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PIPD纤维制备及性能研究

作　者: 黎菁菁
导　师: 宋元军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: PIPD TAP·3HCl·H2O DHTA 拉伸强度热稳定性界面剪切强度
分类号: TQ342
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文主要对高性能有机纤维聚2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑（PIPD，也称M5）的中间体和单体合成方法进行优化、摸索其聚合工艺、研究其性能，从而为我国PIPD纤维的规模化和工业化生产打下坚实基础。以经甲苯重结晶提纯后的2,6-二氨基吡啶（DAP）为原料，采用发烟硝酸/发烟硫酸体系一步法、硫酸盐再硝化两步法和KNO₃/浓硫酸体系一步法三种方法合成了中间体2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶（DADNP），并确定KNO₃/浓硫酸体系一步法为最佳硝化反应工艺。以自制W-2型Raney Ni为催化剂，通过催化加氢方法制得2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐（TAP3HCl H₂O）。通过先芳构化再水解的合成方法制得另外一种单体2,5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）。通过脱HCl方法，原位聚合得到PIPD聚合物，并采用干喷湿纺纺丝方法纺制出连续PIPD纤维。采用傅里叶红外光谱，氢核磁和碳核磁对中间体、两种单体结构进行了表征。经高效液相色谱测试硝化中间体DADNP粗产品纯度达到95.80%，经提纯的催化加氢产物TAP3HCl H₂O纯度达到99.71%，单体DHTA粗产品纯度达到99.89%。利用傅里叶红外光谱，激光拉曼光谱和X射线衍射对制得PIPD纤维结构进行了表征。利用扫描电镜和原子力显微镜对纤维表面形貌进行表征，结果表明所制得PIPD纤维直径在18-20μm之间，表面较光滑。利用乌氏粘度计经五点法测试得到PIPD聚合物特性粘度为19.50dL·g^-1，粘均相对分子质量为25570.51g·mol^-1。通过实验证明从19到25h，聚合时间越长，聚合物特性粘度和粘均相对分子质量越大。将PIPD纤维浸泡在多聚磷酸（PPA）中7天后测量其粘均相对分子质量，发现强质子酸仅使其分子量小幅度下降，证明所制得PIPD纤维在酸中有较好的稳定性。经测量，PIPD纤维的拉伸强度为1.99GPa，表明其具有良好的力学性能。动态接触角测试结果表明，所制PIPD纤维表面能为47.67mN·m^-1， PIPD/环氧E-51微复合材料的单丝拔出测试结果表明其界面剪切强度为59.37MPa，充分证明PIPD纤维与树脂具有很好的浸润性。在30-1000℃温度范围内，氮气和空气环境中的热重分析结果表明，PIPD纤维具有良好的热稳定性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-20
  1.1 课题的背景及研究目的和意义  8-11
  1.2 PIPD 国内外研究进展  11-19
    1.2.1 概述  11-12
    1.2.2 PIPD 单体制备方法研究现状  12-15
    1.2.3 PIPD 聚合和纺丝方法研究现状  15-17
    1.2.4 PIPD 纤维性能及应用  17-19
    1.2.5 PIPD 聚合和纺丝目前存在的问题  19
  1.3 课题来源和主要研究内容  19-20
第2章实验原料与实验方法  20-31
  2.1 实验药品和仪器设备  20-22
    2.1.1 实验药品  20-21
    2.1.2 主要仪器设备  21-22
  2.2 PIPD 单体合成  22-25
    2.2.1 DAP 提纯  22
    2.2.2 DADNP 合成  22-23
    2.2.3 TAP 3HCl H2O 合成  23-24
    2.2.4 DHTA 合成  24-25
  2.3 PIPD 聚合  25-26
  2.4 PIPD 纺丝  26
  2.5 产品分析与表征  26-31
    2.5.1 PIPD 中间体及单体表征  26-27
    2.5.2 PIPD 聚合物及纤维表征  27-31
第3章 PIPD 中间体及单体制备与表征  31-49
  3.1 中间体 DADNP 的制备与表征  31-42
    3.1.1 原料 DAP 提纯  31-33
    3.1.2 发烟硝酸/发烟硫酸体系一步法合成 DADNP  33-36
    3.1.3 硫酸盐再硝化两步法合成 DADNP  36-38
    3.1.4 KNO_3/浓硫酸体系一步法合成 DADNP  38-39
    3.1.5 DADNP 结构表征  39-41
    3.1.6 淬冷泡沫表征  41-42
  3.2 中间体 TAP 3HCL H_2O 制备与表征  42-45
  3.3 DHTA 制备与表征  45-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章 PIPD 纤维制备和表征  49-63
  4.1 PIPD 聚合及纺丝  49-50
  4.2 PIPD 结构及表面形貌表征  50-57
    4.2.1 PIPD 红外谱图分析  50
    4.2.2 PIPD 拉曼光谱分析  50-51
    4.2.3 PIPD 纤维聚集态结构  51-52
    4.2.4 PIPD 分子量表征  52-55
    4.2.5 PIPD 扫描电镜观察  55-56
    4.2.6 PIPD 原子力显微镜观察  56-57
  4.3 PIPD 性能研究  57-61
    4.3.1 PIPD 在酸中分子量变化  57-59
    4.3.2 PIPD 拉伸性能  59-60
    4.3.3 PIPD 表面能  60
    4.3.4 PIPD 界面剪切性能  60-61
    4.3.5 PIPD 的热稳定性  61
  4.4 本章小结  61-63
结论  63-64
参考文献  64-70
致谢  70

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