聚苯硫醚杂化纤维的高温膨胀炭化作用机制及其成形过程的构效关系

Polyphenylene sulfide (PPS) fiber is a kind of high performance fibers with excellent heat resistance, flame-retardant and chemical resistance, can be used in the thermal protection under the extreme conditions. To solve the key scientific problem of lightweight PPS protective fabric in preventing instantaneous thermal longitudinal penetration, the methods of organic-inorganic hybrid system building, fiber forming, and fabrics designing will be used in this project for the preparation of high thermal protective fabric, with the properties of expansion-carbonization in instantaneous high temperature and high efficient heat barrier. First, graphene (G) and flame retardant (FR) will be used to construct the system of PPS hybridization. The effects of G conjugation with PPS benzene ring and its blocking/quenching of free radicals and singlet oxygen on the crosslinking and carbonization behavior in matrix combustion were studied. Secondly, the rheological behavior and spinning kinetics of the hybrid system will be studied, and a new method to study the spinnability of hybrid fibers will be developed. The heat, mass and momentum transferring in the process of fiber forming will be regulated to revealing the internal connection between the functional unit, condensed state structure and the mechanical properties of fibers. The development of this project is of great significance to the development of protective fibers for extreme environment.

聚苯硫醚(PPS)纤维是一种具有优异耐热、阻燃、耐化学腐蚀性的高性能纤维，可用于极端环境下的热防护织物。为解决轻薄化PPS防护织物阻隔热量纵向渗透的关键科学问题，项目拟采用有机-无机杂化体系构筑及其纤维成形、面料设计方法，制备一种兼具瞬时高温下膨胀炭化、高效阻隔热渗透功能和高舒适度的热防护织物。首先，利用石墨烯(G)、阻燃剂(FR)组装构筑PPS杂化体系；研究G与PPS苯环的共轭作用及其自由基和单线态氧的阻隔/猝灭性能对基体燃烧中交联-炭化行为的影响；揭示杂化材料中FR高温升华分解对PPS杂化体系燃烧中发泡-膨胀和交联-炭化行为的影响规律。其次，研究杂化体系的流变行为和纺丝动力学，建立杂化体系纤维可纺性研究新方法；调控纤维成形过程中的传热、传质、传动，揭示功能单元、凝聚态结构与纤维力学性能的内在联系。本项目的开展，对推动极端环境用防护纤维的发展具有重要意义。

聚苯硫醚(PPS)纤维具有优异的耐高温、耐化学腐蚀、阻燃等综合性能的高性能纤维，是一种可熔融加工的市场化产品，可用于高温滤袋、阻燃防护、国防军工等领域。但是，在使用过程中，PPS纤维光稳定性差、燃烧热/烟释放量大、力学性能有待提高，仅在高温滤袋领域得到应用。针对PPS材料的固有缺陷，本项目纳米复合改性采用纳米复合改性和熔融纺丝的方法制备了PPS纳米复合纤维。基于纳米材料的异相成核、自由基/激发态电子猝灭、物理阻隔和高温催化交联及协同作用，抑制了PPS纳米复合纤维的光氧化降解和燃烧降解行为，获得了系列断裂强度高、光稳定性好、热/烟释放量小的PPS纳米复合材料及其纤维。一、基于多壁碳纳米管（MWCNTs）的激发态电子猝灭性能，及其与PPS分子链的强相互作用引起的激发光蓝移行为，显著增强PPS纤维的光稳定性。PPS/MWCNTs纳米复合纤维的力学强度保持率由57.8%提高至77.3%。二、基于MWCNTs和石墨烯（Graphene）的物理阻隔和活性自由基猝灭性能，促使PPS材料在燃烧过程中形成致密化炭层结构，阻隔空气、热量、活性自由基的纵向渗透，抑制PPS纳米复合材料的燃烧行为。并基于碳纳米材料的异相成核和物理交联作用，提高了PPS纤维的力学性能。PPS纤维的最高断裂强度为4.20cN/dtex，PPS/MWCNTs-0.3纤维的断裂强度提高至4.62cN/dtex，PPS/G-0.1纤维的断裂强度提高至4.43cN/dtex。三、基于纳米Fe2O3的高温催化和Graphene物理阻隔的协同作用，显著抑制了PPS纳米复合材料的燃烧行为。当含量为1wt%时，最大热释放速率峰值PHRR、总热释放量、总烟释放量最低，分别为22.3 kW/m2、11.3 MJ/m2、1.32 m2，远低于纯的PPS树脂(分别为100.41 kW/m2、28.42 MJ/m2、2.61m2)。四、基于PPS纳米复合纤维的加工成形特性和纳米材料增强阻燃性能机理，制备了PPS纳米纤维，并基于海岛聚苯硫醚(PPS)超薄纤维和玻璃纳米纤维(GNF)网络，合理设计并成功制备了柔性耐热多孔隔热膜，应用于锂离子电池隔膜领域。项目发表了论文4篇，（1篇Minor revision）。申请国家发明专利8项（其中，授权2项）。培养博士后1名，联合培养硕士2名，中级工程师1名。