含嘧啶杂环聚酰亚胺纤维的微观形态
日期：2018-12-29 09:59
聚酰亚胺纤维的力学和应用性质依赖于聚酰亚胺分子链的超分子架构和形态,而超分子架构和形态受聚合物的化学组成、纤维制备过程及处理方法的影响。结晶结构已经在一些聚酰亚胺纤维中被观察到,结晶结构会影响聚酰亚胺纤维的微观形态,并与微观形态一起影响纤维的力学性能。如前所述,向聚酰亚胺中引入杂环结构,希望通过杂环结构调控高分子链间相互作用及高分子链的聚集态,进一步影响纤维表面和内部的微观形态,从而决定聚合物的力学性能,并由此途径获得高强高模的聚酰亚胺纤维。含嘧啶结构的二胺2,5-PRM的引入，是怎样影响了聚酰亚胺纤维的性能。从聚酰亚胺纤维的化学结构到性能之间,跨越了分子水平的聚集结构、纳米尺度的微观结构等,化学结构影响不同尺度的物理结构,并最终决定了纤维的力学性能。在聚酰亚胺纤维形态与性能关系方面,更为深入的研究不仅对于认识这种关系、揭示其卓越性质的起源有重要的科学价值,而且对于指导聚酰亚胺结构、纤维制备工艺、后期处理工艺设计都具有重要的意义。
鉴于这种认识,使用二胺pPDA和2,5-PRM或者其一与4,4′-氧双邻苯二都具有重要意义甲酸酐(醚二酐,ODPA)聚合并制备了均聚和共聚聚酰亚胺纤维(图4-7,PI-4P-5),其中共聚物两种二胺单体pPDA和2,5-PRM的比例为80:20、60:40、50:50和20:80,并利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对上述聚酰亚胺纤维内分子聚集结构和微观形态做了深入研究,建立了纤维微观形态与其化学结构之间的关系。该研究中用于纺丝的聚酰胺酸的特性黏度n值在2.8-3.2dL/g范围内,均聚聚酰亚胺PI-4纤维的拉伸强度、模量和断裂伸长率分别为1.0GPa,91GPa和1.2%,P1-5纤维的拉伸强度、模量和断裂伸长率分别为1.5GPa、118GPa和2.0%,共聚聚酰亚胺纤维(pPDA:2,5-PRM=50:50)的拉伸强度和模量显著提高,分别为3.0GPa和130GPa,断裂伸长率为3.3%。
图4-7 由ODPA于pPDA和2,5-PRM制备了均聚聚酰亚胺纤维和共聚聚酰亚胺纤维的化学结构
研究发现,均聚聚酰亚胺PI-4和PI-5纤维的表面微观形貌呈现出显的差异,这种差异也体现在由PPDA和2,5-PRM组成比例不同的共聚聚酰亚纤维上。PI-4纤维表面由大量的直径为30-60mm的微纤维组成,微纤维之间形成孔穴缺陷结构,孔穴结构宽度为30~200m,长度为0.1~2mm,短纤维表面还布满了球状颗粒,直径为30~100mm。以2,5-PRM为二胺单体的均聚聚酰亚胺PI-5纤维则表现出完全不同的纤维表面结构,该聚酰亚胺纤维表面呈直径30mm到几微米的纤维束结构,纤维束之间可以看到狭长的孔穴结构。对于pPDA和2,5-PRM组成比例为80:20的共聚聚酰亚胺纤维,与PI-4纤维相比,其微纤维结构更粗,直径为60-100mm,对于组成比例为60:40和50:50的共聚聚酰亚胺纤维,难于分辨出微纤结构,但是可以看到纤维表面为直径0.02-0.5mm的球状颗粒覆盖。
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