基于纳米杂化碳材料的PBO多尺度增强体构筑及界面增强和抗紫外机理研究

Poly(p-phenylene benzobisoxazole) fiber is known as ‘super fiber of 21st century’ due to its ultrahigh strength, modulus, heat and fire resistance. However, its inert surface and poor ultraviolet (UV) resistance restrict the wide application. Sizing graphene oxide can alleviate these drawbacks without hurting fiber. But it is suffering from serious aggregation and low efficiency. In this project, we propose to efficiently prepare graphene oxide nanoribbon/carbon nanotube (GONR/CNT) hybrid by partially unzipping multiwalled CNTs, and realize its well dispersion on the fiber with the aid of ionic benzoxazole compound. Therefore, we could prepare multiscale reinforcement with excellent surface activity and UV resistance. On this basis, the relationship will be systematically studied between microstructure of multiscale reinforcement and interfacial properties of its composite. The execution of this project will open up a novel route to regulate the surface activity and UV resistance of high-performance fibers, making contribution to promote their application in aerospace.

聚苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维具有超高的强度、模量、耐热性和阻燃性，被誉为“21世纪的超级纤维”。然而，表面活性低和抗紫外(UV)性能差的缺陷，严重削弱了PBO纤维及其复合材料的安全性和耐久性。氧化石墨烯可同时改善这两大缺陷，但因极易团聚而改性效果欠佳。本项目拟通过径向可控剪切多壁碳纳米管(CNT)，制备高度分散的带状氧化石墨烯(GONR)/CNT杂化粒子，并在其中引入离子化的苯并噁唑化合物作为相容剂，通过上浆法高效制备高表面活性和耐UV辐照的GONR/CNT/PBO多尺度增强体。在此基础上，系统研究增强体表面微结构与其本体性能及复合材料界面性能之间的关系，阐明界面增强和抗UV机理。本项目的研究，将发展一种调控高性能纤维表面活性和抗UV性能的绿色、高效方法，对推动高性能纤维增强复合材料在航空航天等领域中的应用有重要意义。

聚苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维具有超高的强度、模量、耐热性和阻燃性，被誉为“21世纪的超级纤维”，在航空航天、轨道交通、高温生产及新能源等尖端领域有广阔的应用前景。然而，PBO纤维的表面活性较低，导致其与基体树脂的界面结合强度较弱。此外，PBO纤维的抗紫外性能较差，其在光照和潮湿的环境中性能将急剧恶化。这些不足严重限制了PBO纤维及其复合材料的实际应用。因此，PBO纤维的表面改性研究引起了国内外学者的广泛关注。.针对PBO纤维表面活性低和抗紫外性能差的问题，本研究设计和制备了含酰胺键的新型PBO纳米纤维，并通过上浆法将其涂覆至PBO纤维表面作为界面相容剂和活性过渡层，在此基础上进一步引入氧化石墨烯/碳纳米管纳米杂化粒子作为紫外吸收剂，高效构筑了高表面活性和耐紫外辐照的双层非对称界面相。改性后，PBO纤维复合材料的界面剪切强度得到大幅度提高（94%）。同时，PBO纤维的抗紫外老化性能也得到显著改善。紫外加速老化168h后，改性纤维的拉伸强度保持率提高了70%。而且，由于上浆处理条件温和，改性后的纤维仍能保持原有优异的力学性能和热性能。界面增强机理研究表明多尺度杂化界面相与PBO纤维有较好相容性，可有效提高纤维表面浸润性，并可与基体树脂形成机械互锁/化学键合，从而在界面破坏时吸收和耗散大量的能量，达到界面强化的效果。抗紫外机理研究表明纳米杂化碳材料和PBO纳米纤维之间的强氢键相互作用可较好维持多尺度界面相的结构稳定，从而在PBO纤维表面构筑起长效抗紫外屏障。本项目研究成果可为新型高表面活性和耐紫外辐射的有机高性能纤维的结构设计提供新思路，并为高性能纤维增强树脂基复合材料的界面性能调控与结构优化提供丰富的理论基础和技术支撑。