氢键作用对PIPD纤维微纤化的影响机理及其控制方法研究

PIPD fiber, which has excellent mechanical properties and adhesive properties, is considered to be the fiber with the best overall performance. Generally, it is believed that hydrogen bonds play an important role in its excellent properties. However, the effects of hydrogen bonds on the mechanical properties is still unclear. In this study, hydrogen bonds of PIPD fiber will be studied in detail, as well as its effects on the compressive strength of PIPD fiber and control method. Ab Initio Calculation will be used to determine the hydrogen bond energy and to study the relationship of different hydrogen bonds. Characteristic FT-IR bands of every kind of hydrogen bonds will be obtained by analysis of semiempirical computational and experimental results, and the test method will be established. Importantly, the effects of hydrogen bonds between microfibrils on the compressive strength of PIPD fiber will be studied in detail. Differential Spectrum Method will be used to investigate the transformation of hydrogen bonds in heat treatment process. Water-polymer hydrogen bond energy will be determined by using ab Initial Calculation and the transformation of the water-polymer hydrogen bonds into intermolecular hydrogen bonds will be illustrated with Quantitative Method. At last, the quantitative relationship between hydrogen bonds of microfibril interface and compressive strength will be obtained, and the optimal heat treating process will be established.

PIPD纤维具有优异的力学性能与粘接性能，被认为是目前综合性能最好的纤维，普遍认为氢键结构发挥了重要的作用，但是目前人们对氢键的作用机理并不明确。本项目主要研究PIPD纤维内部氢键结构的表征手段、氢键结构对纤维抗压缩强度的影响机理及其控制方法。配合从头计算法的模拟计算，研究不同形态PIPD聚合物中各类氢键的关系，评估氢键能量，利用半经验的量化方法计算得到红外光谱，与实际光谱结果进行对比分析以确定PIPD纤维内各类氢键结构的红外特征谱带，建立氢键的表征方法。在此基础上，重点研究PIPD纤维内微纤界面氢键结构对纤维抗压缩性能的影响机制。采用差谱法研究微纤界面氢键结构在纤维热处理过程中的转变，结合从头计算法得到的水分子-纤维水合氢键能量结果，利用量化方法分析热处理过程中微纤界面氢键的演化机理。建立微纤界面的氢键组成与抗压缩性能的定量关系，确定最优的热处理工艺，实现PIPD纤维抗压缩性能的最优化。

PIPD纤维具有优异的力学性能与界面性能，被认为是目前综合性能最好的纤维，其中氢键结构发挥了重要的作用。该项目对PIPD纤维内部氢键结构进行了系统的研究，完成了项目预期目标并获得以下成果：.1）采用多种方法研究了PIPD纤维内部氢键结构的表征手段、氢键结构对纤维抗压缩强度的影响机理及其控制方法。为了配合差谱法表征，申请人在国际上首次以干喷-湿纺法制备的高性能聚合物原纤为原料，通过高温溶胀-超声剥离的方法制备出高品质和高性能的PIPD纳米纤维，该方法已经被证实对PIPD纤维、PBO纤维与超高分子量聚乙烯纤维有效，目前该技术已经申请国家发明专利2项。以PIPD长丝、PIPD纳米纤维及其模型化合物为基础，研究不同形态PIPD聚合物中各类氢键的关系，评估氢键能量，利用半经验的量化方法计算得到红外光谱，与实际光谱结果进行对比分析以确定PIPD纤维内各类氢键结构的红外特征谱带，建立了氢键的表征方法。.2）建立微纤界面的氢键组成与抗压缩性能的定量关系，通过热处理对PIPD纤维的氢键结构构筑进行了研究，实验表明热处理过程通过温度、张力及时间三个因素的共同作用改善纤维的性能。热处理过程几乎不改变纤维表面元素含量及官能团种类，仅通过纤维内水分子的移除改变分子内水分含量，从而改变分子极性及氢键含量，使红外光谱中特征吸收峰的尖锐程度发生变化。.3）利用热处理工艺研究了纤维抗压缩强度与氢键网络结构的关系，热处理过程增强纤维内部大分子的取向程度及增大晶粒尺寸。其晶粒尺寸提升范围达33.33%-37.32%，因此完善纤维内部结构，提高纤维的力学性能及界面粘接性能。热处理温度为480℃，处理时间600s、张力20g、最大拉伸强度达到4.53GPa，强度提高52.39%。通过热处理前后的光谱结果可以看出，氢键网络在热处理过程中逐步完善，抗压缩强度得到提升。通过表面形貌表征可见适宜的热处理条件使纤维表面变得光滑平整。其次，内部氢键结构的完善使纤维的热力学性能大幅度提升，最佳热处理温度时纤维耐热性最好，热失重分析测试中质量保持率最高，当加热到850℃时，质量保持率达到65.81%，相比于未处理纤维提高4.91%。.项目期间发表SCI论文4篇，授权中国专利1项，申请中国专利2项，参加国际会议并做分会报告1次，培养硕士生1名。.总体上讲，该项目完成所有指标，达到预期目标。