分子链间作用对纤维结构与性能的影响

除化学组成外，为了提高聚合物纤维的机械性能，一般而言，在聚合物分子主链引入芳香类杂环结构从而提高分子链的刚性或引入额外的分子间作用力，例如，氢键作用、交联作用等，被认为是最有效的两种途径。这两种方法的有效性已经在商业化的高性能聚合物纤维中得到证实，例如，Kevlar、聚苯并噻唑纤维（PBT）、聚苯并咪唑纤维（PBI）和聚［2，5-二羟基-1，4-苯并吡啶并二咪唑］（PIPD）纤维等（图6-14）。以PIPD 纤维为 例［18］，PIPD 分子链的重复单元2，5-二羟基苯并环的两侧含有—OH 官能团，双咪唑吡啶环系的含有—NH 官能团，这使聚合物呈现二维结构；2，5-二羟基苯基上的羟基与相邻双咪唑吡啶环上的N 原子产生O—H…N 双向氢键，从单分子角度来说，形成了梯状结构，即分子内氢键。双咪唑吡啶上的两个 —NH 可以与相邻分子链上的O 原子形成N—H…O 氢键，即分子间氢键，分子链形成由氢键作用构筑的三斜、单斜的晶胞类型经热处理后的PIPD 纤维内部形成双向氢键网络结构，这种特殊的氢键网络结构能使刚性棒状的分子链间的作用力提高，最终使纤维的抗压强度高达1.7 GPa。同样，对于聚酰亚胺纤维而言，引入氢键或范德瓦耳斯力多层次作用已被证明是一种提高纤维力学性能行之有效的途径。

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图6-14　Kevlar 29、Kevlar 149、PIPD 和PBO 纤维的化学结构及氢键作用