[发明专利]聚酰亚胺纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子纤维技术领域，尤其涉及一种聚酰亚胺纤维及其制备方法。

背景技术

聚酰亚胺纤维是一种新型特种纤维，指分子链中含有芳酰亚胺的纤维。聚酰亚胺纤维具有高强度、高模量、耐高温、阻燃、防辐射、耐化学腐蚀等优点，在原子能工业、空间环境、航空航天、国防建设、新型建筑、高速交通工具、海洋开发、体育器械、新能源、环境产业以及防护用具等领域具有良好的应用前景。

70年代，美国阿约翰公司的D.S.G在实验室研制成功了聚酰亚胺2080纤维，简称PIM2080，该纤维制造工艺简单，具有耐高温、电绝缘和抗辐射等性能。奥地利的Lenzing AG(即现在的Inspec Fibers)研发了P84纤维，P84纤维也是最早的商业化的聚酰亚胺纤维，该纤维由二苯酮四酸二酐(BTDA)、二异氰酸二苯甲烷酯(MDI)和二异氰酸甲苯酯(TDI)共聚形成，主要用作高温过滤和防护服，也可以用作密封材料和绝缘材料。法国的Phone-Poulence公司也推出了一种聚酰胺-聚酰亚胺纤维Kernel，型号为235AGF，该纤维的主要特点是不燃、不熔、不形成微粒、受热不收缩、机械力较强、耐酸和耐有机溶剂，可用作安全毯、座位防护罩、防护服和高温过滤材料等。这些纤维虽然均具有较好的耐高温性，但其力学性能均比较低，限制了其在其他领域的应用。

随着技术的进步，制备具有良好的耐高温性能和力学性能的聚酰亚胺成为现实。现有的聚酰亚胺纤维的制备方法主要包括一步法和两步法两种工艺。一步法是指采用聚酰亚胺溶液直接进行纺丝制备聚酰亚胺纤维，如申请号为02112048.X的中国专利文献、专利号为US4370290的美国专利文献和US5378420的美国专利文献公开的聚酰亚胺的制备方法均为一步法。一步法纺制的原丝无需再进行酰胺化，工艺流程短，得到的聚酰亚胺纤维力学性能高，但是这种方法要求聚酰亚胺聚合物具有可溶性，且所使用的溶剂一般为毒性较大的对氯苯酚等酚类溶剂，导致其制备成本非常高，不利于工业化应用，也降低了聚酰亚胺纤维的耐热性能和耐溶剂性能。两步法是先将二胺和二酐进行缩聚反应生成聚酰胺酸原液，然后进行纺丝，再将原丝进行亚胺化处理最后得到聚酰亚胺纤维，如专利号为JP3287815的日本专利文献和专利号为JP4018115的日本专利文献公开的聚酰亚胺的制备方法均为两步法。两步法制备的聚酰亚胺纤维具有良好的耐热性和耐溶剂性，同时由于合成原料来源广泛，适于工业化开发而获得了广泛的应用。但是，相对于一步法制备的聚酰亚胺纤维，两步法制备的聚酰亚胺纤维的力学性能相对较低。

聚酰亚胺纤维的力学性能除了与制备方法相关，也与原料，即二酐单体和二胺单体的结构特点有关。研究表明，在纤维大分子结构中引入苯并咪唑二胺链节能够极大的改善纤维的力学性能，如俄罗斯的杂环芳族聚酰胺纤维-Armos纤维的强度高达4.0GPa～5.5GPa，模量高达130GPa～160GPa，Rusar纤维的强度高达6GPa。申请号为200710050651.1的中国专利文献也公开了一种含苯并咪唑结构的聚酰亚胺纤维，以2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑和二酐为原料发生聚合反应制得聚酰胺酸纺丝原液，将所述聚酰胺酸纺丝原液按湿法或干/湿纺丝工艺纺丝后，再将得到的聚酰胺酸原丝采用热酰亚胺化工艺进行酰亚胺化，得到的含苯并咪唑结构的聚酰亚胺纤维的力学性能有所提高，其初始模量可达45.2GPa～220GPa，但是其纤维断裂强度，即纤维断裂强度仅为0.73GPa～1.53GPa，仍有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种聚酰亚胺纤维及其制备方法，本发明提供的聚酰亚胺纤维具有较高的纤维断裂强度和模量。

本发明提供了一种聚酰亚胺纤维，包含式(I)结构所示的第一重复单元、式(II)结构所示的第二重复单元和式(III)结构所示的第三重复单元：

其中，第一重复单元、第二重复单元和第三重复单元的摩尔比为(0.60～0.90)∶(0.05～0.20)∶(0.05～0.20)。

本发明还提供了一种聚酰亚胺纤维的制备方法，包括以下步骤：

将对苯二胺、4，4′-二苯醚二胺、2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑和联苯四酸二酐在有机溶剂中混合，进行缩聚反应后得到聚酰胺酸纺丝原液，所述对苯二胺、4，4′-二苯醚二胺和2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑的摩尔比为(0.60～0.90)∶(0.05～0.20)∶(0.05～0.20)；

将所述聚酰胺酸纺丝原液进行纺丝，得到聚酰胺酸原丝；