PPTA/MSA溶液性质及其成纤性能研究

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聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维是目前最受人们青睐和应用领域最广泛的高科技纤维之一,特殊的结构赋予了其耐高温、防火、耐化学腐蚀及高的力学性能和抗疲劳性能。PPTA纤维的主要产品有长短纤维和浆粕,在目前的工业化生产中,纤维和浆粕的制备都离不开浓硫酸。但是浓硫酸与 PPTA树脂混合时易造成树脂结团、降解,从而影响溶液的稳定性和均一性。并且用浓硫酸作为溶剂和凝固浴使用时,对设备及人体的危害较大。甲磺酸(MSA)是一种危害性远小于浓硫酸的溶剂,同样可以使PPTA树脂溶解。本文首次用MSA对PPTA树脂进行溶解,初步探究了PPTA/MSA溶液的性质及其成纤性能。  本文首先探究了PPTA与MSA的混合工艺及PPTA在MSA中的最大溶解度。通过偏光显微镜(POM)观察了PPTA树脂在MSA中的溶解规律,并与浓硫酸进行对比。通过比浓对数粘度随时间的变化研究了溶液浓度、树脂分子量、温度、溶解气氛对PPTA在MSA中稳定性的影响。通过差示扫描量热仪(DSC)、旋转粘度仪和自制相对粘度测试仪研究了温度和溶液浓度对 PPTA/MSA溶液表观粘度的影响。用红外吸收光谱仪(FTIR)和热失重分析仪(TG)分别研究了酸溶解对PPTA树脂结构和热性能造成的影响。结果表明:将MSA温度降至10℃,在迅速搅拌的条件下加入PPTA树脂,两者混合均匀,不产生结团现象;PPTA树脂在MSA中的最大溶解度达10%左右;PPTA树脂在MSA中溶解时先溶胀后溶解,并且在偏光显微镜(POM)下可观察到彩色条纹图案;PPTA溶解于 MSA后形成亮黄色透明溶液,溶液不具备液晶特性;溶液浓度较低时,PPTA在 MSA中的稳定性好于在浓硫酸中的稳定性;分子量大的树脂在MSA中的降解程度低、降解慢;温度大于80℃时,PPTA/MSA溶液的热稳定性急剧下降,氮气的保护可以提高树脂的热稳定性;经过 MSA溶解后的PPTA树脂发生一定程度的降解,但其结构和热性能无明显变化。  其次,用浓度为1~3%的PPTA/MSA溶液通过沉析法制备PPTA浆粕。通过偏光显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、自动比表面积分析仪比较了溶液浓度、凝固浴温度、处理方式对PPTA浆粕纤维表面形貌、尺寸和比表面积(SSA)的影响。用热失重分析仪(TG)分析了浆粕的热性能。结果表明:低浓度的溶液有利于制备长径比较高、比表面积较大的PPTA浆粕;相同浓度下,PPTA/MSA溶液制备的浆粕比PPTA/浓硫酸溶液制备浆粕的平均长度稍低,但是比表面积稍大;凝固液温度的提高,不利于浆粕平均长度的提高,但是有利于得到内部结构疏松的浆粕纤维,从而易于进一步原纤化得到较大的比表面积;直接通过抽滤洗涤、干燥的浆粕相互之间会发生粘结,导致氮吸附法测得比表面积偏小,快速挥发法有利于测得浆粕真实的比表面积。  然后,用8%的PPTA/MSA溶液进行湿法纺丝制备PPTA初生纤维。通过力学性能测试仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、声速取向测试仪测试比较了凝固浴浓度、喷丝头拉伸倍数、树脂分子量对PPTA初生纤维力学性能、表面形貌、取向度、结晶性能的影响。结果表明:凝固浴浓度的提高有利于PPTA初生纤维的取向和结晶,凝固浴浓度为40%时,所得初生纤维的表面形貌和性能最好;凝固浴浓度为30%时,PPTA初生纤维的最大湿拉伸倍数为6.6倍(喷丝头拉伸6倍,热水浴拉伸1倍),拉伸倍数越大,初生纤维的纤度越低,强度和模量越高,纤维的取向度和结晶度也越高。  最后,在350℃下,对初生PPTA纤维进行热拉伸处理。通过力学性能测试仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、声速取向测试仪、耐磨损强度测试仪探究了热拉伸倍数对PPTA纤维表面形貌、机械性能、取向度、结晶性能和耐磨损强度的影响。结果表明:随着热拉伸倍数的增大,纤维的取向度和结晶度先增大后降低。当热拉伸倍数为2倍时,所得PPTA纤维的综合性能较好。
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