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莊啟昕，袁明祥，藍榮濱，吳平平，韓哲文
（華東理工大學材料科學與工程學院 200237，上海）
PBO（聚亞苯基苯并二噁唑）是一類液晶高分子，由于其分子具有剛性棒狀和芳雜環結構的特點，因而顯示出高模量、高強度、高熱氧穩定性以及抗燃性[1][h1]。其力學特性、熱穩定性和環境穩定性高于芳香聚酰胺纖維Kevlar，因而被譽為纖維之王。
本實驗室自80年代初起一直致力于PBO類系列液晶高分子的研究，并取得了很好的結果[2][h2]。本文主要論述PBO聚合物溶液的紡絲過程。并就紡絲過程中干噴氣隙長度、紡絲速度以及紡絲孔孔徑對纖維性能的影響做了一些研究。
1．干噴氣隙長度對PBO纖維性能的影響
氣隙條件是PBO干噴濕紡工藝中很重要的部分。因此，保持恒定的紡絲壓力和溫度下，固定紡絲孔徑為0.6mm，紡絲速度為10mm/min，測定不同氣隙長度對纖維性能的影響，結果見圖(1)。可以看出在較低的紡絲速率和較大的紡絲直徑的單絲情況下，氣隙長度低于70厘米范圍內，隨著氣隙長度的增加，纖維直徑變小，強度和模量都增大。這是由于：（1）纖維冷卻和取向需要一定的時間，氣隙短，PBO分子來不及充分取向定型。纖維拉伸不夠充分就進入凝固浴成形，導致纖維直徑較大；（2）氣隙長，紡程中形變大，分子取向較高；（3）氣隙長，紡液長絲在空氣氣隙中冷卻充分，成形緩慢，內外結構均勻，因而性能也較好。當氣隙長度達到一定長度以后，纖維直徑變化不大。這可能是因為長絲經過一定長度的氣隙后，纖維表面已經基本冷卻，此時不會發生太大的拉伸，所以直徑變化不大。
2．紡絲速度對纖維性能得影響
在保持恒定的紡絲壓力和紡絲溫度下，固定紡絲孔徑為0.45mm，氣隙長度為68cm，在不同的紡絲速度下進行紡絲。所得結果見圖(2)。纖維的直徑隨著紡絲速度的提高而減小。這是因為隨著紡絲速度的提高，纖維拉伸比增大，紡液長絲的直徑減小，所承受的形變應力大幅度的提高，紡液長絲中的聚合物大分子鏈取向度增加，從而進一步加速了紡液長絲的細化過程。但是當增加到一定的程度后，纖維的強度和模量隨紡絲速度的增加反而稍有下降。這可能因為：當紡絲速度太快時，在空氣隙中冷卻的時間過短，長絲內部的溫度不能及時冷卻下來，而熱運動是解取向，使絲內部分子的取向程度還不夠高，從而導致纖維強度和模量的下降。降低力學性能。
3．紡絲孔口徑對纖維直徑的影響
在紡絲速度（10m/min）和氣隙長度（68cm）恒定的條件下，紡絲孔孔徑由0.6mm減小到0.45mm時，纖維直徑有明顯的減少，由60.82μm減少到35.16μm。而纖維的強度和模量都反比于直徑的二次方，其強度和模量有明顯的提高。所以在PBO的干噴濕紡工藝中，在工藝允許以及保證連續紡絲的前提下，要盡可能選用小孔徑的紡絲孔。
參考文獻：
1. Kitagawa T，Murse H，Yabuki K，Morphological Study on P-p-phenylene Polybenzobisoxazole(PBO) Fibers，J Polym Sci，Part B，Phys，1998，36:39
2. 吳平平，陸志豹，張 烯，韓哲文，功能高分子學報, 1992，5(1)，6-10
3. Shaofeng Ran，etc，Macromolecules，2002，35:433
4. 韓哲文, 陸志豹, 吳平平, 功能高分子學報, 1994, 7(3), 233-238
致謝
本工作得到國家科技部“863”計劃資助，課題編號：2002AA305109 |
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