21世纪超高性能之PBO高分子纤维材料.pdf

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：妖》ooc廿⋯一截卜◇双抽m。1世纪超高性能之PB0高分子纤维材料2Hi一陬hP即纤维特性PBo之化学反应及结构式PBo之TGA恒温扫描图第二十七卷第三期高斜丝纤维与应用刖rod有机高分子纤维材料，其热稳定性、可达600—700℃，热劣解活化能约在470I洲表l显示几种高性能纤维之特性比较。PBO藉由不同之热应力等定型处理，亦可获得不同规格之图l图2■碳纤碳布芳纶芳纶布混杂布蜂窝芯富阳特纤所057卜63372466■2002阜06月吴国梅(长庚大学化工与材料工程学系，台湾台北)近年来，高性能之高分子材料科学界正积极突破研究，推出超高性能聚对二恶唑苯(PBO)之R堙id比抗拉模数以及比抗拉强度，远优于现有之各式有机与无机纤维，甚受国际重视，可开发运用在高性能之高分子基复合材料中做为纤维强化材。由于系新材料与新应用领域，其复合材料相关之制程，结构、特性等原理亟待进一步研究，如纤维处理之方法与影响，纤维与不同基材之界面行为，复合材料破坏机构与各种应用特性等。PBo是由DjamjnoresorcinoI(DAR)与TerephthaIicacid(1'A)在poIyphosphoric(PPA)中．经过缩合聚合反应所形成，其化学反应及结构式如图1所示。于1970年代晚期由美国空军与史丹弗研究中心开始先期研究：随后于1980年代技术移转至美国Dowchemical公司继续此一材料之研发工作；目前纤维生产技术则是转移至日本东洋纺公司，并于1999年秋以zYLoN为名上1PBo纤维系采用dryjetspinnin窭湿式纺丝加工制成，其结构与特性甚受纺液浓瘦、加工剪切变率、凝结析出条件以及后续之应力和热定型处理等变因所影响。PBo系极耐高温之高分子，经适当凝结成型，实验结果显示其耐热温度mol，图2为典型之TGA恒温扫描图，圈3为各种高分子连续式升温扫描比较图。PBO密度为1．54一1．569／cm3，与Kevlar之1．459，cm’相近，As与HM纤维．由于PBo拥有硬直及高度之分子规则拌列性，因此它并不溶于一般的有机溶剂中，具有优稿潦说明：本文为本刊与台湾强化塑胶协进套《强化塑胶广用新知》交流转载．Fjber＆AppJjc丑tjon摘要：本文简介了PBo纤维的基本特性；简析了有关复合材料之界面现象；通过穿验，提出了化学表面处理对PBo纤维表面改质为之有效的方法．关键词：PBo纤雏：超高性能：复合材料界面中图分类号：T0342+．7：TB33文献标识码吾表面改质文章编号：1007-9815(2002)03．00l市。■收稿日期：2∞2-04·22：修正日期：2002．05-16V01．27．No．3JHn一2002wet享一喀时问(min)A5_04《o
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!竺!生兰堡堕堡殳堡!兰!2复合材料之界面现象图3各种高分子连续式升温扫描比较图表2PB0纤维之化学安定性高科擅纤维与应用第二十七卷异之化学安定性，如表2所示，故在进行表面改质处理时，我们选择以酸及碱作为处理药品，此外亦可采电浆与静电表面处理等方式，并针对几种不同表面处理法对于PBo高分子纤维之表面活性，以改善与热固性环氧树脂或热塑性高分子基材之界面特性，唯各种表面处理方法对纤维结构与机构性质之影响亦需明了，才能求取平衡。复合材料除了受其组成要件强化材与基材性质影响外，亦深受强化材与基材间之界面区域所影响，此项目近年己成国际学术界重要研究课题。由于强化材与基材分属于不同的相，故于两种材料之间产生一边界表面，近年研究亦有将其进一步区分为intcrface无厚度的界面，和interphase即指数nm—um之界面层。新观念显示高分子基材与强化材问之界面必须适度而非过化学药品PBo—HM度紧密结合，亦即走向Tailoredinterface，才能更符合工程用途之需求。虽然PBo纤维之机械及耐热性极佳，但其表面活性很差，为求改善与高分子基材闻之界面性质，必须研发适当之表面处理技术，其目的在于使纤维表面产生易与环氧树脂等基材产生化学键结的官能基，使树脂与纤维间因增加有效接触而强化界面，也藉着界面层与纤维之间的化学，物理相容性吸收震波，增加冲击能量的吸收艟力，使韧性增加。各种强化界面的方法虽然能收到纤维与树脂的层问剪廊力等机械性质增加的效果，但与纤维长轴成垂直方向的各种性质却可能减少。因此，如何同时增强纤维与树脂间的界面而不会损失其他性质，成为纤维补强材料共通的研究方向。纤维与树脂间的结合主要是靠两者界面的粘着。wake及其他学者(Deryagium．VoyutsJ‘jj，KjnIoch，等)由分子的结构、巨分子热力学及动“蜒-16-享VPBo～ASboundary
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3表面改质方法及结果液滴接触角示意图2．1吸附及润湿2．2扩散理论2．3静电理论2．4化学键结