CN114805799B - 一种pipd-swcnt共聚物的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种PIPD‑SWCNT共聚物的制备方法及应用,具体方案包括以下步骤:步骤一、对单壁碳纳米管进行羧基化得到羧基化的SWCNT;步骤二、在无氧反应体系中,将2,3,5,6‑四氨基吡啶盐酸盐逐步升温,抽真空脱除HCl;步骤三、加入五氧化二磷和2,5‑二羟基对苯二甲酸后逐步升温,每个温度区间保温6~36h,当升温至160~170℃,加入羧基化的SWCNT,升温至180~200℃反应结束,得到PIPD‑SWCNT共聚物溶液。本发明在SWCNT表面引入羧基,使SWCNT以第三单体通过共聚的方式均匀的键接到PIPD主链中,SWCNT在PIPD‑SWCNT共聚物主链中充当交联中心得到三维网状结构,PIPD‑SWCNT复合纤维的拉伸强度比纯PIPD纤维提升了60%‑80%。
Description
技术领域
本发明涉及一种由SWCNT作为第三单体参与的PIPD-SWCNT共聚物的制备方法及应用。
背景技术
PIPD(聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑])作为一种常以纤维态进行使用的高性能的芳香族杂环聚合物,是在聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)的基础上通过分子设计的方法得到的液晶态聚合物。其与PBO综合性能相近,并且由于主链两侧有极性基团使得PIPD弥补了PBO的一些性能缺陷,这使得PIPD在PBO纤维的使用环境下被寄予厚望。
PIPD的结构如下:
PIPD纤维保留了PBO纤维良好的拉伸强度和模量的同时,由于极性基团的引入,使得PIPD纤维的耐轴向压缩性能、耐紫外老化和耐扭转性能相比于PBO纤维有了非常好的改善。但由于PIPD单体容易氧化,且反应温度和时间不容易把控等原因,导致合成的PIPD分子量偏低,纺制的PIPD纤维并不能达到理想的拉伸强度,所以十分有必要对PIPD纤维进行改性。
单壁碳纳米管(SWCNT)本身就具有很高的强度,耐强酸强碱,高温下也可保证结构的完整,管壁容易进行化学修饰,而且单壁碳纳米管在聚合物的改性方面一直有不错的表现,所以将它用于PIPD纤维的改性。中国发明专利CN102516540B将单壁碳纳米管应用于PIPD聚合物的接枝改性,将PIPD的甲磺酸溶液与单壁碳纳米管的PPA溶液以直接混合的形式获得PIPD和SWCNT的聚合物溶液,该种方法只能将二者简单共混,而PIPD的大分子链早已在聚合反应之时形成,在溶解于甲磺酸之后会对其大分子链造成破坏,对PIPD聚合物本身不利,此时再与SWCNT混合,PIPD已断裂的大分子链很难重建,且SWCNT与PIPD之间很难形成牢固的化学键。所以,寻找一种既不破坏PIPD本身结构,又能使SWCNT与PIPD之间结合的更好的方法十分有必要。
发明内容
本发明的目的要解决现在PIPD纤维实际力学性能与理论力学性能差距较大的问题,而提供一种以SWCNT为第三单体参与的PIPD-SWCNT共聚物的制备方法
本发明的第二个目的是提供一种使用PIPD-SWCNT共聚物制备复合纤维的方法。
为了实现上述目的,本发明采取如下技术方案:
一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、对单壁碳纳米管进行羧基化处理得到羧基化的SWCNT;
步骤二、在无氧反应体系中,将2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐在搅拌的条件下按3~15℃/h的升温速率逐步升温,并在升温的过程中将反应体系抽真空,直至体系中的HCl完全脱除;
步骤三、将反应体系温度降低,在氮气气氛下,向反应体系中加入五氧化二磷并搅拌均匀,然后加入2,5-二羟基对苯二甲酸,搅拌均匀,以10~20℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温6~36h,当升温至160~170℃时,加入羧基化的SWCNT,最终升温至180~200℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。
进一步的,合成PIPD的单体2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐与2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为1:1~1.1,羧基化的SWCNT的加入量占PIPD的1-5wt%。
进一步的,步骤三中,加入五氧化二磷的量根据最终合成PIPD-SWCNT共聚物溶液的浓度为14%计算所得。
进一步的,步骤一的具体步骤如下:将SWCNT加入到发烟硫酸中,浸泡60~72h,然后置于冰盐浴中,缓慢加入浓硝酸,以保证混合液温度保持在0-5℃,超声分散2~3h,得到SWCNT和混合酸的悬浮液,在60~70℃下,搅拌反应2~3h,冷却至室温,使用冰冻去离子水稀释,用孔径为0.1-0.22μm的微孔滤膜过滤、并用去离子水连续洗涤过滤至滤液为中性,将最终收集到的SWCNT真空干燥至恒重,研磨得到羧基化的SWCNT,其中,发烟硫酸与浓硝酸体积比为3∶1,SWCNT与混合酸的质量体积比为1g:200ml。
进一步的,步骤二中,无氧体系的具体制备步骤为:首先将反应体系温度设置为50~70℃,向反应体系内加入101.56g多聚磷酸,并通入氮气;将多聚磷酸升温至100~150℃,将反应体系抽真空,保持真空搅拌3~6h,得到无氧反应体系。
进一步的,步骤二中,检测HCl是否完全脱除的方法为:向反应体系中冲入氮气,并将尾气通入AgNO3溶液中,待AgNO3溶液不产生白色沉淀为止。
进一步的,步骤三中,反应体系温度降低至30~60℃后再加入五氧化二磷。
进一步的,步骤三中,加入2,5-二羟基对苯二甲酸后,升温至90℃,保温6h,升温至100℃,保温6h,升温至110℃,保温6h,升温至120℃,保温12h,升温至130℃,保温12h,升温至140℃,保温6h,升温至150℃,保温6h,升温至160℃,加入羧基化的SWCNT,保温18h,升温至170℃,保温18h,升温至180℃,保温24h,反应结束。
一种所述的PIPD-SWCNT聚合物的应用,包括以下步骤:
步骤1、预热纺丝设备;
步骤2、将PIPD-SWCNT聚合物溶液转移至纺丝设备中,通过氮气施压使PIPD-SWCNT聚合物溶液细流挤出,再通过空气浴和水洗浴,在卷绕机落筒,对初生纤维多次水洗浸泡和干燥,最终得到PIPD-SWCNT复合纤维。
进一步的,纺丝设备预热至180~200℃;在施压之前,使PIPD-SWCNT聚合物溶液在180~200℃下保温30~60min;对初生纤维干燥的温度为60~80℃,时间为2~4h。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明用羧基化的SWCNT对PIPD进行原位共聚改性,从PIPD的单体聚合做起,在聚合的中后期引入羧基化的SWCNT,让SWCNT以第三单体的形式参与到PIPD的聚合中去,羧基化的SWCNT可以与单体TAP中的氨基结合形成酰胺键,让SWCNT以桥梁的形式连接不同的PIPD大分子链,在不破坏PIPD本身结构的情况下让SWCNT以化学键的形式引入到PIPD中,SWCNT充当交联中心得到了一定程度的三维网状结构,解决了现有技术存在的问题,获得了更好的改性效果。PIPD-SWCNT复合纤维的拉伸强度对比纯PIPD纤维提升了60%-80%。
附图说明
图1是实施例1制备得到的PIPD-SWCNT复合纤维表面的SEM图;
图2是实施例2制备得到的PIPD-SWCNT复合纤维断面的SEM图;
图3是实施例1制备得到的PIPD-SWCNT复合纤维的红外光谱图;
图4是SWCNT参与共聚前后PIPD-SWCNT复合纤维的拉伸强度柱状图;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。本发明所用化学试剂均为分析纯。
具体实施方式一
一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
步骤一、SWCNT的羧基化处理:①首先对单壁碳纳米管作预处理:即在300~500℃下加热2~4h,以除去单壁碳纳米管上的无定形碳、碳纳米颗粒及碳纤维。②取预处理后的SWCNT加入到盛有20%发烟硫酸的烧杯中,浸泡60~72h。③将烧杯置于冰盐浴中,缓慢加入浓硝酸(发烟硫酸与浓硝酸体积比为3∶1,SWCNT与混合酸的质量体积比例为1g:200ml),保持混合液温度在0-5℃。④超声分散2~3h,得到SWCNT和混合酸的悬浮液。⑤在60~70℃下,搅拌反应2~3h。⑥冷却至室温,用3倍以上体积的冰冻去离子水稀释。用孔径为0.1-0.22μm的微孔滤膜过滤、并用去离子水连续洗涤过滤至少4次至滤液为中性。⑦将最终收集到的SWCNT在真空干燥烘箱中干燥至恒重。最后用玛瑙研钵研磨得到羧基化的SWCNT粉末(SWCNT-COOH)。
步骤二、无氧反应体系的制备:①首先将反应体系温度设置为50~70℃,向体系内加入101.56g的多聚磷酸,向反应体系内通入氮气以减少空气的引入;②将多聚磷酸升温至100~150℃,将反应体系抽真空,升高搅拌速度至80r/min~300r/min除去体系内溶解的氧气,保持真空搅拌3~6h得到无氧反应体系。③在高纯氮气的保护下将2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐加入到室温的无氧反应体系中,按3~15℃/h的升温速率和搅拌速度为50r/min~200r/min的条件下逐步升温至70~100℃,并在升温搅拌过程中将反应体系抽真空;④以固定时间向反应体系中冲入高纯氮气,并将尾气通入AgNO3溶液中,待AgNO3溶液不产生白色沉淀后将体系降温至室温,不断通高纯氮气进行保护。
步骤三、共聚物的合成:①在反应体系温度降低至30~60℃后,将P2O5在高纯氮气的保护下迅速加入到反应体系中,搅拌均匀;②在高纯氮气的保护下向反应体系中加入第二单体2,5-二羟基对苯二甲酸,搅拌均匀;③以10~20℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温6~36h,其中在160~170℃时,在高纯氮气保护下加入羧基化的SWCNT,最终逐步升温至180~200℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。
进一步的,合成PIPD的单体2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐与2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为1:1~1.1,羧基化的SWCNT的加入量占PIPD的1-5wt%。
进一步的,步骤三中,加入五氧化二磷的量根据最终合成PIPD-SWCNT共聚物溶液的浓度为14%计算所得,加入五氧化二磷的目的是为了除去聚合反应中生成的水分,为了后续的聚合物的纺丝成型。
进一步的,步骤三③中,加入2,5-二羟基对苯二甲酸后,搅拌均匀,升温至90℃,保温6h,升温至100℃,保温6h,升温至110℃,保温6h,升温至120℃,保温12h,升温至130℃,保温12h,升温至140℃,保温6h,升温至150℃,保温6h,升温至160℃,加入羧基化的SWCNT,保温18h,升温至170℃,保温18h,升温至180℃,保温24h,反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。
具体实施方式二
一种具体实施方式一制备的PIPD-SWCNT聚合物的应用,包括以下步骤:①首先将纺丝设备预热至180~200℃;②将PIPD-SWCNT共聚物溶液转移至纺丝设备中,并继续180~200℃保温30~60min;③将缓冲罐充入氮气,使缓冲罐内的氮气压力达到1.5~2.5MPa,再用缓冲罐中的氮气加压至纺丝压力,聚合物在氮气压力的作用下从喷丝板的喷丝孔中挤出;④挤出的聚合物细流经过一段空气浴和水洗浴,最后在卷绕机上落筒,纺丝完成;⑤将步骤④得到的初生纤维用蒸馏水多次冲洗浸泡洗去多余的多聚磷酸,直至冲洗溶液为中性,然后在烘箱中60~80℃保持2~4h,得到PIPD-SWCNT复合纤维。
本发明的优点:一、SWCNT以第三单体通过共聚的方式均匀的键接到了PIPD主链中,SWCNT在PIPD-SWCNT共聚物主链中充当交联中心得到了一定程度的三维网状结构;二、PIPD-SWCNT复合纤维的拉伸强度对比纯PIPD纤维提升了60%-80%。本发明可获得SWCNT参与共聚的PIPD-SWCNT复合纤维。
具体实施方式三
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一①中对单壁碳纳米管作预处理,在350~450℃下加热3h,以除去单壁碳纳米管上的无定形碳、碳纳米颗粒及碳纤维。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一②中取预处理后的SWCNT加入到盛有20%发烟硫酸的烧杯中,浸泡60~65h。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤一④中超声分散2~2.5h,得到SWCNT和混合酸的悬浮液。⑤在60~65℃下,搅拌反应2~2.5h。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤二①中首先将反应体系温度设置为55~65℃,向体系内加入101.56g的多聚磷酸,向反应体系内通入氮气以减少空气的引入。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤二②中得到的无色透明粘流态液体多聚磷酸升温至120~140℃,将反应体系抽真空,升高搅拌速度至100r/min~250r/min除去体系内溶解的氧气,保持真空搅拌4~5h得到无氧反应体系。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤二③中首先在高纯氮气的保护下将2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸加入到室温的无氧反应体系中,按5~10℃/h的升温速率和搅拌速度为100r/min~150r/min的条件下逐步升温至80~100℃,并在升温搅拌过程中将反应体系抽真空。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式九
本实施方式与具体实施方式一不同点是:步骤三②中在高纯氮气的保护下向反应体系中加入第二单体2,5-二羟基对苯二甲酸,搅拌均匀,其中,2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐与2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为1:(1~1.05),。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤三③中以10~20℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温12~24h,其中在160~170℃时,在高纯氮气保护下加入羧基化的SWCNT,最终逐步升温至180~200℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一
本实施方式与具体实施方式一的不同点是:步骤三③中以10~15℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温12~24h,其中在160~165℃时,在高纯氮气保护下加入羧基化的SWCNT,最终逐步升温至180~200℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二
本实施方式与具体实施方式二的不同点是:将PIPD-SWCNT共聚物溶液转移至纺丝设备中,并继续190~200℃保温30~40min。其他步骤与具体实施方式二相同。
采用下述试验验证本发明效果:
实施例1
一种SWCNT参与共聚的PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,是按以下步骤完成的:
步骤一、SWCNT的羧基化处理:①首先对单壁碳纳米管作预处理。即在400℃下加热3h,以除去单壁碳纳米管上的无定形碳、碳纳米颗粒及碳纤维。②取预处理后的SWCNT加入到盛有20%发烟硫酸的烧杯中,浸泡60h。③将烧杯置于冰盐浴中,缓慢加入浓硝酸(发烟硫酸与浓硝酸体积比为300ml∶100ml,SWCNT的质量为2g),尽量保持混合液温度在0-5℃。④超声分散2h,得到SWCNT和混合酸的悬浮液。⑤在65℃下,搅拌反应2h。⑥冷却至室温,用3倍以上体积的冰冻去离子水稀释。用孔径为0.1μm的微孔滤膜过滤、并用去离子水连续洗涤过滤至少4次至滤液为中性。⑦将最终收集到的SWCNT在真空干燥烘箱中干燥至恒重。最后用玛瑙研钵研磨得到的羧基化的SWCNT-粉末(SWCNT-COOH)。
步骤二、无氧反应体系的制备:①首先将反应体系温度设置为50℃,向体系内加入101.56g的多聚磷酸,向反应体系内通入氮气以减少空气的引入;②将得到的无色透明粘流态液体多聚磷酸升温至120℃,将反应体系抽真空,升高搅拌速度至120r/min除去体系内溶解的氧气,保持真空搅拌4h得到无氧反应体系。③单体2,3,5,6-四氨基吡啶的活化:在高纯氮气的保护下将25g 2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐加入到室温的无氧反应体系中,按10℃/h的升温速率和搅拌速度为120r/min的条件下逐步升温至90℃,并在升温搅拌过程中将反应体系抽真空;④以固定时间向反应体系中冲入高纯氮气,并将尾气通入AgNO3溶液中,待AgNO3溶液不产生白色沉淀后将体系降温至室温,不断通高纯氮气进行保护。
步骤三、共聚物的合成:①在反应体系温度降低至50℃后,将42.76g P2O5在高纯氮气的保护下迅速加入到反应体系中,搅拌均匀;②在高纯氮气的保护下向反应体系中加入18.75g第二单体2,5-二羟基对苯二甲酸,搅拌均匀,③以10℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温18h,其中在160℃时,在高纯氮气保护下加入0.75g羧基化的SWCNT,最终逐步升温至180℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。
步骤四、PIPD-SWCNT复合纤维的制备:①首先将纺丝设备预热至180℃;②将PIPD-SWCNT共聚物溶液转移至纺丝设备中,并继续180℃保温40min;③将缓冲罐充入氮气,使缓冲罐内的氮气压力达到1.5MPa,再用缓冲罐中的氮气加压至纺丝压力,聚合物在氮气压力的作用下从喷丝板的喷丝孔中挤出;④挤出的聚合物细流经过一段空气浴和水洗浴,最后在卷绕机上落筒,纺丝完成;⑤将步骤四④得到的初生纤维用蒸馏水多次冲洗浸泡洗去多余的多聚磷酸,直至冲洗溶液为中性,然后在烘箱中70℃保持3h,得到PIPD-SWCNT复合纤维。
实施例2
一种SWCNT参与共聚的PIPD-SWCNT聚合物的制备方法是按以下步骤完成的:
步骤一、SWCNT的羧基化处理:①首先对单壁碳纳米管作预处理。即在500℃下加热2h,以除去单壁碳纳米管上的无定形碳、碳纳米颗粒及碳纤维。②取预处理后的SWCNT加入到盛有20%发烟硫酸的烧杯中,浸泡72h。③将烧杯置于冰盐浴中,缓慢加入浓硝酸(发烟硫酸与浓硝酸体积比为300ml∶100ml,SWCNT的质量为2g,),尽量保持混合液温度在0-5℃。④超声分散3h,得到SWCNT和混合酸的悬浮液。⑤在70℃下,搅拌反应3h。⑥冷却至室温,用3倍以上体积的冰冻去离子水稀释。用孔径为0.1μm的微孔滤膜过滤、并用去离子水连续洗涤过滤至少4次至滤液为中性。⑦将最终收集到的SWCNT在真空干燥烘箱中干燥至恒重。最后用玛瑙研钵研磨得到的羧基化的SWCNT粉末(SWCNT-COOH)。
步骤二、无氧反应体系的制备:①首先将反应体系温度设置为70℃,向体系内加入101.56g的多聚磷酸,向反应体系内通入氮气以减少空气的引入;②将得到的无色透明粘流态液体多聚磷酸升温至150℃,将反应体系抽真空,升高搅拌速度至180r/min除去体系内溶解的氧气,保持真空搅拌6h得到无氧反应体系。③单体2,3,5,6-四氨基吡啶的活化:在高纯氮气的保护下将25g 2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐加入到室温的无氧反应体系中,按15℃/h的升温速率和搅拌速度为180r/min的条件下逐步升温至90℃,并在升温搅拌过程中将反应体系抽真空;④以固定时间向反应体系中冲入高纯氮气,并将尾气通入AgNO3溶液中,待AgNO3溶液不产生白色沉淀后将体系降温至室温,不断通高纯氮气进行保护。
步骤三、共聚物的合成:①在反应体系温度降低至60℃后,将42.76g P2O5在高纯氮气的保护下迅速加入到反应体系中,搅拌均匀;②在高纯氮气的保护下向反应体系中加入18.75g第二单体2,5-二羟基对苯二甲酸,搅拌均匀;③以15℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温24h,其中在165℃时,在高纯氮气保护下加入1.24g羧基化的SWCNT,最终逐步升温至190℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。
步骤四、PIPD-SWCNT复合纤维的制备:①首先将纺丝设备预热至190℃;②将PIPD-SWCNT共聚物溶液转移至纺丝设备中,并继续190℃保温60min;③将缓冲罐充入氮气,使缓冲罐内的氮气压力达到2.5MPa,再用缓冲罐中的氮气加压至纺丝压力,聚合物在氮气压力的作用下从喷丝板的喷丝孔中挤出;④挤出的聚合物细流经过一段空气浴和水洗浴,最后在卷绕机上落筒,纺丝完成;⑤将步骤四④得到的初生纤维用蒸馏水多次冲洗浸泡洗去多余的多聚磷酸,直至冲洗溶液为中性,然后在烘箱中80℃保持4h,得到PIPD-SWCNT复合纤维。
使用扫描电镜对实施例1和实施例2制备得到的PIPD-SWCNT复合纤维进行微观形貌观察,如图1和图2所示,图1是实施例1制备得到的PIPD-SWCNT复合纤维的表面SEM图,图2是实施例2制备得到的PIPD-SWCNT复合纤维的断面SEM图。
从图1中可以看到所制得的PIPD-SWCNT纤维表面相对光滑,纤维中间部位可见微观沟槽,这可能是由于在多次水洗除去PPA的过程中,PIPD纤维体积收缩产生的,也有可能是喷丝孔不光滑,在喷丝过程中导致的划痕,总体来说,制备的纤维表面比较规整、紧密。
从图2中可以看到,PIPD-SWCNT复合纤维的断口较为整齐,分析认为SWCNT的添加使复合纤维的刚性变大,同时也就使纤维的脆性变大,所以断口更加整齐。在断口中同时观察到了皮层和芯层,皮层更加完整,皮-芯结构完好,这说明SWCNT的引入使得皮层和芯层之间的作用力提升,让皮层和芯层结合的更牢固。
对制备的PIPD-SWCNT共聚物进行了衰减全反射红外测试来表征其结构,进行了单丝拉伸强度的测试来表征其力学性能的变化。如图3和图4所示,图3为PIPD-SWCNT共聚物的红外光谱图,图4为PIPD-SWCNT复合纤维与纯PIPD纤维的拉伸强度对比柱状图。
从图3可以看出,谱图中明显出现了PIPD结构中的特征峰,2925cm-1处的峰认为是羟基与伯胺结合导致,3200-3300cm-1处的宽馒头峰认为是酚羟基间缔合以及分子间氢键作用导致,而在1636cm-1出现的特征峰对应了咪唑环的C=N伸缩振动峰而1490cm-1处的特征峰为咪唑环C-N和苯环重叠吸收峰,这两处特征峰证明样品中有咪唑环的出现。而1566cm-1处出现的吡啶环C=C及C=O伸缩振动峰证明了吡啶环的存在。1260cm-1及881cm-1处出现的特征峰对应了苯环结构上的C-O及C-H。1204cm-1及1082cm-1出现的特征峰经分析认为是吡啶环中的吡啶并咪唑环C-H面内震动及吡啶环C-O谱带,对比试验现象及文献认为是在反应过程中PIPD的第一单体2,3,5,6-四氨基吡啶出现一定程度的氧化反应不完全导致。PIPD-SWCNT共聚物与PIPD聚合物的红外谱图差别不大,仅在3420cm-1处的-OH伸缩振动峰强度较纯PIPD变大,这是因为SWCNT吸收了空气中的潮气,使得表面出现羟基,SWCNT加入到聚合从而将羟基一同带入,使得PIPD-SWCNT共聚物的羟基数量提升。总的来说,证明成功制备出了PIPD/SWCNT共聚物。
从图4中可以看出,SWCNT作为第三单体参与到PIPD主链的共聚过程后,拉伸强度比纯PIPD纤维提高了70%左右,说明SWCNT的引入对PIPD纤维力学性能的提升成效显著。
Claims (10)
1.一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、对单壁碳纳米管进行羧基化处理得到羧基化的SWCNT;
步骤二、在无氧反应体系中,将2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐在搅拌的条件下按3~15℃/h的升温速率逐步升温,并在升温的过程中将反应体系抽真空,直至体系中的HCl完全脱除;
步骤三、将反应体系温度降低,在氮气气氛下,向反应体系中加入五氧化二磷并搅拌均匀,然后加入2,5-二羟基对苯二甲酸,搅拌均匀,以10~20℃为升温梯度逐步升温,每个温度区间保温6~36h,当升温至160~170℃时,加入羧基化的SWCNT,最终升温至180~200℃反应结束,得到PIPD-SWCNT共聚物溶液。
2.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:合成PIPD的单体2,3,5,6-四氨基吡啶盐酸盐与2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为1:1~1.1,羧基化的SWCNT的加入量占PIPD的1-5wt%。
3.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:步骤三中,加入五氧化二磷的量根据最终合成PIPD-SWCNT共聚物溶液的浓度为14%计算所得。
4.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:步骤一的具体步骤如下:将SWCNT加入到发烟硫酸中,浸泡60~72h,然后置于冰盐浴中,缓慢加入浓硝酸,以保证混合液温度保持在0-5℃,超声分散2~3h,得到SWCNT和混合酸的悬浮液,在60~70℃下,搅拌反应2~3h,冷却至室温,使用冰冻去离子水稀释,用孔径为0.1-0.22μm的微孔滤膜过滤、并用去离子水连续洗涤过滤至滤液为中性,将最终收集到的SWCNT真空干燥至恒重,研磨得到羧基化的SWCNT,其中,发烟硫酸与浓硝酸体积比为3∶1,SWCNT与混合酸的质量体积比为1g:200ml。
5.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:步骤二中,无氧体系的具体制备步骤为:首先将反应体系温度设置为50~70℃,向反应体系内加入101.56g多聚磷酸,并通入氮气;将多聚磷酸升温至100~150℃,将反应体系抽真空,保持真空搅拌3~6h,得到无氧反应体系。
6.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:步骤二中,检测HCl是否完全脱除的方法为:向反应体系中冲入氮气,并将尾气通入AgNO3溶液中,待AgNO3溶液不产生白色沉淀为止。
7.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:步骤三中,反应体系温度降低至30~60℃后再加入五氧化二磷。
8.根据权利要求1所述的一种PIPD-SWCNT聚合物的制备方法,其特征在于:步骤三中,加入2,5-二羟基对苯二甲酸后,升温至90℃,保温6h,升温至100℃,保温6h,升温至110℃,保温6h,升温至120℃,保温12h,升温至130℃,保温12h,升温至140℃,保温6h,升温至150℃,保温6h,升温至160℃,加入羧基化的SWCNT,保温18h,升温至170℃,保温18h,升温至180℃,保温24h,反应结束。
9.一种权利要求1-8任一权利要求所述的制备方法制备的PIPD-SWCNT聚合物的应用,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、预热纺丝设备;
步骤2、将PIPD-SWCNT聚合物溶液转移至纺丝设备中,通过氮气施压使PIPD-SWCNT聚合物溶液细流挤出,再通过空气浴和水洗浴,在卷绕机落筒,对初生纤维多次水洗浸泡和干燥,最终得到PIPD-SWCNT复合纤维。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于:纺丝设备预热至180~200℃;在施压之前,使PIPD-SWCNT聚合物溶液在180~200℃下保温30~60min;对初生纤维干燥的温度为60~80℃,时间为2~4h。
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