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1、·66·高分子通报2001年10月聚酰亚胺纤维112张清华,陈大俊,丁孟贤(11东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海200051;21中国科学院长春应用化学研究所高分子物理和化学国家重点实验室,长春130022)摘要:聚酰亚胺纤维具有高强度模、耐高温、耐辐射等优越的性能。在多种纺制聚酰亚胺纤维的方法中,湿纺容易制得高强高模的样品。本文主要介绍了聚酰亚胺纤维的一步法湿纺、二步法湿纺和熔融纺丝方法,并对纤维的性能进行了概述。关键词:聚酰亚胺;高性能纤维;高强;高模;纺丝工艺具有高强高模和耐高温性能的高性能聚合物纤维在过去的40年中得到了迅速的发展,在60年代末,杜邦公司发现了
2、芳香族聚酰胺的分子链是刚性的,导致了Kevlar纤维的研制和应用,之后,EastmanKodak,HoechstCelanese和其它的一些化工公司也加入了研制和生产Kevlar纤维的行[1～4][5,6]列。70年代中期以后,出现了高强芳香族聚甲亚胺(polyazomethine)纤维。而聚酰亚胺纤维作为高性能纤维的一个品种,已经出现了几十年的时间,但由于成本和技术的原因,该种纤维没有像Kevlar纤维发展的那么快,但到了90年代随着合成方法的改进和纺丝技术的进步使得聚酰亚胺纤维的研制工作又重新热起来,因为它的某些性能要优于其它高性能纤维。1聚酰亚胺纤维的特性聚酰亚胺纤维除
3、了具有高性能纤维高强高模的特点外,还具有聚酰亚胺材料所特有的许多优[7～14]越性能。111高强高模聚酰亚胺纤维具有高强高模的特性,据理论计算,由均苯二酐和对苯二胺合成的纤维的模量可达410GPa,仅次于碳纤维。聚酰亚胺纤维和一些商业化纤维性能列于表1中。表1Kevlar纤维和聚酰亚胺纤维的力学性能品种强度PGPa模量PGPa延伸率P%Kevlar2292.9673.5Kevlar2492.81252.4联苯型聚酰亚胺>3.0>150～118112热稳定性对于全芳香聚酰亚胺纤维进行热重分析表明,其开始分解温度一般在500℃左右。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺,热分解温度达
4、到600℃,是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。可在超音速航空和航天设备上安全地使用。作者简介:张清华(1970—),男,1999年获东华大学材料学博士学位,同年留校任教,现为副研究员,主要从事导电高分子材料和高性能纤维的研究。第5期高分子通报·67·113耐辐照性10聚酰亚胺纤维具有很高的耐辐照性能,实验表明,该纤维经1×10rad快电子照射后其强度保持率仍为90%,这是其它纤维无法比拟的,因此它是航空航天首选的材料之一,也是高温介质及放射性物质的过滤材料。114耐低温聚酰亚胺纤维可耐极低的温度,如在-269℃的液氦中仍不会脆裂,因此可用在低温环境的考察试验中。115良好
5、的介电性能芳香族聚酰亚胺纤维的介电常数为314左右,含氟的聚酰亚胺纤维其介电常数可降到215左-317右。介电损耗10,介电强度100～300KVPmm,体积电阻率为10Ω·cm。这些性能在宽广的温度和频率范围内仍能保持较高的水平。116生物相溶性聚酰亚胺纤维对生物无毒,可用在医用器械上,并经得起数千次消毒。一些品种聚酰亚胺具有很好的生物相容性,例如,在血液相容性试验中为非溶血性,体外细胞毒性试验为无毒等。117其它性能聚酰亚胺纤维为自熄性材料,发烟率低,由二苯酮四酸二酐(BTDA)和4,4′2二异氰酸二苯甲烷-5-7酯(MDI)合成并纺制的聚酰亚胺纤维的极限氧指数为38%。
6、热膨胀系数小,在10～10P℃数量级。另外,它对有机溶剂相对较为稳定等。2聚酰亚胺的合成简介O聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环(—N)的一类聚合物,其中以含有酞酰亚胺OO(—N)结构的聚合物尤为重要。它的合成方法可以分为两类,一类是在聚合过程中形成O聚酰亚胺环;另一类是以带酰亚胺环的单体缩聚来获得聚酰亚胺。比较经典的方法是第一类,其中用二酐和二胺反应是合成聚酰亚胺最普遍使用的方法。反应分两步进行,首先是生成聚酰胺酸的反应:OOCCOHO+H2N—R—CNHR—COO[8～11]第二步是酰亚胺化过程,从而生成带有酰亚胺结构的聚酰亚胺大分子:OOCCOH-H2ONRCNHR—COO
7、·68·高分子通报2001年10月酰亚胺化反应使聚合物的性质从聚酰胺酸到聚酰亚胺发生了根本性的变化。酰亚胺化可通过加热或化学的方法实现。热酰亚胺化是加热聚酰胺酸溶液或固态聚酰胺酸,使酰胺和处于邻位的羧基发生脱水环化反应,形成具有酰亚胺结构的聚合物。化学环化是聚酰胺酸在脱水剂的作用下发生酰亚胺化的过程。最常用的脱水剂为酸酐(如醋酸酐、三氟醋酸酐),并以叔胺(如三乙胺、吡啶)为催化剂。化学环化的优点是可以在室温下反应。化学酰亚胺化容易生成聚异酰亚胺N(O),但在加热脱溶剂时会转化为聚酰亚胺。O3湿法和干湿法
