度理论预测值为19GPa以上，实际只有5.6GPa左右，与理论值相差很大。实际上，很少有实际纤维的强度超过其理论值的一半。2.1.2 热性能 PBO纤维的耐热性极佳，热失重分析(TGA)表明，PBO纤维在空气中的分解温度为600，在1200时，有3wt.%的重量保持率。在氮气中，分解温度可到700，在1200，重量保持率还高达65wt.%。在371的空气中加热200h，重量保持率为78%，在200下空气气氛中处理1000小时，强度保持率为80%，在300下空气气氛中200小时仍有50%的强度和90%的模量保持率，其耐温性远高于Kevlar纤维。PBO纤维在其分解温度以下不会熔化，也不支持燃烧，它拥有很高的极限氧指数68%，而对位芳纶纤维为29%。有人对C-13标记的PBO聚合物进行了其高温下分解反应机理的研究，定量收集了其分解后的产物，包括二氧化碳、苯基氰、双腈基苯和少量的苯。其燃烧产生的烟雾中含有的有毒成分远低于芳纶纤维。2.1.3 其它性能 另外，PBO纤维还具有耐化学试剂性，除溶解于100%的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等强酸外，不溶于任何其他化学试剂。PBO纤维的吸湿性比芳纶差，PBO-AS的回潮率为2.0%，PBO-HM的回潮率为0.6%，而对位芳纶和间位芳纶的回潮率都为4.5%。PBO纤维耐日晒性能较差，暴露在紫外线中的时间越长，强度下降越多。特别是经过40h的日晒实验，芳纶的拉伸断裂强度值还可以稳定在原值的80%左右，而PBO纤维的拉伸断裂强度值仅为原来的37%。PBO纤维分子非常刚直且密实性高，染料难以向纤维内部扩散，所以染色性能差，一般只可用染料印花着色。2.2表面化学刻蚀 强质子酸如甲基磺酸、多聚磷酸等可以使PBO纤维分子链中的氮原子质子化，降低分子间的相互吸引力，减少分子间的相互作用能，因此可以溶解刻蚀PBO纤维表面层，甚至可使其暴露出微纤，从而增加纤维表面的粗糙度，达到改善纤维与树脂间的界面结合的目的。但是用强氧化性的强酸处理纤维会导致纤维力学强度降低，因此在提高纤维与树脂界面强度的同时，减少纤维本身力学性能的下降是酸处理法的关键所在，一般选用弱氧化性的强质子酸处理。 台湾长庚大学的G.M.Wu等人27用甲基磺酸和浓硝酸对PBO和Kevlar纤维表面进行了处理，结果发现，用60%的甲基磺酸处理PBO纤维36小时，其表面自由能增大了35%；用60%硝酸对PBO纤维处理同样的时间，表面自由能增大14%，但纤维力学强度下降也比较明显。因此在提高纤维与树脂间界面结合强度的同时，还应该考虑纤维本身力学性能下降的影响。2.3等离子体2.3.1等离子体的定义 等离子体是有别于固、液、气态物质三态之外的另一物质聚集态，被称为物质的第四态。它是部分离子化的气体，由高能电子、离子、自由基、激发态的气体原子和分子以及光量子组成的气态复合体。在此复合体中，电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在数值上是相等的，宏观上呈电中性，因而称为等离子体。2.3.2 等离子体的生成 将高能量作用于气体使气体电离，产生由高能电子、离子、自由基、激发态的气体原子和分子以及光量子组成的气态复合体，即等离子体。作用于气体的高能量可以是热能、电能、电磁辐射能、机械能等。生成等离子体的方法有多种，常用的方法主要有气体放电法、光电离和激光辐射电离法、射线辐照法和燃烧法等。其中，气体放电法是在电场作用下获得加速动能的带电粒子与气体分子碰撞，加之阴极二次电子发射等机制的作用，导致气体击穿放电而形成等离子体。高温等离子体(HTP)是由大气电弧、电火花或火焰产生的，是一种全部电离了的气体，离子和电子处于热平衡，温度高达万度，能量高达上万电子伏特，一般用于有毒物质(如多氯联苯)的分解和耐温无机材料(如TIN)的合成。而低温等离子体(LTP)是一种部分电离了的气体，气态的分子和离子的温度与环境相同，能量约为110eV，与分子间键能相近，因此，低温等离子体在材料表面改性、特种功能膜、金属蚀刻等多方面得到了广泛的应用。其中利用低压辉光电技术产生的低温等离子体是产生等离子体的常见方法。2.3.3低温等离子体表面改性的特点 与PBO纤维表面改性的其它方法相比，低温等离子体改性是一种干式工艺，省去了湿法化学处理工艺中所不可缺少的烘干、废水处理等工序。低温等离子体改性与材料表面的作用形式多，工艺的适用范围广，便于连续性自动化生产。低温等离子体改性具有以下特点:属干式工艺，无需进行废液和废气的处理，节省能源、污染小、降低成本、满足节能和环保的需要。作用时间短(几秒到几分钟)，效率高。对所处理的材料无严格要求，具有普适性。反应温度低;改性只发生在表面层(几个到几百个纳米)，因而不影响基体固有性能。工艺简单，操作较方便。2.3.4等离子体改性技术在纺织生产上的应用 低温等离子体技术在天然纤维和化学纤维改性中得到了广泛的应用，通过低温等离子体处理，可以引起纤维表面活性化，产生表面接枝等化学反应，在纤维表面引入极性基团，既可抑制纤维的受热分解，又可在纤维表面进行碰撞和刻蚀，使其获得良好的表面性能。第3章 实验部分3.1实验材料及仪器3.1.1实验材料主要材料：PBO短纤（日本Toyobo公司制造）主要化学药品及仪器名称、级别、产地如表3-1、表3-2所示。表3-1 实验原料名称级别生产厂家30%双氧水分析纯郑州派尼化学试剂厂氢氧化钠分析纯天津市化学试剂二厂保险粉分析纯天津市化学试剂二厂98%硫酸分析纯天津市耀化试剂有限公司37%盐酸分析纯西安三浦化学试剂有限公司66%硝酸分析纯西安三浦化学试剂有限公司无水乙醇分析纯西安三浦化学试剂有限公司丙三醇分析纯西安三浦化学试剂有限公司火棉胶分析纯天津市化学试剂二厂溴化钾分析纯天津市化学试剂二厂表3-2 实验仪器名称 型号 生产厂家低温等离子体处理仪 omega DT-02 苏州市奥普斯科技有限公司 电子单纤强力仪 YG001N 南通宏大 扫描电子显微镜 KYKY-2800 中科科仪技术发展有限公司 哈氏切片器 Y172 南通宏大 数码显微镜 DMB5 杭州欧尔柏维科技有限公司傅里叶变换红外光谱仪 FTIR-7600 安合盟科技发展有限公司 名称 型号 生产厂家 压片机 DF-4 天津港东科技发展有限公司 红外线干燥箱 GJ-1 上海实验仪器厂 玛瑙研钵 黑山县环宇玛瑙厂3.2常见试剂对PBO纤维的表面处理3.2.1实验准备 将PBO纤维用无水乙醇浸泡24小时后用蒸馏水清洗，室温干燥备用。配制40g/L氢氧化钠溶液、40g/L保险粉溶液、37%双氧水、40%硫酸溶液、40%硝酸溶液、40%盐酸溶液、硝基盐酸（现配现用）。3.2.2处理方法本文采用的处理试剂主要有：40g/L氢氧化钠溶液、40g/L保险粉溶液、30%双氧水、硝基盐酸、40%硝酸溶液、37%盐酸溶液、40%硫酸溶液；研究的处理参数：处理时间对效果的影响。实验条件：由于硝酸、硫酸等是强酸，所以所有的处理试样将于通风橱中密封处理，并保持在室温条件下。处理参数如表3-3。表3-3 常见试剂对PBO纤维处理的实验参数处理方法 处理时间（h)40g/L氢氧化钠40g/L保险粉30%双氧水40%硫酸37%盐酸40%硝酸硝基盐酸11124242424333484848485557272727277796969696141414168168120120242424240240144144487848336336168168727272360360192168168168384384216 所有样品经常见试剂处理后立即放入干净密封袋中保存以防止样品表面受到污染。3.3低温等离子体对PBO纤维的表面处理3.3.1试样准备将PBO纤维用无水乙醇浸泡24小时后用蒸馏水清洗，干燥备用。在清洗干净的载玻片两头贴上双面胶，将清洗干燥后的PBO纤维束固定于双面胶上，以防PBO纤维在处理时飞散。3.3.2处理方法所用仪器为苏州市奥普斯等离子体科技有限公司生产的omega DT-02低温等离子体处理仪。低温等离子体处理仪处理时调节自动计时器至所需量值，然后把准备好的试样置于处理室中处理，处理气体为空气。由于仪器本身性质以及处理效果要求，纤维处理功率应小于300W，仪器工作时间不宜过长。本文研究等离子体处理参数：时间、功率对处理效果的影响。表3-4为等离子体处理的实验参数。表3-4等离子体处理PBO纤维的实验参数处理功率（W)处理时间（min）100150200230265285111111555555777777999999101010101010111111111111151515151515171717171717 所有样品经等离子体处理后立即放入干净密封袋中保存以防止样品表面受到污染。储存以备后续实验。3.4性能测试3.4.1单纤维拉伸测试 纤维测试：用YG001N型单丝强力测其强度，拉伸速度为50mm/min。 拉伸强度=4P/d2 P为载荷断裂伸长率（%）=l/l0 l0是纤维的原始长度，l是伸长量测试试样：PBO原样及所有处理试样测试方法：每组试样的单纤维拉伸试样设置在30根以及以上，测量之后对其筛选再求平均值。注：本课题所有的性能测试以PBO纤维原样作为空白对比，即在每项性能测试中都会对PBO纤维原样进行测试。3.4.2 SEM观察纤维表面测试：将导电胶剪成不同形状贴于试样台上，然后再剪取5mm左右的纤维样品，取其中一部分（100根左右）尽量分散、平整的铺在导电胶条上，采用离子溅射对其进行喷金导电处理后放到扫描电镜上观察。测试试样：单纤强度测试后，对所有处理试样的断裂强度结果进行分析。对于常见试剂处理的试样，根据分析结果选择处理时间长但断裂强度保持率高和强度损伤较大的处理试样进行SEM观察；对于等离子体处理的试样，根据结果初步分析出最佳的处理功率和时间，并对此条件处理的试样进行SEM观察。当然PBO原样也必须进行测试。3.4.3 显微镜观察纤维横截面1. 制作纤维切片 试验仪器：Y172型纤维切片器 Y172型纤维切片器的主要技术指标如下： 切片面积：30.8mm 最小切片厚度：20m 体积：82mm27mm25mm 重量：0.5Kg Y172型纤维切片器的结构图如图3-5。2.显微镜观察纤维横截面用镊子夹取切割良好的切片制成样品后用显微镜观察。测试试样：PBO纤维原样及在SEM观察时筛选的处理试样。 图3-5 Y172型纤维切片器 1-定位钉帽2-匀给架支柱 3-匀给架 4-匀给指示 5-匀给螺丝 6-匀给刀 7-嵌样槽 8-右底板 9-导向架 10-左底板3.4.4 IR分析测试实验仪器:FTIR-7600型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片法)测定纤维官能团的 变化；实验条件:试样2mg，KBr100mg进行压片；扫描次数128次/min，分辨率4cm-1；数据处理专用软件：红外专用软件OMnC6.O；测试试样：PBO纤维原样及230W、10min条件下等离子体处理的PBO试样第4章 结果与讨论4.1 常见试剂处理对PBO力学性能的影响4.1.1 碱、还原剂、氧化剂对PBO力学性能的影响 改变处理时间，用40g/L氢氧化钠溶液，40g/L保险粉溶液，30%双氧水对PBO纤维进行处理，处理后PBO纤维断裂强度变化如图4-1。注：未经过化学处理的PBO纤维原样平均断裂强度为37.0cN/dtex，后面的讨论中，PBO纤维原样的断裂强度均相同。图4-1处理时间-断裂强度关系图 由图4-1可以看出：40g/L氢氧化钠溶液，40g/L保险粉溶液，30%双氧水处理PBO纤维7天后试样的断裂强度基本保持在36.4837.01cN/dtex，断裂强度保持率在98%左右，变化非常小。由此看来，氢氧化钠、保险粉、双氧水对PBO纤维的断裂强度影响很小，几乎没什么影响。原因可能是:PBO纤维大分子属于线性结构，大分子链沿纤维轴向呈几乎完全取向排列，具有极高的取向度，分子链间作用力很大，分子链过于刚硬，氢氧化钠、保险粉、双氧水很难对这种刚性的分子链造成破坏，所以处理之后PBO纤维强度变化很小。4.1.2 几种强酸对PBO力学性能的影响改变处理时间，用37%盐酸、40%硫酸、40%硝酸、硝基盐酸对PBO纤维进行处理，处理后PBO纤维断裂强度变化如图4-2所示。图4-2中可以看出：几种强酸对PBO纤维的断裂强度影响都很大。37%盐 图4-2 处理时间-断裂强度关系图酸和40%硫酸处理PBO纤维两周后，纤维断裂强度为0，40%硝酸在处理PBO纤维第5天时纤维断裂强度为0，而硝基盐酸在处理第4天时纤维断裂强度就为0。变化程度依次是，40%盐酸40%硫酸40%硝酸硝基盐酸。由此可以看出，强酸对PBO纤维断裂强度影响很大，并且随着酸性强度的增大，断裂强度下降得更多。原因可能是：PBO分子结构中的C=N具有吸附强酸质子的可能。强酸溶剂小分子深入到大PBO大分子中，从外层开始逐渐向内部深入，PBO大分子链排列不再规整，大分子链变得柔软，大分子间的物理结合力逐渐被大分子与溶剂间的结合力取代。随着酸强度的增大和处理时间的延长，大分子间的结合力最终被完全取代，纤维的断裂强度完全消失。4.2低温等离子体处理对PBO纤维的影响4.2.1低温等离子体处理对PBO纤维力学性能的影响 低温等离子体不同时间不同功率处理PBO纤维后断裂强度的结果如表4-3。 从表4-3可以看出：处理后纤维断裂强度的最大值与最小值分37.09cN/dtex和32.62cN/dtex，断裂强度保持在88%以上。所以低温等离子处理PBO纤维断裂强度有变化，但是变化不是很大，对纤维强度损伤不大。原因是：等离子体表面处理的的作用深度仅为表面极薄的一层，一般在离表面50100nm的表面发生物理或化学变化，因而能使纤维的本体性能不受影响。这正是低温等离子体处理的独特之处。表4-3等离子体处理后PBO的断裂强度处理时间(min) 处理功率(W)150200230265285 断裂强度(cN/dtex)137.0137.0936.9636.7236.85536.9536.9335.9435.4335.67736.9236.5435.2634.9934.73936.9036.1033.7733.8933.631036.8135.9433.3132.9033.621136.7935.9333.2932.7932.831536.8035.7833.8033.0132.631736.6035.9033.2133.6532.70注：PBO纤维原样的断裂强度为37cN/dtex。注：在以后对SEM观察测试结果讨论后，将会结合此结果一起讨论低温等离子体对PBO纤维性能的影响。对于时间和功率对PBO纤维断裂强度的影响将在后文中分开讨论。4.2.2 处理功率对PBO纤维力学性能的影响 PBO纤维原样的平均断裂强度为37cN/dtex。 用低温等离子体处理PBO纤维时，功率和时间是对其效果影响的主要因素。不同功率处理后PBO纤维断裂强度的变化趋势如图4-4。 如图4-4可以看出：在处理功率为150W时，随着处理时间的变化，纤维断裂强度几乎没有什么变化。200W时，纤维的断裂强度随时间有所下降，但是变化很小，最小值为35.78cN/dtex。230W时，纤维断裂强度变化增大，之后随功率增大，纤维断裂强度变化趋势基本保持一致，断裂强度大小变化不大。所以低温等离子体处理PBO纤维的最佳功率为230W。此外，分析随处理时间变化断裂强度出现图中变化趋势的原因。当功率为150W时，随时间变化断裂强度变化很小。原因是：等离子体的生成需要一定功 图4-4处理时间-断裂强度关系图率，而150W的功率还没有达到它生成的条件，所以此功率下的断裂强度变化很小。而随着功率的增大，等离子体开始生成，对纤维表面进行刻蚀，使纤维的分子链段遭到破坏，分子间作用力下降，断裂强度也降低。但是当功率足够大时，低温等离子体对纤维表面的刻蚀达到饱和，断裂强度的变化也很小。而在230W时，随时间增长断裂强度出现增长趋势，可能是因为等离子体处理产生的新键极性要比原来强，从而增加了纤维分子间的吸引力而导致断裂强度的增大。4.2.3 处理时间对PBO纤维力学性能的影响 不同时间处理后PBO纤维断裂强度的变化趋势如图4-5。图4-5处理功率-断裂强度关系图如图4-5可以看出：当处理功率小于200W，大于230W时，随处理时间变化，PBO纤维断裂强度变化基本处于平直状态，没有什么变化。当处理功率在200230W时，处理时间为7min，纤维的断裂强度变化表较小；处理时间为10min时，纤维断裂强度变化变大，但是随着时间继续延长，断裂强度几乎不再变化。所以当处理时间到10min时继续延长处理时间也没有什么必要了。所以低温等离子体处理PBO纤维的最佳处理时间为10min。 此外分析图中曲线的走势，当处理时间为7min时，纤维断裂强度变化比较小，随时间延长，断裂强度下降趋势变大，而后再延长时间断裂强度发生变化很小。原因是：当时间太短时，气体氧化而产生的离子量少，对纤维表面的刻蚀程度也小，断裂强度变化较小；随时间延长，气体氧化产生的离子量增多，纤维表面刻蚀程度增大，断裂强度变化大；但当纤维表面刻达到饱和时，随时间延长，断裂强度的变化就很小了。 综上所述，低温等离子体处理PBO纤维对其强度损伤不大；处理的最佳功率为230W，最佳时间为10min。小结：通过单纤维拉伸测试结果的分析与讨论，可以得出，氢氧化钠、保险粉、氧化剂对PBO纤维的力学性能影响几乎没什么影响，强质子酸对PBO纤维的力学性能影响很大，低温等离子处理对PBO纤维力学性能影响很小，但比氢氧化钠、保险粉、氧化剂要大。最后得出PBO纤维处理的最佳功率和时间，分别是230W、10min。4.3 等离子体处理PBO纤维的SEM表征 化学试剂及等离子体处理后的PBO纤维，在SEM照射下的表面形态如图4.6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示 （a）PBO原样 (b) 40g/L氢氧化钠（7天） (C)40g/L保险粉 （7天） (d)37%双氧水（7天） (e)硝基盐酸处理 (